熱汗古麗·依米提

(哈密水文勘測局,新疆 哈密 839000)

0 引言

水庫是水利設(shè)施中常見的區(qū)域樞紐工程,對改善地區(qū)輸供水、防洪排澇均有重要作用[1-2]。水質(zhì)作為衡量水庫運(yùn)營質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù),研究水庫水質(zhì)演變特征[3],有助于改善水庫運(yùn)營水平,也可提高水庫水質(zhì)凈化處理設(shè)計(jì)。饒夢等[4]、于鵬飛等[5]為研究河道水質(zhì)演化特征,借助精密監(jiān)測設(shè)備,劃分監(jiān)測斷面,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映河道水質(zhì)演變時(shí)間、空間特征,從而為河道整治提供參考。李亞峰等[6]、楊坤[7]為研究水質(zhì)演變特征,借助EFDC水質(zhì)模型、HSPF模型等方法,從水質(zhì)動力擴(kuò)散以及滲流演變?nèi)胧?評價(jià)水質(zhì)演變影響特性,為實(shí)際工程水質(zhì)凈污提供參照。張?jiān)骆玫萚8]、楊芬等[9]為研究水質(zhì)演變的影響效應(yīng),通過SWMM、MIKE21等水質(zhì)模型理論,探討了河道水質(zhì)含氧量、氨、氮等化學(xué)污染物特征,基于污染物參數(shù)評價(jià)了水質(zhì)狀態(tài),從而豐富了水質(zhì)演變研究成果。本文為研究榆樹溝水庫水質(zhì)演變特性,設(shè)計(jì)了入庫排污量、來水溫度因素方案,探討了兩因素影響下水庫水質(zhì)污染物、pH值的時(shí)序與分布特征。

1 研究概況

1.1 工程概況

榆樹溝水庫乃是哈密地區(qū)重要供水樞紐,距離哈密市區(qū)50 km,承擔(dān)著地區(qū)工業(yè)、生活以及農(nóng)業(yè)灌溉用水需求,每年僅生活用水供應(yīng)量就超過3 000萬 m3,同時(shí)依托榆樹溝水庫樞紐工程,對下游榆樹溝河道水質(zhì)改善、泥沙治理以及防洪排澇均具有重要價(jià)值。榆樹溝水庫樞紐工程平面布置包括混凝土堆石壩工程、溢洪道、導(dǎo)流洞以及輸水干渠等水工設(shè)施,已運(yùn)營年限超過20 a,設(shè)計(jì)總庫容為1 072萬 m3,主要水源來自于上游榆樹溝河,蓄水位為1 994.7 m,按照百年一遇洪峰流量127 m3/s標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防洪設(shè)計(jì),惠及下游榆樹溝河道沿岸農(nóng)田超過300萬畝。從榆樹溝水庫運(yùn)營現(xiàn)狀調(diào)查得知,水庫所在流域內(nèi)水系眾多,水流上游從黑溝、天山東端等冰川融雪匯入,沿線建設(shè)有出山口水文監(jiān)測站、榆樹溝水文監(jiān)測站等,控制入庫水質(zhì)。榆樹溝水庫作為地區(qū)內(nèi)重要樞紐設(shè)施,其建設(shè)輸水干渠長度超過120 km,引水流量超過128 m3/s,對改善哈密東、北部地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水生態(tài)系統(tǒng)具有重要價(jià)值?；谟軜錅纤畮於嗄赀\(yùn)營水文資料,已建立起了榆樹溝水庫智慧水利控制系統(tǒng),可對榆樹溝水庫的溢洪道、輸水干渠以及泄洪閘等智能排布,智能規(guī)劃榆樹溝水庫的水資源。綜合榆樹溝水庫運(yùn)營監(jiān)測,可知榆樹溝水庫各水工設(shè)施運(yùn)營良好,泄流標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足下游防洪需求。

圖1 水庫面板堆石壩剖面

但不可忽視,受限于上游來水與地區(qū)人為干擾影響等,目前榆樹溝水庫水質(zhì)堪憂,對榆樹溝水庫的輸水以及部分水工設(shè)施的抗侵蝕作用帶來負(fù)面作用。圖1為榆樹溝水庫面板堆石壩剖面示意,在下游面板堆放區(qū)以及上游堆石區(qū),監(jiān)測得知部分面板脫落達(dá)到35%,局部滲流受之?dāng)_動影響,形成渦旋、紊流等現(xiàn)象。同樣的,在農(nóng)業(yè)輸水干渠中,部分水質(zhì)污染物進(jìn)入灌渠,在襯砌結(jié)構(gòu)凍脹作用下,局部襯砌底板出現(xiàn)非正常凍脹,灌渠防凍脹失效加劇,據(jù)估算已出現(xiàn)此種現(xiàn)象的灌渠長度接近60 km。綜上可知,要確保榆樹溝水庫水質(zhì),必須深入挖掘榆樹溝水庫水質(zhì)影響因素,如上游來水以及人為干擾等,探討水庫水質(zhì)變化與之關(guān)聯(lián)性,為凈化榆樹溝水庫水質(zhì)提供依據(jù)。

1.2 研究方法

為獲得榆樹溝水庫水質(zhì)變化影響特性,引入MIKE21水質(zhì)研究模塊,借助該平臺中水質(zhì)對流與水質(zhì)演化ECOlab模塊開展模擬計(jì)算,并可從水質(zhì)污染物宏、微觀變化,反映水庫水質(zhì)影響特征。圖2為MIKE21模型中水質(zhì)模型、對流模型以及水動力擴(kuò)散模型的耦合示意[10],依托ECOLab模擬水質(zhì)特征,而水動力模型可為水質(zhì)的遷移、演化提供動力,為污染物的降解、水體富營養(yǎng)化等提供內(nèi)在驅(qū)動力,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬庫內(nèi)水質(zhì)演變特征。

圖2 MIKE21水質(zhì)模型示意

水庫水質(zhì)演化特征受多方面因素影響,要確保試驗(yàn)結(jié)果精度與可靠度,初始數(shù)據(jù)勢必需要完全貼合榆樹溝水庫現(xiàn)狀。基于2015-2020年榆樹溝水庫入庫口水質(zhì)每月監(jiān)測數(shù)據(jù),將監(jiān)測斷面中水質(zhì)化學(xué)物劃分成氨氮含量、COD含量以及pH值,表征了當(dāng)前某個(gè)時(shí)刻水庫水質(zhì)中污染物含量、酸堿性。不僅如此,水庫水質(zhì)演變與時(shí)序效應(yīng)密切相關(guān),故按照月監(jiān)測數(shù)據(jù)為載體,按照榆樹溝水庫每月實(shí)際引、輸水量以及排澇泄洪值進(jìn)行設(shè)定。另一方面,水庫共劃分成10個(gè)斷面,在MIKE21模型中,分別計(jì)算每月每個(gè)斷面上水質(zhì)特征,且以10個(gè)斷面均值作為水庫水質(zhì)表征,但系統(tǒng)中設(shè)定有每個(gè)斷面上水質(zhì)富營養(yǎng)化誤差超過2%,則認(rèn)定計(jì)算結(jié)果不可靠,需重新輸入?yún)?shù)計(jì)算。

考慮榆樹溝水庫水質(zhì)影響因素,分別以人為排污量、入庫來水特征為研究對象,前者主要為榆樹溝水庫流域內(nèi)人類活動所引起的入庫排污量,此為影響水庫水質(zhì)重要因素,MIKE21模型中分別在榆樹溝水庫的上游K2+150處設(shè)立有入庫污口,入庫排污量按照近十年排污總量800～1 600萬 m3設(shè)定,分別為800萬 m3、1 000萬 m3、1 200萬 m3、1 400萬 m3、1 600萬 m3。水溫作為上游來水特征影響因素,而不同入庫來水溫度會改變庫內(nèi)水質(zhì)物化特征,因而按照近十年入庫來水年均溫度為分析變量,分別為6℃、9℃、12℃、15℃、18℃,來水流量統(tǒng)一設(shè)定為60 m3/s,且入庫水體初始流速均設(shè)定為1.2 m/s?；谏嫌蝸硭疁囟扰c入庫排污量因素影響,探討水庫水質(zhì)演變特征。

2 人為排污量對水庫水質(zhì)影響

2.1 pH值特征

基于年不同排污量方案下水庫水質(zhì)模擬,獲得了規(guī)劃年2025年水庫水質(zhì)PH值變化特征,如圖3可知,在不同排污量方案中,水庫水質(zhì)PH值的時(shí)序變化均保持一致,即各月中PH值的峰、谷趨勢特征具有一致性。在每年7-9月份,水庫水質(zhì)pH值為最低,而在每年11-12、1-2月為pH值最大。在排污量800萬 m3方案中,其pH峰、谷值分別為8.7、6.5,分別位于1、8月,而在排污量1 200萬 m3、1 600萬 m3方案中,pH峰值分別為9.3、10.5,谷值分別為6.1、5.4,峰、谷值所在月份基本保持一致,但pH峰值隨排污量增大而遞增,同時(shí)pH谷值隨排污量增大而遞減。分析表明,人為排污量增多,會導(dǎo)致水庫水質(zhì)在冬季進(jìn)一步堿性化,而在夏季汛期水質(zhì)進(jìn)一步區(qū)域酸性化,即人為排污量會改變水庫水質(zhì)酸堿中和特點(diǎn),過多的排污量改變了水庫豐、枯水期PH值特征?？傮w上來看,春、夏汛期枯水期水質(zhì)趨酸性,而冬季枯水季趨堿性,當(dāng)人為排污量每遞增200萬 m3時(shí),則水庫水質(zhì)PH峰值平均可提高4.6%,而谷值平均下降了4.4%,此種酸、堿性變幅在各方案間基本接近;從排污量800萬 m3增大至1 000萬 m3,pH峰、谷值分別提高了2%與下降了1.9%,而排污量從1 200萬 m3變化值1 400萬 m3方案,pH峰、谷值的變幅又分別為5.5%、5.2%。由此可知,人為排污量不改變水庫水質(zhì)PH值變化態(tài)勢,僅會改變水庫水質(zhì)的酸、堿中和特征。

圖3 水庫水質(zhì)pH值變化特征

圖4 排污量對水庫水質(zhì)污染物特征影響

2.2 化學(xué)污染物特征

基于MIKE21水質(zhì)模型模擬,獲得了水庫水質(zhì)化學(xué)物含量特征,如圖4。從圖4可看出,不同排污量方案中,COD含量在時(shí)間序列上變化均保持一致,但氨氮含量時(shí)序效應(yīng)具有差異性。在各排污量方案中,COD含量在每年夏季汛期8月為最低,而在冬季枯水期12月為最高;當(dāng)排污量增大,COD含量會提高,增幅較穩(wěn)定,在排污量800萬 m3方案中,COD含量峰值為13.1 mg/L,排污量1 200萬 m3、1 600萬 m3方案下峰值較之前者分別提高了13.9%、30.6%,而排污量1 000萬 m3、1 400萬 m3下COD含量峰值分別為13.9 mg/L、15.9 mg/L。與之有所差異的是,氨氮含量在各排污量方案中具有不同時(shí)序的峰、谷值,如排污量800萬 m3方案中氨氮含量峰、谷值分別位于12月、4月,而排污量1 200萬 m3、1 600萬 m3方案中峰值又分別位于2月、10月。另一方面,從化學(xué)污染物含量值的變化可知,人為排污量800萬 m3方案中氨氮含量峰值為1.25 mg/L,而排污量1 200萬 m3、1 600萬 m3方案下又分別為1.53 mg/L、2.48 mg/L,當(dāng)排污量每遞增200萬 m3,則其氨氮含量峰值平均提高了19%。由此可知,人為排污量改變,會影響水庫水質(zhì)化學(xué)污染物含量特征,且氨氮含量的時(shí)序效應(yīng)特征也會受之影響。從水質(zhì)凈化考慮,控制入庫排污量,會直接改變庫內(nèi)化學(xué)污染物含量,對污染物含量的時(shí)序特征影響主要集中在氨氮含量特征。

圖5 上游來水溫度對水庫水質(zhì)污染物特征影響

3 自然環(huán)境對水庫水質(zhì)影響

基于上游不同水溫來水方案下模擬計(jì)算,可獲得水庫水質(zhì)演變特征,在水庫水質(zhì)pH值時(shí)序效應(yīng)影響較小的前提下,以化學(xué)污染物含量特征作為分析參數(shù),如圖5所示。由圖5可知,不論是COD含量或是氨氮含量,在不同來水溫度下,其全年含量值的變化趨勢均有差異,峰、谷值所在斷面也各有區(qū)別。在COD含量參數(shù)中,當(dāng)入庫水溫為6℃時(shí),其COD含量峰、谷值分別為33.1 mg/L、25.7 mg/L,所在月份分別為1月、8月,而水溫為9℃、12℃、15℃時(shí),相應(yīng)的COD含量峰值分別減少了7.7%、15%、23.8%,在水溫每3℃變化過程中,COD含量的峰、谷值分別下降了8.2%、11.8%。同理,在氨氮含量的時(shí)序效應(yīng)中,水溫變化,會引起峰、谷斷面變化,水溫6℃時(shí)分別為3月、7月,而水溫9℃下又分別為1月、8月,甚至在水溫15℃下改變至3月、9月;當(dāng)水溫每增大3℃,會引起氨氮含量峰、谷值分別減少了17.2%、41.2%。對比之下,上游來水溫度變化,會對化學(xué)污染物的含量、分布特征均產(chǎn)生影響,且氨氮含量受之影響敏感度高于COD含量。筆者認(rèn)為,當(dāng)來水溫度提高,水庫內(nèi)水生動植物活躍性增加,耗氧量、需氮量均會提高,因而水質(zhì)中含氧、氨氮化學(xué)污染物含量減少,且尤以氨氮含量變化最顯著[11-12]。從水庫水質(zhì)凈化考慮,控制上游來水溫度,對改變庫內(nèi)污染物分布、含量值均有益,較低的水溫入庫,會影響庫內(nèi)生物活躍性,從而降低污染物的自然降解能力。

4 結(jié)語

(1)改變?nèi)霂炫盼哿?不影響水庫水質(zhì)全年pH值變化趨勢,各排污量方案中PH峰、谷值所在月份均為8月、1月;當(dāng)排污量每遞增200萬 m3時(shí),水庫PH峰、谷值分別提高了4.6%與下降了4.4%,人為排污量會促使水庫水質(zhì)在特定時(shí)期更趨于酸、堿性。

(2)在不同入庫排污量方案下,COD含量時(shí)序效應(yīng)仍為一致,含量峰、谷值分別位于12月、8月,排污量800～1 600萬 m3時(shí)COD含量峰值分布為13.1～17.1 mg/L;受入庫排污量影響,氨氮含量時(shí)序效應(yīng)發(fā)生改變,且含量值隨之為遞增,排污量每遞增200萬 m3,則峰值平均提高了19%。

(3)上游來水溫度對水庫水質(zhì)PH值影響較小;CDO含量受來水溫度影響敏感度弱于氨氮含量,水溫不同,水庫全年COD含量、氨氮含量變化趨勢有所區(qū)別,峰、谷值月份發(fā)生改變;當(dāng)水溫每3℃變化,則COD含量峰、谷值分別下降了8.2%、11.8%,而氨氮含量分別下降了17.2%、41.2%。