多闸坝河流水质模拟

卓全录，许 洋

(1.濮阳市环境保护科学研究所，河南 濮阳 457000；2.许昌市生态环境局，河南 许昌 461000)

1 引言

近年来水环境数学模型得到了长足的发展，并在此基础上开发出了诸如MIKE[1]、Delft3D[2]、QUAL2K[3]和EFDC[4]等软件，EFDC因其廉价、开源、高效被广泛应用，虽在国内的应用推广较晚，但不乏成功的案例。相关学者借助EFDC模型对丹江口水库、密云水库、洱海、太湖、长江及长江口等进行了卓有成效的研究[5～10]。

利用EFDC的dye模块对河流水质进行一维模拟是一种简单有效的水质模拟方法，但该模式下模拟河流只能定义一个统一的衰减系数，而现实河流中往往闸坝较多，在闸坝密集的河段和无闸坝河段，河流污染物的衰减系数相差较大，因此往往会影响EFDC一维模拟的精准度。

修建闸坝等水利工程是人类开发和利用水资源的有效手段，闸坝通过对水量的调控实现防洪、供水、灌溉、发电、航运等功效的同时，污染物质输移过程也相应发生变化，从而对水质产生一定影响。第一次全国水利普查成果显示：截至2011年，中国共有水库98002座、水电站46758座、过闸流量1m3/s及以上水闸268476座[11]。关于闸坝的界定，没有权威的文献进行论述。我国学者索丽生[12]、夏军[13]、林巍[14]、张永勇[15,16]、蒋艳[17]、左其亭[18,19]等在多个文献中引用“闸坝”一词。本文继续沿用“闸坝”一词，并界定为：具有防洪、排涝、拒咸蓄淡、灌概供水、通航养殖、景观娱乐、生态保护等功能的平板闸、液压升降闸、橡皮坝等水工构筑物。从近期研究看，陈炼钢[20、21]、吕菲菲[22]、刘子辉[23]、杨洵[24]、米庆彬[25]等学者均对多闸坝河流的水质模拟进行了研究，但使用MIKE和自研模型较多，采用EFDC的较少。基于EFDC探索一种简单的多闸坝河流水质模拟方法对于河流水质模拟具有重要意义，本文针对清潩河，采取分段模拟的方法解决了多闸坝河流EFDC一维模拟不准确的问题，对相关研究具有指导意义。

2 清潩河流域概况

清潩河属淮河流域沙颍河水系，发源于新郑市，流经长葛市、许昌县、魏都区(许昌市区)、临颍县、鄢陵县等县(市、区)，至鄢陵县陶城闸下汇入颍河，全长149 km，流域面积2362 km2，其中约67%在许昌境内，主要担负沿河区域防洪、排涝、纳污及许昌市城区景观水的重要功能。

清潩河干流上自增福庙水库以下至汇入颍河口共有8闸2坝，基本分布于长葛市、许昌市及许昌县段，10个闸坝中有9个均位于此范围内。在用(处于调控状态)的闸坝为关庄闸、小黄桥闸、滹沱闸、建安大道橡胶坝、前进路橡胶坝、祖师庙闸、陶城闸。闸坝的主要功能为调蓄清潩河许昌市区段水质和水量。

3 模型概化方法

3.1 河流概化

结合清潩河流域河流水系情况和污染源分布情况，对清潩河流域进行概化。现状情况下，清潩河干流长葛段无水，自杜村寺闸下游才有杜村寺湿地排水，且杜村寺闸-祖师庙闸段河流基本处于静稳状态，河水较深，与祖师庙下游段区别明显，在进行清潩河水动力和水质模拟的过程中，针对全段进行模拟较为困难，且不符合客观实际。因此，将清潩河干流分成两段进行模拟，即上段(杜村寺闸-祖师庙闸段)和下段(祖师庙闸-汇入颍河口段)，将上段模拟得出的河流出口处流量和水质作为下段进口处的边界数据。

在清潩河干流由上游到下游选取点位进行河底高程监测。将对应点位高程信息导入EFDC并进行插值，得出清潩河干流的高程分布。

河道糙率选用季振刚的《水动力学和水质——河流、湖泊及河口数值模拟》一书中的河道糙率经验值进行设置[26]。清潩河上段大部分区域已经过整治，河道情况已非自然状态，介于普通的混凝土涂层和最优条件下的泥土河道之间，其糙率取0.015。清潩河下段基本属于天然状态，具有平原地区天然河流的一般性特征，其糙率取为0.03。

3.2 闸坝设置

清潩河模拟河段内对清潩河水流状态有明显影响的闸坝为小黄桥闸、建安大道橡胶坝、前进路橡胶坝、祖师庙闸和陶城闸。小黄桥闸、建安大道橡胶坝、前进路橡胶坝、祖师庙闸均为堰流，陶城闸为闸孔出流。在闸坝处需设置水工构筑物边界，将该水工构筑物的过水流量导入模型。堰流和闸孔出流的流量计算方法如下：

3.2.1 堰流流量计算

堰流流量计算公式为：

(1)

式(1)中，μ为淹没系数，取1；ε为侧收缩系数，取1；m为堰的流量系数(取0.36)；b为宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为堰顶总水头，m，当堰前流速很小的情况下，H0近似为堰前水深和堰高的差值。

3.2.2 闸孔出流流量计算

闸孔出流流量计算公式为：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，μ为流量系数；n为闸门开孔数；b为每孔的宽度，m；e为闸门开启高度，m；H0为闸前全水头，m，当闸前流速很小的情况下，H0近似为闸上水深；H为闸上水深，m。

4 水动力模拟

用2017年全年的数据进行模型校准。清潩河上段没有流量、流速等监测数据，实际调研中发现，清潩河上段由于闸坝众多、蓄水量大，基本没有流速，处于静稳状态，所以清潩河上段水动力模型校准主要以水深对比为依据。清潩河下段临颍高村桥断面有流量监测数据，因此清潩河下段主要以流量对比为依据进行水动力模型校准。

利用2017年数据模拟得出清潩河上段沿程水深变化。小黄桥闸上游由于没有稳定的汇流，导致在小黄桥闸处河水无法溢流；建安大道橡胶坝和前进路橡胶坝处由于橡胶坝的截流作用，上游河水被雍高约5 m深；祖师庙闸处由于闸板的作用上游水位雍高约3.6 m，闸板上有水溢流。以上模拟情况与河流实际情况吻合，清潩河上段水动力模型较为准确。

利用2017年数据对清潩河下段水动力进行模拟，将临颍高村桥断面模拟流量与实测流量进行对比，如图1所示。实测流量与模拟流量较为吻合，平均误差约为9%。可见清潩河下段的水动力模型较为准确。

4 水质模拟

采用2017年的数据对清潩河进行模拟，经过调整，将清潩河上段COD的衰减系数设置为0/d，下段COD的衰减系数设置为0.1/d。模拟得出清潩河107国道桥、鄢陵陶城闸2个断面全年的水质浓度变化，将其与实测值对比，如图2～3所示。2个断面的平均相对误差分别为12.8%、4.5%。误差较小，COD水质模型较为准确。

图1 清潩河临颍高村桥断面流量对比

图2 清潩河107国道桥断面COD浓度对比

图3 清潩河鄢陵陶城闸断面COD浓度对比

5 结论

(1)在分段模拟的情况下，清潩河多闸坝的上段衰减系数设置为0/d时，水质模型较为准确，而下段衰减系数设置为0.1/d时，水质模型较为准确。

(2)同时可以看出，因景观用水需求清潩河许昌市区段设置大量闸坝，河水较深，流动迟缓，处于静稳状态，加之河底和边坡硬化导致河流失去自净能力，而清潩河下段更为接近天然河流，对污染物仍保持一定的自净能力。

本研究针对多闸坝河流，采用分段模拟的方法，解决了采用EFDC的dye模块对河流的一维模拟中不能分段设置衰减系数的问题。该方法简单可行，结果可靠，对相似河流的模拟具有指导意义。