閩江下游河床演變水質(zhì)影響數(shù)值模擬

戴楓勇，程永隆，洪小筠

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001）

1 概況

閩江是福建省最大的河流，發(fā)源于閩、浙、贛三省交界的武夷山脈，從發(fā)源地至長(zhǎng)門(mén)河口長(zhǎng)541 km，流域總面積60 992 km2。上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近匯合后主流稱閩江干流，南平以上稱為上游，南平至水口（大壩）已形成庫(kù)區(qū)稱閩江中游，水口壩址以下稱下游，從該壩址至閩江口河長(zhǎng)約117 km。

閩江下游主河道流經(jīng)閩清、閩侯、福州市區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)和連江。根據(jù)兩岸地形與河道形態(tài)，下游可大致分為4段：水口～竹岐、竹岐～南北港分流口、南北港分流口～白巖潭（南、北港）、白巖潭～長(zhǎng)門(mén)。

閩江下游是福州市所在地，亦是海峽西岸沿海一帶重要的水源地。根據(jù)近年來(lái)閩江下游的污染源調(diào)查，排入閩江北港福州段河道的工業(yè)、生活污廢水占全市污廢水總量的75%以上，且隨著福州城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、城市的東擴(kuò)南移，排入閩江南港河道的廢污水量也在增加。另一方面，由于閩江水口水庫(kù)與上游的各支流上的大中型梯級(jí)電站水庫(kù)的建庫(kù)攔砂，以及閩江下游河道河砂資源的開(kāi)采，導(dǎo)致閩江下游河床及枯水水位不斷下切，潮流界、潮區(qū)界逐年向上游延伸。受潮流影響，河口段水體的交換時(shí)間變長(zhǎng)，水體中污染物的長(zhǎng)時(shí)間滯留回蕩嚴(yán)重威脅到閩江下游水源地的水質(zhì)安全。

2 模型建立

2.1 控制方程

采用平面二維水動(dòng)力方程組計(jì)算水動(dòng)力場(chǎng)，守恒形式平面二維淺水方程如下式所示：

水質(zhì)模型采用守恒形式的二維對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：Ci為第 i種物質(zhì)濃度；Dx，Dy分別為 x，y 方向濃度擴(kuò)散系數(shù)；ki為第i種物質(zhì)一階降解系數(shù)；Si為第i種物質(zhì)源強(qiáng)。

應(yīng)用有限體積法（FVM）進(jìn)行積分離散并利用通量的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)不變性把二維問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一系列局部的一維問(wèn)題進(jìn)行求解，采用全變差縮小格式（TVD）計(jì)算各跨單元邊的水量、動(dòng)量與通量。

2.2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格布置

數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍為水口壩址至閩江口的閩江下游河道及其支流大樟溪，其余各支流對(duì)閩江總水量的貢獻(xiàn)不大，故可在保證輸水能力和調(diào)蓄能力與實(shí)際河道基本一致的基礎(chǔ)上對(duì)主河道進(jìn)行合理概化。

無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)之一是可對(duì)任意區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，在實(shí)際計(jì)算中對(duì)岸邊進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格加密處理。模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為4 s，共生成網(wǎng)格49 126個(gè)，網(wǎng)格大小介于500 m2與20 000 m2之間。

2.3 地形資料

模型的水下高程根據(jù)2009年實(shí)測(cè)水下地形圖確定。

2.4 邊界條件

上邊界以實(shí)測(cè)水口電站逐時(shí)發(fā)電下泄流量為邊界條件：Q=Q（t）。下邊界以頭站與瑯岐大橋?qū)崪y(cè)逐時(shí)水位過(guò)程作為邊界條件：Z=Z（t）。支流邊界以大樟流永泰站實(shí)測(cè)流量為邊界條件：Q=Q（t）。

3 模型驗(yàn)證

模型采用2008年12月15日6：00—18：00各水文站及測(cè)流斷面的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。模型計(jì)算結(jié)果的水位、流量相位均與實(shí)測(cè)值基本吻合，斷面潮量偏差小于10%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，可見(jiàn)該二維水動(dòng)力模型可以較好地適用于閩江下游河段的水動(dòng)力模擬。

4 河床演變對(duì)水質(zhì)的影響

4.1 計(jì)算條件

在月球和太陽(yáng)的共同作用下，海洋潮汐很有規(guī)律性。當(dāng)太陽(yáng)、月球和地球差不多在同一條直線上，月球與太陽(yáng)的引潮力幾乎作用于同一個(gè)方向，兩者的合力最大，海水受到的引潮力最大，太陽(yáng)潮和太陰潮相加形成大潮，此時(shí)，潮流界上溯距離最遠(yuǎn)，污染物質(zhì)對(duì)上游水源地的影響也最大。另根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，閩江下游主要超標(biāo)污染物為氨氮，故本文采用水口壩址～閩江口二維水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究2003年地形條件典型日（工況一）、2009年地形條件典型日（工況二）兩種不同地形條件下閩江下游河段的水質(zhì)（以氨氮為例）變化情況與規(guī)律。

4.1.1 地形資料

計(jì)算區(qū)的2003年、2009年地形根據(jù)2003年及2009年實(shí)測(cè)水下地形圖確定。

4.1.2 邊界條件

1）水動(dòng)力模型。計(jì)算中，上邊界給定水口電站發(fā)電下泄流量308 m3/s，下邊界給定典型枯水期大潮日（2008年12月15日頭及瑯岐大橋水位隨時(shí)間的變化值，入流邊界大樟溪給定入流量20 m3/s。

2）水質(zhì)模型。參照2009年兩次水質(zhì)分析結(jié)果，上邊界水口壩址斷面及支流邊界大樟溪污染物輸入過(guò)程為氨氮濃度定為0.15 mg/L；下邊界瑯岐大橋及頭斷面污染物輸入過(guò)程為氨氮濃度定為0.3 mg/L。

閩江下游排污口概化為14個(gè)，將其氨氮濃度過(guò)程作為輸入邊界條件，主要污染源均采用2007年全潮12 h逐時(shí)實(shí)測(cè)流量、濃度資料。水質(zhì)數(shù)值模型參數(shù)引用《閩江感潮河道河床演變對(duì)水質(zhì)影響研究》研究成果。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時(shí)間增長(zhǎng)，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，故閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)，污染帶上溯距離不斷增大。2003年地形條件下，北港漲憩時(shí)氨氮劣Ⅲ類(lèi)污染帶可上溯至馬尾水廠取水口斷面上游15.8 km；2009年地形條件下，劣Ⅲ類(lèi)污染帶最遠(yuǎn)可上移至馬尾水廠取水口斷面上游22.1 km，污染程度大大加深。兩種計(jì)算條件下，西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)均受徑流稀釋作用及潮流回溯作用影響，落潮時(shí)污染物濃度減小，漲潮時(shí)濃度增大，且隨著北港地形下切，徑流分配水量的減少與潮流回溯作用的加強(qiáng)，該取水口氨氮濃度不斷增高，水質(zhì)變差，對(duì)水質(zhì)的影響程度加大。

由于南港污染負(fù)荷量遠(yuǎn)小于北港水體，故在模擬計(jì)算中，除淘江排污口附近的南港水質(zhì)均可達(dá)到Ⅲ類(lèi)。南港水體水質(zhì)主要受兩個(gè)作用影響：南港上游來(lái)水的稀釋作用及南北港匯合口以下污染物的漲潮回溯作用。當(dāng)稀釋作用起主要作用時(shí)，水質(zhì)就會(huì)好轉(zhuǎn)，當(dāng)回溯作用起主要作用時(shí)，水質(zhì)就會(huì)惡化。由于南港河底地形不斷降低，使得南港上游來(lái)水量增多，稀釋作用加強(qiáng)，與此同時(shí)，北港水動(dòng)力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少。故隨著地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本次研究在實(shí)測(cè)河道地形圖與水動(dòng)力、水質(zhì)資料基礎(chǔ)上建立起閩江下游水口壩址～閩江口二維水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。利用實(shí)測(cè)水位、流量資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示模型物理參數(shù)和計(jì)算參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，可用于閩江下游水動(dòng)力的模擬計(jì)算。

2）由數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知：隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時(shí)間增長(zhǎng)，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)，并影響西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)；隨著南港河底地形不斷降低，南港上游來(lái)水量增多，稀釋作用加強(qiáng)，與此同時(shí)，北港水動(dòng)力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少，故隨著河道地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。因此，從閩江下游水資源及水源地保護(hù)角度來(lái)看，應(yīng)采取有效的立法及行政手段遏止下游河道大規(guī)模采砂，保證福州北港飲用水源地的用水安全。

[1]福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.閩江感潮河道河床演變對(duì)水質(zhì)影響研究[R].2007.