基于MIKE模拟计算的信江水库水质及水动力学演化特征分析

王 欢，孙 聪

(浙江省丽水市水文管理中心，浙江 丽水 323000)

水库长期安全运营与水质状态密切相关，根据水质状态分析水库水动力学演化及水库工程安全运营乃是水文水资源中重要研究课题[1-3]。不可忽视由于水库水资源配置规划对水利工程流量、水温及泄流等运营均具有重要影响，合理配置水库水资源调度乃是有利于水库水质净化的重要手段，秦仪婷等[4]、陆晓等[5]、马雅丽等[6]利用各种智能算法，有效提升水库、灌区等地区内水资源规划配置效率。当然，水质分析可结合相应的水动力模型，包括有SWMM模型在内的各种水质模型，分析水质模型在水库等工程运营中变化特征，为水质治理、补水方案等研究提供重要参考[7-9]。当然，包括MIKE、SMS等在内的水动力学仿真计算平台，其可根据水库、河流等实际工程运营工况，模拟计算获得水动力学特征参数变化规律，由此确定水质状态影响特性，为河道净水、水库水资源调度等提供数据支持[10-12]。本文根据信江水库水质状态，分析化学污染物来源及其影响特性，利用MIKE计算平台获得水库建库前、后断面水位演化特征，为水质治理及水库运营提供重要依据。

1 水库水质现状及工程概况

1.1 水库概况

赣北地区信江支流建设有一水库枢纽工程，乃是上饶地区重要蓄水库，该水库涉及流域面积超过300 km2，设计库容超过1.2亿 m3，水库含沙量为7.5 kg/m3，讯水期泥沙淤积最大厚度可为1.8 m，可承担超过10万亩农田灌溉，设计有防洪、蓄水、小型发电等综合功能的水利枢纽工程。该工程包括有坝体结构、溢洪道、泄洪设施以及发电厂房等水利设施，设计正常运营期水位为159 m，坝顶设计高程为164.5 m，宽度为8 m，设计有心墙体作为堤坝防渗及加固结构，心墙弯曲段长度为15 m，坝体上、下游坡度按照阶梯式变化，上游坡度分布为1/3～1/2.5，下游坡度为1/2.5～1/3.5，上、下游分别采用混凝土砌石与格宾石笼护坡，一方面提升坝体防渗性，另一方面增强坝体结构静、动力安全稳定性，坝顶设置有厚度为0.8 m的防浪墙，降低坝体受水力冲刷影响。水库大坝坝址处铺设有防渗垫层，厚度为0.45 m，采用塑性混凝土作为防渗垫层主要原材料，其最深处可达基岩层，确保坝体不发生渗透破坏，坝体右岸设置有帷幕灌浆加固结构，降低坝体下覆黏土层流动性与沉降变形。受地区工业水平发展，水库在运营5 a后设计有一溢洪道设施，所有溢流孔采用钢闸门，提升区域内排涝及泄流水平，闸门每孔尺寸为12 m×5 m，高度为6 m，闸室采用闸墩承重，闸墩顶高程为162m，设计有锚索支护结构，提升整体闸室在运营过程中稳定性。引水隧洞设计有混凝土衬砌结构，10年运营区间内围岩最大位移不超过10 mm，混凝土与围岩间设置有刚性垫层，提升长运营期内围岩流变特性。从供水对象来看，信江水库承担了周围7个县城工业及城乡居民生活用水，年供应总水量超过2亿 m3，该水库水质状态直接关系当地居民用水安全，开展信江水库水质检测分析及水动力学变化特征演化很有必要。

1.2 水库水质污染源

从水库水质污染源来看，分为工业、生活污染物及农业肥料污染物等，工业污染源主要来自于城区工业经济发展产生的污染物垃圾，排泄物等对水库水质具有显著负面影响；另一方面，水库周边生活居民较多，生活垃圾迁移以及地下污水管道排泄均有一定影响，而生活污水最大来源实质上乃是七个县城的污水处理厂，水库周围县城内污水处理厂共有7个，污水最大设计处理能力为10万 m3/d，极大影响了水库内磷元素、氨氮元素等分布量，G县污水排放量中年排放TP含量占水库入库总量的45.8%。第三个污染源来自于周边乡镇农业生产，包括畜牧业养殖等，主要污染物以COD为主，监测表明入库COD含量来自乡镇农业与畜牧业占比超过40%，且以水库下游区域为主，以C县排放COD含量最大，达58.82 t/a。为对水库进行水质治理，对水库水质受当前周围环境影响及水动力学特征开展分析。

2 水库水质影响特征

2.1 COD含量

根据对水库流域内各县城排入水库水质监测，获得水库水质COD含量在各县城排放中分布特征，如图1所示。从图中可看出，年排放进入水库的COD含量总量为8391.2 t/a，其中排放量最多的为B县，占年总排放量的51.1%，排放量最小的为F县，仅为348.8 t/a；根据各县城年经济总量关系可知，COD含量最高的B县，其经济总量乃是区域内最高，同样排放量最小的F县，其经济总量最低，即水库流域内COD含量变化与地区经济总量有密切关系，表明工业化发展对水库水质COD含量具有正相关促进效应，D县经济总量为135.5亿元，其年排放COD含量为394.2 t/a，而A县城经济总量乃是前者的2.53倍，年COD排放量相比前者增大了2.45倍。从水库水质治理来看，不可忽视流域内工业经济发展县城之间的差异性，应根据各县城经济状况针对性实施COD减排措施。

图1 水质COD含量与流域经济总量关系

2.2 氨氮含量

根据水库水质多断面监测，获得流域内排放入水库氨氮含量在一年中分布状况，并给出各月水库流域内降雨量变化关系，如图2所示。从图中可知，一年内氨氮含量排放最多的是4月，达72 t/a，而最低月份为1月，氨氮入库量仅为峰值的44.4%，而各月中氨氮含量超过60的有4个月，分布在4-7月中，而氨氮含量最低值分布在1月中，表明氨氮含量随季节变化具有显著差异性特征。联系各月降雨量可知，降雨量最高的季节为4-7月，而在该区段内氨氮含量同样入库量较高，此区间段内平均每月氨氮含量入库为67 t/a；在降雨量较低的月份中，属11-1月，其各月平均氨氮入库量仅为最高区间段的35.3 t/a。分析认为，由于降雨量影响，氨氮含量与之为正相关，此种变化特征实质上与降雨产生的地表径流有关。当降雨量较大时，地表径流活跃，水力作用较强，各类地表污水在强有力降雨渗透作用下，可逐步迁移至水库中，造成该时间段内氨氮等化学污染物含量较高的现象[13，14]。

图2 水质氨氮含量与流域降雨量关系

2.3 TP含量

TP含量与农业生产密切相关，分析水库对周围7个县城农业生产灌溉面积总值，获得TP含量与流域内农业灌溉面积关系曲线，如图3所示。从图中可看出，F县乃是传统农业生产灌区，其年排放入库TP含量最高，达254.2 t/a，而B城区乃是流域内重要城市主城区，其农业用地面积较小，但不可忽视其工业生产总值较高，因而TP含量仍然较高，达103.5 t/a，年入库TP含量最低为E县，该县城农业灌溉面积相比F县降低了71.4%，年入库TP含量亦相比降低了61.3%，该县城不仅农业生产用地较小，且工业产值同样低于其他区县。分析表明，TP含量在水库流域内变化关系与农业生产、工业生产密不可分，当农业生产与工业生产均较小时，入库TP含量较小，而其中尤以农业生产对TP含量影响显著，农业生产面积愈多，则年入库TP含量占比愈大。

图3 水质TP含量与流域内农业灌溉面积关系

3 建库前后水动力学演化特征

为获得水库水质演化特征，根据水动力学计算理论开展水库水动力演化特征分析，笔者利用MIKE水动力计算系统建立信江水库流域模型，枢纽工程相关参数按照前述工程资料设置，按照实际工况条件设置上、下游流量边界[15，16]，且增设坝体泄流孔布置，在模型中每间隔5km划分出一个监测断面，共有5个断面，各断面及所建立的计算模型如图4所示。

图4 水库断面模型及监测点位置

由于水洞力学特征参数较多，本文仅以建库前、后水位变化开展分析，以此反映信江水库水动力学演化特征。根据水库流域内丰水年(P=30%)、 平水年(P=50%)及枯水年(P=75%)三个工况开展对比计算，该三工况相对应的蓄水位分别为158 m、143 m、136 m，进而根据水动力学仿真计算，获得三个工况下水库治理前后各断面上水位变化特征，如图5所示。

从图中可看出，丰水年工况中建库后水位在各断面中均保持一致，在全年为先降后升变化，其中水位最低为7、8月份，仅为154.5 m、154.4 m，相比年初1月份分别降低了2.69%、2.8%，而相比年底12月份亦降低了2.7%左右，丰水年建库后全年水位呈“U”型变化。建库前从监测点A至D点水位在全年均分布较稳定，其中C、D、E三个测点水位分别稳定在125.8 m、126.2 m、127.3 m，无较大波动；测点A、B在7-9月份有所波动，水位最大变化幅度不超过0.5%。在平水年中建库后各测点水位均保持一致，在全年中分布呈“倒S”型，最高水位位于11月份，达155.73 m；而在建库前，相同测点水位低于丰水年，在D测点6月份时水位为123.5 m，相比丰水年降低了2.2%；整体上各测点均以下游水位较高，此与丰水年类似，在相同时间时，测点间距增大5 km，平均可导致水位上升0.9%，且以A～B测点间水位上涨幅度显著，在平水年此两点间水位差异幅度达1.5%。枯水年建库前、后水位整体比丰水年、平水年均要低，建库前在相同C点5月份的枯水年水位为121 m，相同条件下的丰水年、平水年较之前者分别增大了4%、1.7%，而在建库后枯水年9月份水位为151.05 m，相比之下丰水年、枯水年分别增高了4.1%、2.7%；另一方面，水库建成后全年水位变化幅度亦低于丰水年、枯水年，建库后最低、最高水位间差距幅度为0.48%，建库后全年水位呈“波浪线”型发展，最大波动范围为7-9月，在3-5月水位长期处于150.9 m；分析表明枯水年受上游来水流量降低，导致建库后水位变化波动较小，且个别月份由于来水流量较小，造成水位较平稳。

(a)丰水年 (b)平水年 (c)枯水年 (d)建库后

4 结语

本文主要获得以下几点结论：

(1)工业化发展对水库水质COD含量具有正相关促进效应；氨氮含量随季节变化具有显著差异性特征，以降雨量最高4月氨氮含量最高，达72 t/a；农业生产与工业生产值均较小时，入库TP含量较小，灌溉农田愈多，入库TP含量愈大。

(2)建库后丰水年、平水年及枯水年全年水位分别呈“U”型、“倒S”型、“波浪线”型，枯水年建库后水位显著低于其他两个工况，且全年水位波动幅度亦是最低，在9月份时丰水年、平水年水位相比枯水年分别增高了4.1%、2.7%，而全年最低、最高水位差距幅度仅为0.48%。

(3)建库前水位以丰水年最高，相同C测点5月份时丰水年、平水年较枯水年分别增大了4%、1.7%；各测点在全年各月份水位变化幅度较小，最大变化幅度均位于7-9月，丰水年A测点在7-8月水位变化幅度最大不超过0.5%；各测点水位均以下游水位较高，平水年中测点间距增大5 km，平均可导致水位上升0.9%。