趙令劍

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于遼寧省中部重要河流太子河的干流上，主要是將觀音閣水庫的富于水量經(jīng)過輸水隧洞和管線以自流的方式引入下游本溪市的大型輸水工程[1]。工程的主要任務(wù)是保障本溪生產(chǎn)生活用水安全，提高供水水質(zhì)，保障本溪市主要工業(yè)企業(yè)的用水，為本溪市未來的經(jīng)濟發(fā)展和居民生活提供安全可靠的水源。觀音閣水庫輸水工程取水設(shè)計規(guī)模為125萬m3/d，年平均取水量約3.74億m3[2]。該工程的輸水線路總長為91.3km，其中輸水隧洞長41.5km，輸水管線長度為49.8km，其中輸水隧洞段采取新奧法施工[3]。在長距離輸水隧洞中，一旦發(fā)生點源污染，必將對受水區(qū)的水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，不僅會提高水質(zhì)處理的成本，還會降低供水效率。因此，對觀音閣水庫輸水工程的長距離輸水隧洞在點源污染條件下的水質(zhì)變化規(guī)律進行分析，可以及時發(fā)現(xiàn)輸水隧洞中的水質(zhì)問題，并提前進行預(yù)測，可以有效降低水污染風(fēng)險。

1 計算模型的構(gòu)建

1.1 模型的原理

ECOLab可以提供耦合常微分方程，可以通過與MIKE軟件中的MIKE11 AD模塊耦合運行，用于各種水質(zhì)預(yù)報、研究[4]。對于當(dāng)前在水體水質(zhì)研究中的不同水質(zhì)問題，ECOLab可以提供WQ(水質(zhì)模塊)、EU(富營養(yǎng)化模塊)、ME(重金屬模塊)以及XE(異生物質(zhì)模塊)。其中，WQ模塊可以對水體中的基本狀況，進行簡單的狀態(tài)模擬，同時在加入氮、磷等無機物的情況下對更為復(fù)雜的情況進行模擬[5]?？紤]到本次研究的實際情況，選用WQ模塊進行模擬。

1.2 研究工況

觀音閣水庫輸水工程的輸水隧洞位于地形、地貌較為復(fù)雜的長白山區(qū)，在施工過程中為了滿足人員和材料的進出以及施工通風(fēng)等具體需求，在整個施工段設(shè)計了8條支洞。在施工完成后，將位于16154.000m的3號與25167.143m處的5號支洞作為工程運行期間的檢修洞，其余的施工支洞則在施工結(jié)束之后完全封死?？紤]到檢修洞會受到人員和降雨等因素的影響，造成輸水隧洞的間接污染。研究中忽略檢修洞自身的長度，而將其假定為輸水隧洞在此連接點位的點源污染，對輸水隧洞中的變化情況進行模擬。其中，將位于16154.000m的3號支洞命名為點源1；將25167.143m處的5號支洞命名為點源2。

結(jié)合觀音閣水庫流域的水質(zhì)和污染物實際狀況，研究中考慮DO、BOD以及氨氮3種水質(zhì)指標(biāo)，假定上游放水之后的8h發(fā)生點源污染，并結(jié)合流量和污染物濃度2個主要因素，設(shè)定的研究工況見表1。

表1 水質(zhì)模擬工況設(shè)計表

1.3 模型的構(gòu)建

研究選取DHI下的ECOLab通用模塊，根據(jù)本次研究的主要目的，特選取溶解氧模型進行模擬。要建立MIKE11 AD與ECOLab耦合模型，首先需要定義AD文件以及ECOLab參數(shù)文件。結(jié)合本次研究中輸水隧洞水質(zhì)的污染源特點，直接引用WQLevel4模塊，并設(shè)置初始條件與模型參數(shù)值。由于缺乏實際測試資料，本次研究中根據(jù)相關(guān)文獻對初始值進行假定[6]。

MIKE11 AD作為耦合模型的基礎(chǔ)，也需要對參數(shù)文件和邊界條件進行設(shè)定[7]。顯然，在作為耦合模型的基礎(chǔ)時，初始條件與衰減系數(shù)已經(jīng)在ECOLab中有過定義，這里不必重復(fù)；對于水質(zhì)組分，其名稱和排序也要和ECOLab保持完全一致，而擴散系數(shù)則根據(jù)相關(guān)文獻的經(jīng)驗值進行設(shè)定[8]；MIKE11 AD的邊界條件需要在HD邊界條件的基礎(chǔ)上添加水質(zhì)邊界條件。其中，外部邊界必須要對所有參與模擬的水質(zhì)組分進行設(shè)置，并且與ECOLab保持完全一致，內(nèi)部邊界則需要對點源帶有的污染物的濃度進行設(shè)置。

2 模擬計算結(jié)果分析

2.1 點源1模擬結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的MIKE11 AD與ECOLab耦合模型對工況1條件下點源1進行模擬計算，結(jié)果如圖1—6所示。由計算結(jié)果可知，隨著輸水隧洞內(nèi)水流的逐步流入，輸水隧洞內(nèi)的DO、BOD以及氨氮濃度均呈現(xiàn)出升高趨勢，其中DO濃度升高比較明顯，BOD升高較為緩慢，氨氮則略有上升。根據(jù)模型的假定，在輸水隧洞上游放水后的第8h，點源1的污染物由檢修洞進入主洞，由于點源污染物以氨氮和BOD為主，基本不含DO，因此前2種污染物的濃度會急劇增大，而DO的濃度則會有所下降。隨后，受到水流的自凈作用影響，3種污染物的濃度均會逐步恢復(fù)到原始狀態(tài)。

受到點源1污染物的影響，出口斷面的污染物濃度逐步增大，并逐步達(dá)到峰值。其中，DO濃度在點源1污染物進入8.00h后達(dá)到峰值，為8.801mg/L；BOD在點源1污染物進入11.72h后達(dá)到峰值，為0.143mg/L；氨氮在點源1污染物進入11.68h后達(dá)到峰值，為0.599mg/L。

工況2—工況5的模擬結(jié)果顯示出和工況1類似的規(guī)律，這里不再一一列舉。

圖1 縱剖面DO濃度變化曲線

圖2 出口斷面DO濃度變化曲線

圖3 縱剖面氨氮濃度變化曲線

圖4 出口斷面氨氮濃度變化曲線

圖5 縱剖面BOD濃度變化曲線

圖6 出口斷面BOD濃度變化曲線

2.2 點源2模擬結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的MIKE11 AD與ECOLab耦合模型對工況1條件下點源2進行模擬計算，結(jié)果如圖7—12所示。

由計算結(jié)果可知，點源2與點源1的變化規(guī)律基本一致：隨著輸水隧洞內(nèi)水流的逐步流入，輸水隧洞內(nèi)的DO、BOD以及氨氮濃度均呈現(xiàn)出升高趨勢，其中DO濃度升高比較明顯，BOD升高較為緩慢，氨氮則略有上升。根據(jù)模型的假定，在輸水隧洞上游放水后的第8h，點源1的污染物由檢修洞進入主洞，由于點源污染物以氨氮和BOD為主，基本不含DO，因此前2種污染物的濃度會急劇增大，而DO的濃度則會有所下降。隨后，受到水流的自凈作用影響，3種污染物的濃度均會逐步恢復(fù)到原始狀態(tài)。

受到點源1污染物的影響，出口斷面的污染物濃度逐步增大，并逐步達(dá)到峰值。由于點源2距離出口斷面較近，因此污染物達(dá)到峰值的時間較點源1早。其中，DO濃度在點源2污染物進入7.83h后達(dá)到峰值，為8.8001mg/L；BOD在點源1污染物進入3.50h后達(dá)到峰值，為0.272mg/L；氨氮在點源1污染物進入3.42h后達(dá)到峰值，為0.620mg/L。

工況2—工況5的模擬結(jié)果顯示出和工況1類似的規(guī)律，這里不再一一列舉。

圖7 縱剖面DO濃度變化曲線

圖8 出口斷面DO濃度變化曲線

圖9 縱剖面氨氮濃度變化曲線

圖10 出口斷面氨氮濃度變化曲線

圖11 縱剖面BOD濃度變化曲線

圖12 出口斷面BOD濃度變化曲線

2.3 點源1和點源2的模擬結(jié)果對比

對利用MIKE11 AD與ECOLab耦合模型對點源1和點源2在不同工況下的出口斷面的不同污染物組分的濃度峰值與出現(xiàn)時間進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表中的結(jié)果可知，兩個點源的DO濃度在相同工況下的濃度比較接近；當(dāng)點源的流量相同時，隨著輸水隧洞流量的增大，出口端面的濃度會不斷減小，而峰值出現(xiàn)時間的規(guī)律性不強。在相同工況下，點源1的氨氮和BOD的濃度值均比點源2的濃度值低，同時峰值濃度的出現(xiàn)時間也有一定的推遲；當(dāng)點源的流量相同時，隨著輸水隧洞流量的增大，出口端面的濃度會不斷減小，同時峰值濃度出現(xiàn)的時間會縮短；當(dāng)輸水隧洞的流量一定時，點源的流量越大，出口斷面的氨氮和BOD濃度就越高。

表2 出口斷面計算結(jié)果對比表

3 結(jié)語

本文以遼寧省觀音閣水庫輸水工程的輸水隧洞為例，利用MIKE11AD與ECOLab耦合模型對輸水隧洞內(nèi)的水質(zhì)變化進行數(shù)值模擬分析。在研究中，根據(jù)輸水隧洞可能發(fā)生污染的具體位置，設(shè)定兩處點源，并依據(jù)輸水隧洞水流和污染物的不同情況設(shè)定5種計算工況，應(yīng)用WQLevel4模塊對DO、BOD、氨氮三種不同的污染組分進行了模擬，得到了不同點源、不同工況下的濃度峰值與峰現(xiàn)時間，揭示了不同設(shè)計工況下的輸水隧洞水力特征和水質(zhì)的基本變化規(guī)律，可以為輸水隧洞運行后的自身以及供水安全提供一定的理論和技術(shù)支撐。當(dāng)然，該輸水工程尚未正式投入使用，尚缺乏實際的流量和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此本文的結(jié)論還沒有得到實測數(shù)據(jù)的驗證，因此后期應(yīng)該進一步開展基于實測數(shù)據(jù)的模型驗證，增強本文結(jié)論的實際應(yīng)用價值。