(阜新蒙古族自治县水利事务服务中心，辽宁 阜新 123100)

1 工程背景

三湾电站位于辽宁省丹东凤城市境内的爱河下游东汤镇三湾村境内，水电站为浆砌石拱坝，最大坝高66m，正常蓄水位为233.00m，总库容2430万m3，装有3台8MW水力发电机组，总装机容量24MW，是一座以发电为主，兼有旅游和水产养殖等功能的综合性水利工程。工程预计于2019年建成投入使用，对缓解凤城市城乡电力短缺、促进区域经济发展具有重要作用。

工程论证阶段对工程区平水期的水质现状进行了调查分析，结果显示：由于上游分布有数量不等的工矿企业，爱河上游部分支流存在一定的重金属浓度超标问题，主要为砷化物、铁、锰和镉，但是汇入爱河干流后对干流水质影响并不明显。此外，坝址上游部分地段存在土壤中的砷化物与铁元素超标问题，水库蓄水后，淹没区的有害金属元素浸出又可能威胁库区水体环境[1]，因此，对三湾水库建成蓄水和运行期的重金属迁移特性展开研究十分必要。

2 MIKE21计算模型的建立

2.1 模型简介

MIKE软件主要包括MIKE11、MIKE21、MIKE31系列，主要用于水资源和水环境研究[2]。该系列软件开发了水动力模块(HD)、对流扩散模块(AD)、水质模块(WQ)、泥沙输移模块(ST)等极为丰富的模块，借助输入文件的调整，实现强大的前、后处理功能[3]。MIKE21是MIKE软件系列中的二维自由水面流动模拟系统软件，主要用于自由水体的流动、泥沙输送与沉积以及波浪和水环境变化等二维数值模拟研究[4]。此次研究采用MIKE21软件构建起重金属随库区水沙迁移转化的二维水质数学模型，对建库蓄水过程中水质的时空变化规律进行初步预测。

ECOLab可以提供耦合常微分方程，可通过与MIKE软件中的MIKE21模块耦合运行，用于各种水质预报、研究[5]。对于当前在水体水质研究中的不同水质问题，ECOLab可以提供WQ(水质模块)、EU(富营养化模块)、ME(重金属模块)以及XE(异生物质模块)[6]。考虑到此次研究的实际情况，选用ME模块进行模拟。

2.2 研究区确定

三湾水库位于爱河下游河段，属于典型的河谷型水库。结合研究区内的地质、水文、气象、河流汇入以及水污染等方面的综合数据，确定模型的范围为库尾至坝址干流高程240.00m等高线涵盖的全部区域，其上游边界在库尾上游1.20km位置，下游边界为工程的坝址处。该区域内存在多条大小不等的支流，其中以石门沟和小西沟最大，分别距离坝址1.50km和2.30km。

2.3 网格剖分

模型构建过程中利用Mike Mesh Generator进行混合网格生成[7]。其中，爱河主河道区域采用四边形网格，以便对水下地形进行更好的拟合；水库回水淹没区则采用三角形网格剖分，以提高计算效率。按照上述思路，研究区内的网格总数为22965个，计算节点数为16254个。

2.4 边界条件与参数设置

模型的水动力边界条件为：在上游边界与研究区内的各支流入口部位给流量，下游边界设置为水位；水质边界条件为上游边界与研究区内的各支流入口部位给实测金属浓度，下游边界则采用无梯度边界。

模型中的水动力参数主要包括河床的糙率以及模型计算的时间步长，其中糙率通过水位与流速结合模型模拟结果对比进行率定，通过试算，河床糙率取值0.04；计算步长则依据CFL条件进行自适应调整。水质参数中的水平涡洞黏性系数利用Smagorinsky公式计算获取，反应速率参照同类工程的研究成果以及相关分析实验确定[8]。

3 库区蓄水期特征污染物变化规律研究

运用构建的水动力和水质模型，结合库区特征污染物的来源和浓度调查数据，对蓄水初期砷化物和铁元素的浓度时空变化过程进行计算分析。为了解砷化物的浓度变化规律，在爱河干流、石门沟干流和小西沟的上游和下游以及拟建的坝址部位设置5个监测点。

3.1 砷化物的浓度变化

利用构建的水动力水质模型，对水库蓄水至正常蓄水位时的砷化物浓度进行计算，获得砷化物浓度分布图(见图1)。由图1可以看出，水库在蓄水至正常蓄水位时，爱河在研究区段干流的砷化物浓度在5～10μg/L之间，受石门沟和小西沟来水中砷化物浓度较高的影响，在两个支流区域的砷化物浓度明显升高，可以达到40～70μg/L。从研究区的整体情况来看，除了上述两个区域的砷化物浓度较高外，库区水体的砷化物浓度比较稳定，基本可以满足地表水Ⅱ类水质标准中关于砷化物浓度的要求。

图1 蓄水后砷化物浓度分布

利用水动力水质模型对水库蓄水过程中5个监测点的砷化物浓度进行计算，获得图2砷化物浓度随时间变化的曲线。由图2可知，5个监测点的砷化物浓度呈现出先增大后减小的趋势，但是不同监测点砷化物浓度开始增大的时间以及达到峰值的浓度并不相同。其中t1监测点位于石门沟支流的上游，该部位砷化物的浓度呈现出缓慢下降的态势，究其原因，主要是该监测点位于砷化物含量超标的爱河支流上游，不会受到超标水体的明显影响，而砷化物的主要来源是上游来水以及水库蓄水过程中被淹没的岩石和土壤中的砷化物的释放，同时在蓄水过程中由于水流速度减小，砷化物的沉降作用也比较明显，当沉降量大于释放量时，水体中的砷化物浓度就会减小；t2和t3监测点位于两条主要支流的下游，其浓度的变化规律为先迅速增大，然后再缓慢增加至峰值，最后逐渐减小，究其原因主要是受到条高污染支流水体的汇入，砷化物浓度迅速增加，然后受到被淹没的岩石和土壤中的砷化物的释放的影响，浓度继续缓慢增加，最后受到沉降作用的影响，浓度逐渐降低；t4和t5监测点靠近坝址位置，砷化物的浓度整体上为下降的态势，究其原因主要是水流速度小，砷化物的沉降作用大于其释放量。整体来看，由于库区淹没区域的砷化物释放作用有限且不会长期持续，而水库蓄水后流速降低，沉降作用明显，因此，蓄水后库区水体的砷化物浓度较之前有所降低。

图2 各监测点蓄水过程中砷化物浓度变化曲线

3.2 铁元素浓度变化

水库蓄水完成后，计算各个监测点铁元素浓度分布规律(见图3)。由图3可知，水库蓄水过程中，爱河干流库区段的铁元素浓度在50～240μg/L之间，受石门沟中高浓度铁元素水体汇入的影响，在该支流的局部区域铁元素浓度超过300μg/L。但是，从整体来看，蓄水后三湾水库库区水体的铁元素浓度基本满足地表水Ⅱ类水质标准。

图3 蓄水后铁元素浓度分布

三湾水电站库区蓄水过程中，计算各监测点铁元素浓度的变化过程(见图4)。由图4可知，t5监测点的铁元素浓度先增大，后逐渐下降，其余四个监测点的铁元素浓度均呈现为逐渐降低的变化趋势。究其原因，t5监测点位于电站大坝的坝前位置，该区域有大片土地率先被淹没，因而造成岩石和土壤中铁元素的迅速、大量释放，使该监测点铁元素的浓度明显升高，之后，随着释放量的减小和沉降作用的加强，水体中的铁元素浓度开始逐渐下降。

图4 各监测点蓄水过程中铁元素浓度变化曲线

4 结 论

随着各地经济快速发展，生态环境保护问题是摆在面前的一项急需解决的重要问题。本文以辽宁省在建的三湾水电站为例，利用MIKE软件构建该水库的二维水质数学模型，对水库蓄水过程中的特征污染物迁移特征进行模拟研究，得到如下结论：水库蓄水初期，重金属浓度会受到来水、沉降以及释放等多种因素影响；水库在蓄水至正常蓄水位时，爱河在研究区段干流的砷化物和铁元素的浓度比较稳定，仅在支流汇入区域受高浓度水体的影响，特征污染物浓度较高，库区水体的特征污染物浓度基本可以满足地表水Ⅱ类水质标准要求；模型模拟结果显示，蓄水过程中特征污染物浓度呈现出先增大后减小的趋势，由于蓄水完成后水体中重金属的沉降作用比蓄水前增大，蓄水完成后水体特征污染物含量呈现出较蓄水前降低的趋势。