不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究

黄埔恒

(山东省菏泽市河湖流域管理服务中心，山东 菏泽 274000)

1 研究区概况

洙赵新河源于东明县木庄，流经菏泽、鄄城、郓城、巨野、嘉祥等地，最终流入南阳湖，全长140.7 km，流域面积约为4206 km2，流域面积超过100 km2的支流主要包括郓巨河、鄄郓河、洙水河等10条，全河防洪水位为39.69～55.79 m，防洪流量775～796 m3/s ，入湖口防洪流量为1220 m3/s。洙赵新河是受污染比较严重的河流之一，主要污染源为工业废水、农业污水和生活污水，同时也与流域内修建的众多水闸水利工程有关，水闸工程虽然能够防治水害灾害，但也改变了天然径流过程，给流域生态环境带来较大影响，尤其是水闸上下游的富营养现象尤为严重。

2 富营养化模型构建

2.1 研究对象及数据

k闸为洙赵新河上的第一大闸，包含18孔浅孔闸和5孔深孔闸，单个浅孔闸的净宽为6 m，高度7 m，位于河流右岸，单个深孔闸的宽度为10 m，高度11 m，位于河流中部，船闸位于河流左岸，宽度为12 m，深孔闸和船闸始终处于关闭状态。以该闸上下游2.3 km范围为闸控流域研究对象，在模拟之前，共对水闸上下游开展了4次调度实验，并将实验数据作为模拟的初始数据，实验过程中共对上下游5个断面处的水质进行了监测，主要对溶解相、悬浮相以及底泥相等共计12个指标进行了监测。水闸布置及监测断面示意见图1。

图1 水闸布置及监测断面示意图

2.2 富营养化模型建立

首先，将模型底图导入MIKE 21 中，利用MIKE 21自带的工具来绘制模型的计算边界[1-3]，并划分陆地边界、上游边界和下游边界；然后，将水闸上下游的地形数据导入模型中，上中游地区采用三角形网格划分方式对模型进行划分，网格面积为50～250 m2，在水闸处进行了局部加密，在下游地区采用四边形进行网格划分，横向和纵向的最大长度分别为10 m和20 m，整个模型包含6480个网格和4200个节点；最后，对网格划分后的模型进行地形插值操作，同时确保每个网格都有对应的地形数据，插值完成后导出mesh文件。如图2。

图2 富营养化模型构建结果

2.3 模型边界和参数设置

模型的水质初始边界以前4次现场实验实测数据为基础，具体情况见表1。模型模拟时间跨度为65 h，分650步，每一步的主时间步长为6 min；模型CFL设置为0.8，最小和最大时间步长分别设置为0.01s和360.00s；干水深设置为0.005 m，淹没水深设置为0.050 m，湿水深设置为0.100 m；溶解相和悬浮相指标的扩散系数均设置为0.3 m2/s。

表1 水质初始边界值 mg·L-1

2.4 闸门调控方式确定

由于深孔闸和船闸长期处于关闭状态，因此，仅对不同浅孔闸启闭状态下的情景进行模拟分析，考虑浅孔闸的启闭数量和闸门的开启高度，分为以下13种情景：浅孔闸全开，闸门开启高度分别为10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，浅孔闸集中开启10孔，闸门开启高度分别为10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，浅孔闸只集中开启5孔，闸门开启高度仍然为10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，最后一种为无闸门开启情景。

以闸后Ⅶ断面的水位、流量和流速模拟结果为例，利用构建好的富营养化模型对下游的水动力指标进行模拟，结果见表2。通过模拟数据与现场实测结果进行对比，发现模拟结果与实测结果的误差控制在5%以内，表明构建的富营养化模型是合理的，模拟结果是准确可靠的。

表2 水质初始边界值

3 模拟结果分析

3.1 评价指标

为了表征不同水闸调控方式对水质的影响，引入贡献率指标来对采取水闸调控后和常规河道水质浓度的差异程度进行量化，如式(1)所示[1-2]。

(1)

式中：θ为指标贡献率，%；p1为水闸调控下的某水质指标浓度，mg/L；p0为没有水闸调控时的对应指标浓度，mg/L。

当θ>0时，表示水闸调控使水质指标浓度增加，当θ<0时，表示水闸调控使水质指标浓度减小。

3.2 溶解相指标分析

以闸后Ⅶ断面为例，不同水闸调控方式下溶解相指标贡献率对比见图3。从图3中可知：水闸调控对DO、溶解相COD、溶解相TP、溶解相ON和硝酸盐氮的贡献率均为负数，而对氨氮的贡献率为正，对于溶解相COD的贡献率最大，其次为溶解相ON和硝酸盐氮，接着依次为DO、氨氮和溶解相TP，当采用5孔10 cm开度进行水闸调控时，对闸后Ⅶ断面处的水质指标减少贡献率最大，分别可以达到-54.3%、-22.8%、-4.0%、-30.5%和-24.2%；相同闸门开启数量下，增大闸门开启高度，会降低闸门调控的效果，导致贡献率减小，这主要是因为增加闸门泄流量后，会将上游的污染物带到下游，导致下游的水体污染物含量升高，故而贡献率减小；相同闸门开启高度下，减小闸门的开启数量，贡献率反而会降低，这也是因为增加了泄流量导致下游污染物增加所引起。

图3 水闸调控方式下溶解相指标贡献率对比

3.3 悬浮相指标分析

不同水闸调控方式下悬浮相指标贡献率对比见图4。从图中可知：水闸调控方式对悬浮相水质的贡献率有正有负，对悬浮相TP的贡献率大于对悬浮相ON和悬浮相COD，水闸开启数量越少、开启高度越低，下游的水质越好，这是因为当增大下泄流量时，对于下游的底泥具有更大的扰动作用，导致底泥的再悬浮作用增强，从而降低下游的水质；同理，当采取5孔10 cm开度进行水闸调控时，能达到最好的调控效果，此时，对悬浮相TP、悬浮相ON和悬浮相COD的贡献率分别为-36.1%、-17.4%和-16.4%。

图4 不同水闸调控方式下悬浮相指标贡献率对比

3.4 底泥相指标分析

不同水闸调控方式下底泥相指标贡献率对比见图5。从图5中可知：水闸调控对于底泥相的贡献亦是有正有负，但总体上对于底泥相的贡献为正，且贡献率绝对值远大于溶解相和悬浮相，最大可达到300%，这说明采取水闸调控后，下游底泥的污染物会增加，尤其在闸孔数量和开度较小情况下，贡献率尤为明显，这主要是因为下游底泥污染物含量与河道的水流流速有关，当水流流速大于再悬浮的临界流速时，底泥相的污染物含量在再悬浮作用下降低，当水流流速小于再悬浮的临界流速时，底泥相的污染物会沉积在河底。当采取5孔10 cm开度时，对底泥相TP和底泥相COD的贡献率最大，当采取10孔30 cm开度时，对底泥相ON的贡献率最大。

图5 不同水闸调控方式下底泥相指标贡献率对比

4 结 论

水闸调控方式对于下游底泥相的影响远大于溶解相和悬浮相的影响，当闸孔开始数量和开度较小时，对于下游水质的调控作用最为明显，大量溶解相污染物和悬浮相污染物会沉积在底泥中，导致底泥中污染物含量大大增加，因此单纯采取调控下泄流量方式对于下游富营养是不利的，建议在今后采取水闸调控+污染物削减方式对下游富营养进行联合调控。