刘勇进，李 红

(1.黄河水利职业技术学院 ，河南 开封 475004；2. 开封市黄河工程质量检测有限公司 桩基检测室，河南 开封 475004)

0 引 言

水库在灌溉、发电、防洪、旅游等方面起着重要的作用，但水库的建设在带来经济效益的同时因破坏了原有河流的生态平衡状况，也带来了巨大的环境效益[1]，水库一般具有宽水面[2]、库区水体置换时间长[3]、水流运动迟缓、水体自净能力弱[4,5]等特点，随着库区水体停留时间的增长，水体质量会逐级恶化[6]，因此，加强水库水质管理显得尤为重要。目前比较流行的水质模型主要有MIKE模型[7,8]、EFDC模型[9,10]、WASP模型、Delft 3D模型等[11]，这些模型被广大学者广泛应用于国内外湖、库、河流水环境模拟中，并取得了较好的研究成果。EFDC模型因可以较好地拟合研究区域边界情况及地形情况而深受广大学者的青睐，其最为核心的水质、水动力版块经常被用于模拟水库水温分层、湖库水质模拟中，并均取得了较好的研究成果：如谢森扬[12]等通过EFDC成功复演了九龙江口-厦门湾潮汐潮流和盐度场的时空变化过程；张鹏[13]等采用EFDC研究并分析了闽江下游溶解氧(DO)变化过程；李林子[14]等采用EFDC较好地模拟了南京工业园突发水污染事故后污染物的水环境行为；唐天均[15]等基于EFDC模型较好地模拟了深圳水库的水质及水动力变化过程；黄轶康[16]等通过模型准确地揭示了长江下游码头溢油扩展及迁移运动的规律特征；张鹏飞[17]等通过模型较好的预测了汤村水库建成后水温分层情况。为研究汤村库区在水体静置期及汛期水体交换期水质情况，本文引进EFDC模型，根据汤村库区特点，建立了二维水质模型，模拟并分析了库区在两种工况下化学需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)浓度空间变化特点，研究结果可为汤村水库的调度运行及水质管理提供理论参考。

1 汤村水库水质模型建立

1.1 研究区域

汤村水库位于长江北岸支流华阳河中上游，位于东经118°42′～118°45′、北纬30°40′～30°44′，水库工程等别为Ⅲ等，坝址位于新田镇上河村，上游距上河城约1.2 km，下游距宣城市区约32 km，库区跨越安徽省宣城市宣州区新田镇及溪口镇(库区大部分属溪口镇)。水库全长32.3 km，总库容5 170 万m3, 最大坝高32 m，坝顶长601 m。是一座以防洪为主，兼顾供水、农业灌溉、水利发电、生态旅游等多功能的中型水库，灌溉总面积5 533 hm2，每年可为宣州区提供供水水源1 800 万m3，日均供水量4.9 万t，坝址下游地区抗洪能力为20年一遇，水库兴利库容3 945 万m3，死库容为283 万m3，放水洞设计引水流量8.5 m3/s。水库电站装机容量为2×800 kW。

1.2 基本方程

EFDC( The Environmental Fluid Dynamics Code)模型是由美国环保署资助开发的三维流体动力学模型，可以模拟泥沙、底质、水质、水动力及有毒物质等版块，该模型因可以较好地拟合研究区底部地形和边界条件而被广泛用于河流、水库、湖泊湿地系统、河口和海洋水体一维、二维、三维物质输运的研究中[9]。

(1)连续性方程。

(1)

式中：x为距离坐标；t为时间坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁测入流量；C为谢才系数；R为水力半径；g为重力加速度。

(2)动量方程：

(2)

式中：h为水深；t为时间；u为x方向垂线平均水平流速分量；v为y方向垂线平均水平流速分量；g为重力加速度；s0x为x向的河底底坡；s0y为y向的河底底坡；sfx为x方向摩阻底坡；sfy为y方向摩阻底坡。

(3)营养盐迁移转化方程：

(3)

模型经二阶精度的有限差分格式变换后，继而通过交错网格变量布置，采用三层有限差分在时间上进行积分后模型即变为正压和斜压两种模态。采用半隐格式通过共轭梯度法求得水位场，对获得的水位值转化求得相应水深下的流速分布，最终求得正压态模解。在进行正压态模求解时，模型边界条件包括入流出流条件、水位值及体积流量。在同时间步长下，斜压模下的垂向扩散项通过隐格式求得，其他边界条件与正压模一致。动量方程内模主要用于求解速度及应力的分布，通过周期性的插入一个二阶精度的两层时间格式得到三层时间格式中的时间分裂，进而按顺序交替计算该格式下每一网格节点下的水位(h点)和流量(Q点)，采用有限体积法对得到的单元 进行积分离散，数值通量采用FVS格式求解，通过以上变换后上述水量、水质模型可统一写为：

(4)

式中：q为守恒物理量；f(q)为x方向通量；g(q)为y方向通量；b(q)为源汇项。

1.3 率定验证

基于汤村库区实测水质结果，对模型进行率定验证，根据地形资料，汤村库区河道底部整体呈“U”形，将其划分为3 316个四边形单元网格，共3 528个节点，平均网格尺寸为30 m×30 m，汤村水库共设两个开边界，上游为水库入流断面，下游设泄流闸，流量边界取Q1=8.6 m3/s，为保持月均水位不变流量，因此进出库流量各月相等，水位计算边界取汤村水库成库数据，水质边界取现状监测数据，概化出的网格及流量边界见图1。考虑计算稳定性及精度，取时间步长Δt为1 s。结果表明：计算值及实测值平均相对误差约9%，模拟效果较好。说明本文所建EFDC水质模型能够较好地反映该库区不同水动力下污染物迁移扩散过程。

图1 库区质模型计算边界及网格剖分图

2 库区水环境预测及分析

根据《安徽省水功能区划》(2003)，华阳河为河流源头保护区，执行《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，而汤村库区位于华阳河上游，因此也执行Ⅱ类标准。据调查，汤村库区两边主要为山区，沿线开发程度较低，无工业废水及生活污水排放，控制断面现状水质类别为Ⅱ类，因此，就目前而言水库在运行期来水较好，不会接纳外源污染负荷，库区水质能得到有效保障，但随着库区水体静置时间的加长，水中有机物积累过多，溶解氧逐渐降低，水体中代谢产物越来越多，导致水体营养元素不足，水体生产力下降，水质逐渐恶化，因此本文选择两个工况对汤村水库水质进行预测分析，①水体静置期间：库区与华阳河无水量交换或非汛期华阳河来水量较小时，库区汇水面积范围内部分农业面源污染流入水库，随着水体停留时间的加长，污染物浓度增大，对此时库区水质浓度进行了预测；②汛期(水体交换期)：虽汤村水库上游来水水质较好，但库区污染物浓度随着停留时间的加长而有所增大，通过库尾的引水隧洞对库区水体进行交换。

2.1 静置期水质预测

库区水体静置期，考虑周边污染负荷排入水库对水质的影响，分析汤村水库在不同库容下的水质变化过程。汤村水库周边面源污染物入库量计算公式如下：

W农=W农pβγ

(5)

W农p=Mα

(6)

式中：W农为污染物入库量；M为耕地面积；W农P为污染物排放量；β为入库系数(取0.25)；γ为修正系数，(取1.2～1.5)；α为排污系数。

通过上述公式，根据水库周边现状环境，考虑不利情况下，计算得COD及NH3-N污染负荷量分别约为331.18、65.95 kg/d。根据上述计算得污染负荷值，运用EFDC模型预测汤村库区水体静置期间水质浓度，计算公式如下：

(7)

(8)

⋮

(9)

式中：C0为水库初始水质浓度，mg/L；C1为水库蓄水后一天后水质浓度，mg/L；V为汤村水库库容，万m3；W1为蓄水第一天时当天流入库区的污染物总量，kg/d；K为污染物降解系数；Cn为蓄水第n天后库区水质浓度，mg/L；α为不均匀系数；wn为蓄水后第n天时当天流入库区的污染物总量，kg/d，W1～Wn分别表示当天污染物入库量。通过上式计算并绘制出水体静置期，库区水体静置时间与水质浓度(COD、NH3-N)的关系图(见图2、图3)。

图2 不同库容下库区COD浓度与水体静置时间关系曲线

图3 不同库容下库区NH3-N浓度与水体静置时间关系曲线

通过上图分析可知：在库区水体静置期，不同库容下即使流入库区的污染物负荷相同，库区水质浓度变化过程亦不同；当库区水体停留30 d时，当库容为5 600、4 400 万m3时，COD浓度分别为14.43、15.27 mg/L，相比初始水质(初始COD、NH3-N浓度分别为现状实测的浓度)，COD浓度分别增加了2.85%、8.57%，NH3-N浓度分别为0.31、0.4 mg/L，分别增加了513.5%、673.1%，说明库容越大，库区水环境容量越高，对应水质指标增幅越小。就增幅比例而言，随水体静置时间的增加COD浓度的增幅远低于NH3-N浓度的增幅，但当库容为5 600 万m3、库区COD浓度在停留26 d时略有超标，而氨氮浓度在库区水体停留30 d时仍未超过地表水环境质量Ⅱ类标准。因此，在非汛期时，汤村水库水体静置时间应控制在26～30 d以内，当发现库区水质已达到或接近相应的水质标准时，应根据坝址上游水量利用引水隧洞补水或换水，以确保库区供水水质。

2.2 水体交换期水质预测

根据上文分析可知：汤村库区水体静置时间越长，水质浓度越高，故为确保供水水质安全，应定时换水以改善水质。水库正常运行期时，库容约5 160 万m3，正常蓄水位高146.7 m，根据实测资料得华阳河多年平均流量为3.05 m3/s，汤村水库日入库水量约171.5 万m3，计算得汤村库区的整体换水需31 d才能全部完成。为达到环境与经济效益最大化，在水库正常调度运行时，水库运行的总体原则是及时换水、水质和位两者间相互补充，根据坝址上游华阳河及库区水质情况确定合适的换水频率及换水规模。下文选择汤村水库与华阳河换水8 d工况，设水库本底水质为正常库容条件下静置30 d时的水质浓度，边界来水浓度设为满足Ⅱ类地表水环境质量标准，通过模型对库区水体交换过程进行数值模拟。根据数值模拟结果，绘制出换水后2 d、4 d、6 d、8 d汤村水库库区COD及NH3-N空间分布图(图4、图5)。

图4 水体交换期库区COD浓度分布(单位：mg/L)

图5 库区水体交换期NH3-N浓度分布(单位：mg/L)

结果表明：当外部华阳河河水质较好，通过上游来水引入库区后，对改善库区水质效果较好；随引水时间的加长，库区水环境容量逐步加大，水质浓度逐步降低；同时随着换水量加大，库区水动力强度增强，污染物迁移扩散能力能力随之增强，可进一步改善库区水质情况。总体而言，在汤村水库运行期，除了及时、定时做好库区水质监测及华阳河水质监测外，通过合理的调度运行以及相机换水可有效的保障库区水质。

3 结 论

本文采用EFDC模型模拟了汤村水库水体在静置期及交换期库区水质情况，结果表明：汤村库区水体停留时间应控制在26～30 d为宜，当汤村库区库容为5 600、4 400 万m3时，相比初始水质，库区COD浓度分别增加了2.85%、8.57%，NH3-N浓度分别增加了513.5%、673.1%，库容越大，库区水环境容量越高，对应水质指标浓度增幅越小；随着引水时间的加长，库区水环境容量逐步加大，水质浓度会逐步降低，通过对水库合理的调度运行，相机换水可有效保证库区水质。