楊金艷，徐 勇，周 杰，吳時強(qiáng)

(1. 江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215129；2. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

近年來，我國水庫水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益加劇，其污染源極其復(fù)雜，潛在的危害很大，已成為水環(huán)境保護(hù)中最突出的環(huán)境問題。三峽水庫蓄水后，水庫支流經(jīng)常出現(xiàn)藻華，對當(dāng)?shù)厮h(huán)境和生態(tài)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)我國近幾年的調(diào)查顯示，一些大中型水庫水體處于中度營養(yǎng)化到富營養(yǎng)化的過渡狀態(tài)[2]。多個供水水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化，其中包括上海重要飲用水水庫——青草沙水庫[3]。以往供水水庫取水口設(shè)計主要考慮防沙、防浪、避咸、水質(zhì)、溫度分層、工程造價等因素[4-9]，尚未考慮從抑制藍(lán)藻水華方面優(yōu)化取水口位置。

水庫富營養(yǎng)化控制除了減少氮磷營養(yǎng)鹽輸入、投放鳙鰱生物控藻、生態(tài)浮島等措施外，縮短水庫水體的水齡也是一項非常重要的措施。水齡可以定量反映水體的運(yùn)動和交換程度及滯留情況，對評估水質(zhì)變化具有重要意義。

水齡的概念來自于恒定流。假設(shè)一個與外界存在物質(zhì)交換的容器，并假設(shè)物質(zhì)交換過程是平衡態(tài)的，即物質(zhì)的總質(zhì)量和統(tǒng)計分布不隨時間而變。Bolin等[10]在此基礎(chǔ)上，將某種物質(zhì)的水齡定義為該物質(zhì)進(jìn)入容器后所經(jīng)歷的時間。水齡的研究一般通過數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)?，F(xiàn)有數(shù)學(xué)模型方法分為直接跟蹤法和間接跟蹤法兩種。直接跟蹤法采用拉格朗日法直接跟蹤記錄生命的水團(tuán)運(yùn)動過程[11-13]。該方法的缺點是計算量大，且跟蹤多源水體時計算困難。在實際水體中，往往存在多個源和匯，有時還對不同水源進(jìn)入的水體進(jìn)行跟蹤。為此，Deleersnijder等[14]提出了染色模擬計算水齡的通用理論，從而完善了間接跟蹤的基本理論。

1 水體水齡模擬方法及其改進(jìn)

邵軍榮曾基于染色模擬計算水齡的通用理論研發(fā)了無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維水齡計算模型[15]。美國環(huán)境保護(hù)署EPA研發(fā)的EFDC模型，適用面廣，對湖庫三維流動模擬精度高，多次應(yīng)用于模擬水體水齡[16-19]。該模型代碼編寫模塊化設(shè)計，改編非常方便，為適應(yīng)三維分層計算，本文基于上述染色模擬計算水齡的原理，改進(jìn)了EFDC模型。

Deleersnijder等定義c(t, x, τ)為與時間t、空間位置x和水齡τ相關(guān)的水齡譜，且在水體中符合守恒物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律[14]。

式中：u 為流速矢量場（m/s）；k為擴(kuò)散系數(shù)（m/s2）；c 為 c ( t , x , τ )函數(shù)。

定義水體中示蹤物質(zhì)含量C和水齡密度α：

基于以上定義，在t時刻、空間位置x處的平均水齡a(t,τ)可定義為：

則有示蹤物質(zhì)濃度控制方程與水齡密度控制方程：

方程（5）和（6）解決了染色模擬與水齡模擬相關(guān)的理論。方程（6）為改進(jìn)EFDC模型的關(guān)鍵方程，即在EFDC模型中添加一個水齡密度方程，該方程需要添加一個與示蹤物質(zhì)含量相關(guān)的源項。

為計算方便，示蹤物質(zhì)濃度在進(jìn)入計算水域的邊界上設(shè)為1.0 mg/L，故模型邊界條件為；。

2 瀏河水庫取水泵站位置優(yōu)化

2.1 各方案水流模擬

太倉市第三水廠位于二水廠東南方向16 km 處，水源地位于長江瀏河口上游邊灘瀏河水庫，現(xiàn)狀布置如圖1所示。水庫總庫容1 742萬m3，有效庫容1 427萬m3，應(yīng)急庫容242萬 m3，死庫容315萬m3。最高蓄水位5.5 m，死水位-1.2 m，應(yīng)急水位0 m，夏季運(yùn)行水位0～1.5 m，水庫庫底標(biāo)高-2.80 m，水面面積220萬m2。三水廠取水時采用遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)60萬m3。

瀏河水庫運(yùn)行以來，實際日供水不到20萬m3，與設(shè)計供水能力差距較大。太倉三水廠為了縮短供水水庫換水周期，將平均蓄水水位降至約1.0 m，對應(yīng)庫容約760萬m3，換水周期約為38 d。由于換水周期較長，夏季高溫期間水庫水體富營養(yǎng)化程度加劇，水廠實測最高藻細(xì)胞數(shù)達(dá)到每升514萬個。

圖 1 瀏河水庫現(xiàn)狀布置Fig. 1 Layout of Liuhe Reservoir

太倉第二水廠水源地擬搬遷至本水庫，可以提高水庫的原水利用率，降低運(yùn)行管理成本，縮短水庫的換水周期。二水廠現(xiàn)狀實際日供水量為20萬m3，按照現(xiàn)行的水庫運(yùn)行管理方式，按實際供水量計算換水周期將縮短到約15 d。

瀏河水庫由于庫容較大、用水量較小，導(dǎo)致水庫原水流動性不高，加之水深較淺，水庫內(nèi)藻類易于繁殖。通過新建二水廠瀏河取水及換水泵站，可與現(xiàn)有三水廠瀏河取水泵站形成多點取水、統(tǒng)一換水的格局，有效提高水庫原水的流動性，一定程度上可提高原水水質(zhì)。同時，本工程取水及換水泵站還具有換水功能，當(dāng)瀏河水庫需要換水改善水質(zhì)時，可就近排出水庫原水至長江，提高瀏河水庫原水水質(zhì)。為了更科學(xué)地布置二水廠取水泵房和取水頭的位置，充分利用取水產(chǎn)生的環(huán)流改善庫區(qū)的流動特性，減輕水體富營養(yǎng)化，特進(jìn)行取水方案優(yōu)化研究。

水庫水流往往受到風(fēng)切應(yīng)力、熱浮力、取排水水量（源、匯項）等因素的控制。由于本工程所在水庫水深較淺，最高蓄水位時水深僅8 m，夏季平均蓄水水深僅4 m，故熱浮力作用甚微。由于水庫面積較大，達(dá)到220萬 m2，影響水流的主要因素為風(fēng)，其次是取水形成的匯。由于淺水湖泊風(fēng)生流會在湖泊平面及垂面上產(chǎn)生環(huán)流，表層水流方向與底層水流方向往往相反，所以對于風(fēng)生流的模擬宜采用分層三維模型進(jìn)行研究。

瀏河水庫形狀基本規(guī)則，整個水庫剖分成20 m×20 m的正方形網(wǎng)格，共布置5 504個網(wǎng)格單元。計算分成6層，每層厚度相等。計算時間步長10 s，水庫地形采用清淤后的標(biāo)高，基本為-2.80 m。計算初始水位采用夏季平均運(yùn)行水位1.0 m。計算風(fēng)速為太倉夏季平均風(fēng)速3.6 m/s，風(fēng)向為夏季主導(dǎo)風(fēng)向SSE和SE。

本工程泵站取用瀏河水庫原水，應(yīng)靠近瀏河水庫選址。由于現(xiàn)狀第三水廠取水泵房位于瀏河西側(cè)中間區(qū)域，因此本工程新建取水泵站選址主要有3個方案。方案1～3泵站選址分別位于瀏河水庫東北角、西南角和西北角。

由于水庫內(nèi)水體流動性差，庫區(qū)內(nèi)水體的水齡也存在差異性。計算分析做了如下假定：（1）長期受SE向風(fēng)或SSE向風(fēng)影響，風(fēng)速3.6 m/s；（2）水庫初始運(yùn)行水位為0 m，長江補(bǔ)充水庫流量33.5 m3/s，補(bǔ)充長江水的同時，從水庫取水供水，1.5 d后停止補(bǔ)充長江水；（3）水庫供水流量為40萬t/d，二水廠、三水廠各供水20萬t/d；（4）每運(yùn)行10 d補(bǔ)充長江水1次，每次補(bǔ)水持續(xù)時間1.5 d。

經(jīng)數(shù)值模擬，得到了如圖2所示的水庫環(huán)流結(jié)構(gòu)以及如圖3所示的庫區(qū)水齡分布情況。水庫平均水齡及取水水域水齡統(tǒng)計如表1所示。

圖 2 SE風(fēng)3.6 m/s作用下庫區(qū)環(huán)流Fig. 2 Currents in the reservoir in a southeast wind with speed of 3.6 m/s

圖 3 SE風(fēng)3.6 m/s作用下庫區(qū)水齡分布（單位：d）Fig. 3 Water age distribution in a southeast wind with speed of 3.6 m/s (unit: d)

以上計算成果表明：

（1）二水廠泵房方案2有利于長江補(bǔ)充水與水庫水體的充分混合，庫區(qū)平均水齡由布置方案1和3的20 d縮短到16 d；方案1和3的2個布置方案對水庫整體水齡和三水廠取水泵房以南庫區(qū)水齡的影響很小，而對三水廠以北庫區(qū)水齡的影響較大，主要表現(xiàn)在小于12 d的短水齡區(qū)分布差異較大。

（2）二水廠泵房采用方案1和方案3在水庫的南部水域均形成較大面積的難換水區(qū)，水齡達(dá)到25 d以上的區(qū)域?qū)⑦_(dá)到約1/4庫區(qū)面積。而采用布置方案2可以大大降低水庫南部水域的水齡，與方案1和3相比，南部水域水齡基本可以縮短5 d。

表 1 水庫平均水齡及取水水域水齡統(tǒng)計Tab. 1 Water age of reservoir (average) and water intake area

2.2 取水泵站位置比較

下面綜合分析3個取水泵站位置方案的優(yōu)劣。

（1）夏季盛行風(fēng)條件下，無論采用哪個布置方案，水庫表層水體的流動方向均為從南往北方向流動，方案2布置在瀏河水庫西南角處于盛行風(fēng)的上風(fēng)口，上層水體的藍(lán)藻不容易在取水水域聚集。

（2）二水廠泵房布置在瀏河水庫東北角或西北角時，取水主要來自庫區(qū)東北角和東半部水庫的水，這部分水體基本是新補(bǔ)入的長江水，而三水廠取水主要來自泵房附近的西半部水庫的水體，這樣水庫的西南角水體很難得到新補(bǔ)入的長江水的混合，造成大量新水被取走而大量舊水得不到新水摻混。而采用方案2將泵房布置在瀏河水庫西南角時，二水廠取水主要來自三水廠泵房以南庫區(qū)，三水廠取水主要來自三水廠泵房以北庫區(qū)，有利于長江水在水庫中整體摻混均勻后供水，庫區(qū)平均水齡由方案1的20 d縮短到17 d。

（3）二水廠泵房布置在瀏河水庫東北角或西北角時，優(yōu)點是取水水域離補(bǔ)充水出口較近，水齡為13 d；當(dāng)二水廠取水頭部發(fā)生藻華災(zāi)害時，立刻補(bǔ)入長江水，長江水只需2 d就能到達(dá)二水廠取水水域；換水泵通過穿堤暗管向長江排放，影響較??；缺點是取水水域處于下風(fēng)口，不利于縮短庫區(qū)的整體水齡，水庫的西南角存在換水死角，水齡大于30 d。

（4）二水廠泵房布置在瀏河水庫西南角時，優(yōu)點正好是布置在東北角的缺點。缺點是取水水域水齡較長，達(dá)到23 d，長江向水庫補(bǔ)水后5～6 d才能影響取水水域，但是由于位于夏季盛行風(fēng)的上風(fēng)口，上層水體中的藻類不容易在取水水域聚集?？傮w而言，方案2有利于改善二水廠取水水質(zhì)。

（5）二水廠采用方案2時增設(shè)換水泵效果明顯，而采用方案1和3時，換水泵對南部水域水齡的縮短效果不明顯。采用方案2時，二水廠增設(shè)換水泵流量達(dá)到1.7 m3/s（即15萬m3/d）時，在夏季盛行風(fēng)條件下，庫區(qū)平均水齡由17 d縮短到12 d，南部水域水齡將縮短到13 d?？紤]到夏季風(fēng)向不可能恒定，實際南部水域水齡比計算結(jié)果要短，故換水泵流量達(dá)到15萬m3/d時，基本可以達(dá)到庫區(qū)水齡小于15 d的要求。采用方案1和3時，增設(shè)換水泵在夏季特殊時期持續(xù)運(yùn)行以期縮短庫區(qū)水齡的措施是不經(jīng)濟(jì)的，建議采取應(yīng)急補(bǔ)充長江水的方式抑制水華，然后擇機(jī)運(yùn)行至死水位，三水廠取用長江水繼續(xù)供水，二水廠停止供水，利用排空泵排空水庫進(jìn)行徹底換水。

綜上所述，從庫區(qū)環(huán)流及水齡等環(huán)境水力學(xué)角度出發(fā)，方案2（二水廠泵房位于瀏河水庫西南角）明顯優(yōu)于方案1和3。

3 結(jié) 語

水庫的氮磷營養(yǎng)鹽輸入量、水深、氣溫等自然條件難以控制，通過優(yōu)化取水泵房位置可以改變水庫環(huán)流特性，縮短水庫水齡；通過長江水抑制藍(lán)藻的生長，從而降低水庫富營養(yǎng)化的風(fēng)險，這是比較現(xiàn)實的措施。基于染色模擬的水齡模擬方法能較少地改動成熟模型的代碼，有效模擬庫區(qū)、湖泊水齡，是一種基于水齡優(yōu)化水庫進(jìn)排水設(shè)計抑制藍(lán)藻水華的有效方法。