黃埔恒

(山東省菏澤市河湖流域管理服務(wù)中心，山東 菏澤 274000)

1 研究區(qū)概況

洙趙新河源于東明縣木莊，流經(jīng)菏澤、鄄城、鄆城、巨野、嘉祥等地，最終流入南陽(yáng)湖，全長(zhǎng)140.7 km，流域面積約為4206 km2，流域面積超過(guò)100 km2的支流主要包括鄆巨河、鄄鄆河、洙水河等10條，全河防洪水位為39.69～55.79 m，防洪流量775～796 m3/s ，入湖口防洪流量為1220 m3/s。洙趙新河是受污染比較嚴(yán)重的河流之一，主要污染源為工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水和生活污水，同時(shí)也與流域內(nèi)修建的眾多水閘水利工程有關(guān)，水閘工程雖然能夠防治水害災(zāi)害，但也改變了天然徑流過(guò)程，給流域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)較大影響，尤其是水閘上下游的富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

2 富營(yíng)養(yǎng)化模型構(gòu)建

2.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)

k閘為洙趙新河上的第一大閘，包含18孔淺孔閘和5孔深孔閘，單個(gè)淺孔閘的凈寬為6 m，高度7 m，位于河流右岸，單個(gè)深孔閘的寬度為10 m，高度11 m，位于河流中部，船閘位于河流左岸，寬度為12 m，深孔閘和船閘始終處于關(guān)閉狀態(tài)。以該閘上下游2.3 km范圍為閘控流域研究對(duì)象，在模擬之前，共對(duì)水閘上下游開(kāi)展了4次調(diào)度實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為模擬的初始數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共對(duì)上下游5個(gè)斷面處的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，主要對(duì)溶解相、懸浮相以及底泥相等共計(jì)12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。水閘布置及監(jiān)測(cè)斷面示意見(jiàn)圖1。

圖1 水閘布置及監(jiān)測(cè)斷面示意圖

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化模型建立

首先，將模型底圖導(dǎo)入MIKE 21 中，利用MIKE 21自帶的工具來(lái)繪制模型的計(jì)算邊界[1-3]，并劃分陸地邊界、上游邊界和下游邊界；然后，將水閘上下游的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，上中游地區(qū)采用三角形網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格面積為50～250 m2，在水閘處進(jìn)行了局部加密，在下游地區(qū)采用四邊形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，橫向和縱向的最大長(zhǎng)度分別為10 m和20 m，整個(gè)模型包含6480個(gè)網(wǎng)格和4200個(gè)節(jié)點(diǎn)；最后，對(duì)網(wǎng)格劃分后的模型進(jìn)行地形插值操作，同時(shí)確保每個(gè)網(wǎng)格都有對(duì)應(yīng)的地形數(shù)據(jù)，插值完成后導(dǎo)出mesh文件。如圖2。

圖2 富營(yíng)養(yǎng)化模型構(gòu)建結(jié)果

2.3 模型邊界和參數(shù)設(shè)置

模型的水質(zhì)初始邊界以前4次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具體情況見(jiàn)表1。模型模擬時(shí)間跨度為65 h，分650步，每一步的主時(shí)間步長(zhǎng)為6 min；模型CFL設(shè)置為0.8，最小和最大時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)置為0.01s和360.00s；干水深設(shè)置為0.005 m，淹沒(méi)水深設(shè)置為0.050 m，濕水深設(shè)置為0.100 m；溶解相和懸浮相指標(biāo)的擴(kuò)散系數(shù)均設(shè)置為0.3 m2/s。

表1 水質(zhì)初始邊界值 mg·L-1

2.4 閘門(mén)調(diào)控方式確定

由于深孔閘和船閘長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，僅對(duì)不同淺孔閘啟閉狀態(tài)下的情景進(jìn)行模擬分析，考慮淺孔閘的啟閉數(shù)量和閘門(mén)的開(kāi)啟高度，分為以下13種情景：淺孔閘全開(kāi)，閘門(mén)開(kāi)啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘集中開(kāi)啟10孔，閘門(mén)開(kāi)啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘只集中開(kāi)啟5孔，閘門(mén)開(kāi)啟高度仍然為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，最后一種為無(wú)閘門(mén)開(kāi)啟情景。

以閘后Ⅶ斷面的水位、流量和流速模擬結(jié)果為例，利用構(gòu)建好的富營(yíng)養(yǎng)化模型對(duì)下游的水動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差控制在5%以?xún)?nèi)，表明構(gòu)建的富營(yíng)養(yǎng)化模型是合理的，模擬結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

表2 水質(zhì)初始邊界值

3 模擬結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了表征不同水閘調(diào)控方式對(duì)水質(zhì)的影響，引入貢獻(xiàn)率指標(biāo)來(lái)對(duì)采取水閘調(diào)控后和常規(guī)河道水質(zhì)濃度的差異程度進(jìn)行量化，如式(1)所示[1-2]。

(1)

式中：θ為指標(biāo)貢獻(xiàn)率，%；p1為水閘調(diào)控下的某水質(zhì)指標(biāo)濃度，mg/L；p0為沒(méi)有水閘調(diào)控時(shí)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)濃度，mg/L。

當(dāng)θ>0時(shí)，表示水閘調(diào)控使水質(zhì)指標(biāo)濃度增加，當(dāng)θ<0時(shí)，表示水閘調(diào)控使水質(zhì)指標(biāo)濃度減小。

3.2 溶解相指標(biāo)分析

以閘后Ⅶ斷面為例，不同水閘調(diào)控方式下溶解相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比見(jiàn)圖3。從圖3中可知：水閘調(diào)控對(duì)DO、溶解相COD、溶解相TP、溶解相ON和硝酸鹽氮的貢獻(xiàn)率均為負(fù)數(shù)，而對(duì)氨氮的貢獻(xiàn)率為正，對(duì)于溶解相COD的貢獻(xiàn)率最大，其次為溶解相ON和硝酸鹽氮，接著依次為DO、氨氮和溶解相TP，當(dāng)采用5孔10 cm開(kāi)度進(jìn)行水閘調(diào)控時(shí)，對(duì)閘后Ⅶ斷面處的水質(zhì)指標(biāo)減少貢獻(xiàn)率最大，分別可以達(dá)到-54.3%、-22.8%、-4.0%、-30.5%和-24.2%；相同閘門(mén)開(kāi)啟數(shù)量下，增大閘門(mén)開(kāi)啟高度，會(huì)降低閘門(mén)調(diào)控的效果，導(dǎo)致貢獻(xiàn)率減小，這主要是因?yàn)樵黾娱l門(mén)泄流量后，會(huì)將上游的污染物帶到下游，導(dǎo)致下游的水體污染物含量升高，故而貢獻(xiàn)率減?。幌嗤l門(mén)開(kāi)啟高度下，減小閘門(mén)的開(kāi)啟數(shù)量，貢獻(xiàn)率反而會(huì)降低，這也是因?yàn)樵黾恿诵沽髁繉?dǎo)致下游污染物增加所引起。

圖3 水閘調(diào)控方式下溶解相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比

3.3 懸浮相指標(biāo)分析

不同水閘調(diào)控方式下懸浮相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比見(jiàn)圖4。從圖中可知：水閘調(diào)控方式對(duì)懸浮相水質(zhì)的貢獻(xiàn)率有正有負(fù)，對(duì)懸浮相TP的貢獻(xiàn)率大于對(duì)懸浮相ON和懸浮相COD，水閘開(kāi)啟數(shù)量越少、開(kāi)啟高度越低，下游的水質(zhì)越好，這是因?yàn)楫?dāng)增大下泄流量時(shí)，對(duì)于下游的底泥具有更大的擾動(dòng)作用，導(dǎo)致底泥的再懸浮作用增強(qiáng)，從而降低下游的水質(zhì)；同理，當(dāng)采取5孔10 cm開(kāi)度進(jìn)行水閘調(diào)控時(shí)，能達(dá)到最好的調(diào)控效果，此時(shí)，對(duì)懸浮相TP、懸浮相ON和懸浮相COD的貢獻(xiàn)率分別為-36.1%、-17.4%和-16.4%。

圖4 不同水閘調(diào)控方式下懸浮相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比

3.4 底泥相指標(biāo)分析

不同水閘調(diào)控方式下底泥相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比見(jiàn)圖5。從圖5中可知：水閘調(diào)控對(duì)于底泥相的貢獻(xiàn)亦是有正有負(fù)，但總體上對(duì)于底泥相的貢獻(xiàn)為正，且貢獻(xiàn)率絕對(duì)值遠(yuǎn)大于溶解相和懸浮相，最大可達(dá)到300%，這說(shuō)明采取水閘調(diào)控后，下游底泥的污染物會(huì)增加，尤其在閘孔數(shù)量和開(kāi)度較小情況下，貢獻(xiàn)率尤為明顯，這主要是因?yàn)橄掠蔚啄辔廴疚锖颗c河道的水流流速有關(guān)，當(dāng)水流流速大于再懸浮的臨界流速時(shí)，底泥相的污染物含量在再懸浮作用下降低，當(dāng)水流流速小于再懸浮的臨界流速時(shí)，底泥相的污染物會(huì)沉積在河底。當(dāng)采取5孔10 cm開(kāi)度時(shí)，對(duì)底泥相TP和底泥相COD的貢獻(xiàn)率最大，當(dāng)采取10孔30 cm開(kāi)度時(shí)，對(duì)底泥相ON的貢獻(xiàn)率最大。

圖5 不同水閘調(diào)控方式下底泥相指標(biāo)貢獻(xiàn)率對(duì)比

4 結(jié) 論

水閘調(diào)控方式對(duì)于下游底泥相的影響遠(yuǎn)大于溶解相和懸浮相的影響，當(dāng)閘孔開(kāi)始數(shù)量和開(kāi)度較小時(shí)，對(duì)于下游水質(zhì)的調(diào)控作用最為明顯，大量溶解相污染物和懸浮相污染物會(huì)沉積在底泥中，導(dǎo)致底泥中污染物含量大大增加，因此單純采取調(diào)控下泄流量方式對(duì)于下游富營(yíng)養(yǎng)是不利的，建議在今后采取水閘調(diào)控+污染物削減方式對(duì)下游富營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控。