基于EFDC的閩江干流下游DO變化研究

張　鵬,逄　勇,2,石成春,羅　丹,謝蓉蓉

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210098;

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基于EFDC的閩江干流下游DO變化研究

張鵬1,逄勇1,2,石成春3,羅丹3,謝蓉蓉4

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;

3.福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福建 福州350011; 4.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,福建 福州350007)

建立了閩江下游河道水口壩下—金剛腿段二維EFDC水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,利用水文水質(zhì)同步監(jiān)測資料對(duì)模型進(jìn)行率定,模型計(jì)算了不同條件下閩江下游河道DO濃度變化規(guī)律。結(jié)果表明:增加北港分流比,削減閩侯城鎮(zhèn)生活、畜禽養(yǎng)殖污染物的排放量和使福州市區(qū)排入北港的內(nèi)河(光明港、白馬河)水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),能夠增加北港水體的DO,相反減小水口水庫下泄流量則會(huì)導(dǎo)致DO降低。為確保閩江干流下游DO持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),應(yīng)采取增加北港分流比、增加枯水期水口水庫下泄流量、削減區(qū)域污染物排放量、減小枯水期閩江下游調(diào)水量等措施。

溶解氧;EFDC;污染物削減;徑流量;閩江干流

表征水體自凈能力的DO不僅是衡量河流、水庫等水體水質(zhì)的指標(biāo)之一,也是衡量水體有機(jī)物分解和富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo),對(duì)于維持健康的水生生態(tài)系統(tǒng)有著重要的意義[1-2]。水體DO濃度降低時(shí),會(huì)對(duì)河流、海洋生態(tài)系統(tǒng)造成一定的危害,當(dāng)DO質(zhì)量濃度低于4 mg/L時(shí),養(yǎng)殖魚類會(huì)受到有害影響,當(dāng)出現(xiàn)缺氧事件(DO質(zhì)量濃度小于2 mg/L)[3-4],且長時(shí)間持續(xù)時(shí),水體生態(tài)系統(tǒng)中的浮游植物、浮游動(dòng)物會(huì)受到致命的危害,沉降的有機(jī)物發(fā)生厭氧分解,導(dǎo)致水質(zhì)惡化和水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。引起河流水體缺氧的因素眾多,例如,流域污染物排放量增加,藍(lán)藻暴發(fā),徑流量減少,河道容積增大和強(qiáng)漲落潮以及由此引起的河道水體停留時(shí)間的增加[5]。此外高溫、過量硝化、底泥耗氧量等都會(huì)導(dǎo)致DO濃度降低。

圖1　閩江下游河道及監(jiān)測點(diǎn)位、水文站位置

近幾十年來河口缺氧問題一直受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,研究者[1,6-9]通過分析長江口外缺氧區(qū)與躍層之間的關(guān)系,探討了其在內(nèi)陸架形成的生物化學(xué)機(jī)理和物理機(jī)制;張恒等[10-11]通過實(shí)測資料分析了珠江低DO的分布與變化,發(fā)現(xiàn)含氮有機(jī)污染物大量排放,硝化反應(yīng)耗氧增加是導(dǎo)致珠江缺氧的主要因素;李若華等[12]通過錢塘江河口沿程實(shí)測水質(zhì)資料分析,發(fā)現(xiàn)錢塘江河口富陽-閘口段存在低DO現(xiàn)象,并且富陽境內(nèi)的污染源及支流浦陽江輸入的污染負(fù)荷是造成該河段低氧的主要原因。由于河口地區(qū)低DO影響因素復(fù)雜,有限的資料不足以證明各類因子對(duì)DO的影響程度,隨著水質(zhì)模型的發(fā)展,越來越多河口低DO問題已經(jīng)通過水質(zhì)模型進(jìn)行了研究[13-16]。筆者以閩江干流下游為例,利用EFDC水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,對(duì)徑流量減少和污染物排放對(duì)DO的影響進(jìn)行研究。

1　研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)域

閩江是福建省內(nèi)最大的河流,閩江干流下游從水口電站至出海口,全長118 km左右,河道貫穿福州市(圖1)。自淮安閩江干流分南、北兩港,北港繞南臺(tái)島北面,穿過福州市區(qū),經(jīng)文山里、洪山橋、閩江大橋至馬尾,河道相對(duì)窄深。南港繞南臺(tái)島南側(cè)流經(jīng)科貢、灣邊接納大樟溪、淘江經(jīng)烏龍江大橋至馬尾與北港匯合,河道寬淺。因此南港、北港分流在洪汛期南港多,枯水期北港多,但由于南港近年嚴(yán)重挖沙,枯水期北港分流已經(jīng)越來越少[17]。

目前閩江福州段的徑流受上游水口電站運(yùn)行的控制,水口水庫在枯水期起不完全的季節(jié)性調(diào)節(jié)作用,為滿足閩江下游生態(tài)需水,已確定水口水庫最小下泄流量為308 m3/s。隨著閩江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,排入閩江的污染物逐年增大,并且受潮汐頂托影響,水口水庫下泄流量較小時(shí),河道內(nèi)污染物來回回蕩,不能較快排出,導(dǎo)致閩江下游竹岐以下水體DO偏低,尤其以北港白馬河、光明港等福州市區(qū)主要內(nèi)河排污口附近最為嚴(yán)重,2011—2014上半年的竹岐、西北區(qū)水廠取水口文山里自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測資料顯示DO質(zhì)量濃度在高溫枯水期會(huì)持續(xù)低于5 mg/L,最低達(dá)到2.50 mg/L,嚴(yán)重威脅北港多個(gè)水源地的供水安全。

閩江下游水體DO偏低可能存在以下原因:①福州市區(qū)內(nèi)河(光明港、白馬河)大量缺氧、厭氧的劣Ⅴ類污水直接排入北港,北港橫穿福州市區(qū),使其接納的污染負(fù)荷占閩江下游段85%的工業(yè)污染負(fù)荷及近90%的生活污染負(fù)荷[18],污染物排放是導(dǎo)致北港DO濃度低最主要的原因之一;②北港上游來水受到閩侯城鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖的高可降解性污水污染,竹岐水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站高溫枯水期DO持續(xù)不達(dá)標(biāo)即可證明大量受污染物的水體流入北港,在一定程度上促使北港水質(zhì)惡化;③北港分流比越來越小[18],由于水口大壩的建立,上游來沙量急劇減小,下游河道沖刷嚴(yán)重,加之近年來南港航道不斷疏浚,北港分流比減小,導(dǎo)致北港水體交換時(shí)間增長,污染物受潮汐頂托作用,排不出去,水體耗氧量大于復(fù)氧量,水體缺氧越來越嚴(yán)重。未來隨著福建省北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程的進(jìn)行,將對(duì)閩江干流調(diào)水32 m3/s,閩江下游DO可能會(huì)進(jìn)一步惡化。因此筆者通過建立閩江下游EFDC水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,分析不同流量、分流比和污染物排放量條件下閩江下游河道DO變化規(guī)律,以期為保護(hù)閩江下游水源地水質(zhì)健康提供措施。

1.2EFDC模型基本原理

EFDC模型是模擬河流、湖泊、水庫、河口、海洋和濕地等地表水系統(tǒng)的三維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[15,19],EFDC模型垂向上采用σ坐標(biāo)變換,能較好地?cái)M合近岸復(fù)雜岸線和地形;采用修正的Mellor-Yamada 2.5階湍封閉模式較客觀地提供垂向混合系數(shù),避免人為選取造成的誤差;動(dòng)量方程內(nèi)模主要是求解應(yīng)力和速度的垂向分布;輸移方程中的平流項(xiàng)模型采用Smolarkiewicz多維正定對(duì)流輸移格式。以下為模型方程[14]。

a. 動(dòng)量方程。

(3)

b. 連續(xù)方程。

(4)

(5)

c. 狀態(tài)方程。

(6)

d. 水質(zhì)方程。

(7)

e. 溫度和鹽度輸移方程。

(8)

(9)

式中:u、v、w分別為邊界擬合正交曲線坐標(biāo)x、y、z方向上的速度分量,m/s;mx、my分別為水平x、y坐標(biāo)變換因子,m為度量張量行列式的平方根,m=mxmy;Av為垂向紊動(dòng)黏滯系數(shù);Kv為垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);f為科里奧利系數(shù);ρ為混合密度,kg/m3;ρ0為參考密度,kg/m3;H為總水深,m;h為未擾動(dòng)的z坐標(biāo)原點(diǎn)以下的水深,m;P為壓力,Pa;Sa為鹽度,PPT;T為溫度,℃;ξ為自由的勢(shì)能,J;Qu和Qv分別為動(dòng)量在x和y方向的源匯項(xiàng);ρ為質(zhì)量濃度,mg/L;QT為溫度的源匯項(xiàng)。

f. EFDC模型中DO平衡方程。

模型中水體DO的源、匯項(xiàng)包括藻類光合作用和呼吸作用、硝化作用、溶解性有機(jī)碳的異養(yǎng)呼吸作用、COD的氧化作用、表層復(fù)氧、底部沉積物耗氧和外部載荷。動(dòng)力學(xué)方程[15-16]為

(10)

式中:x為c,d,g，分別為藍(lán)藻,硅藻及綠藻;PNx為藻團(tuán)體吸收氮的優(yōu)先度(0

1.3地形概化

本研究根據(jù)2011年實(shí)測閩江河道地形,建立水口壩下至金剛腿的EFDC水環(huán)境模型,模型全長99 km。EFDC模型采用二階精度的空間有限差分格式求解控制方程,變量布置采用交錯(cuò)網(wǎng)格。網(wǎng)格邊長200 m,寬100 m,共劃分5 241個(gè)網(wǎng)格,模型計(jì)算時(shí)間步長t=10 s。

1.4參數(shù)率定

二維水環(huán)境模型參數(shù)采用2013年12月7日10:00至8日10:00逐時(shí)實(shí)測潮位、流量、水質(zhì)進(jìn)行率定點(diǎn)位分布如圖1所示。模型主要開邊界有上游流量、支流大樟溪流量、風(fēng)場、潮位和水質(zhì)。上邊界的下泄流量、水質(zhì)和水溫為水口水庫斷面實(shí)測值;下邊界的潮位、水質(zhì)及水溫為金剛腿斷面實(shí)測值;支流邊界的流量、水質(zhì)和水溫為大樟流永泰站實(shí)測值;風(fēng)場資料采用福州市實(shí)測日均風(fēng)速、風(fēng)向作為輸入條件。

由表1可見，潮位率定5個(gè)斷面,最大平均誤差為14 cm;流量率定3個(gè)斷面,最大平均相對(duì)誤差為21%;鹽度率定2個(gè)斷面,最大平均相對(duì)誤差19%。率定得到主要參數(shù)如下:河道主槽部分糙率的取值范圍定為0.010～0.015;水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky公式,率定得到Smagorinsky系數(shù)為0.12;風(fēng)拖曳系數(shù)在0.001 0～0.001 5之間。

表1　各監(jiān)測斷面參數(shù)率定結(jié)果

表2　模型主要率定參數(shù)

2　結(jié)果與討論

徑流量減少和污染物排放是導(dǎo)致閩江下游水體DO惡化的主要原因。根據(jù)已建立閩江下游水動(dòng)力水質(zhì)模型,本次研究設(shè)立6種方案,所有方案水溫均設(shè)置為夏季時(shí)平均水溫28～29℃，模型方案具體設(shè)置條件見表3。由于下游潮位、鹽度和水質(zhì)受上游下泄流量的影響,下游計(jì)算潮位條件利用Pawlowicz等[20]提出的T-tide1.3程序?qū)Π讕r潭和琯頭2012年和2013年的逐時(shí)潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析,得到白巖潭和琯頭的調(diào)和常數(shù);根據(jù)地理插值法中兩點(diǎn)法內(nèi)插出金剛腿的調(diào)和常數(shù),并利用T-predic.m對(duì)金剛腿的潮位進(jìn)行計(jì)算。下游鹽度、水質(zhì)邊界為非強(qiáng)迫條件,根據(jù)多次監(jiān)測資料的類比得到。風(fēng)場資料取相應(yīng)時(shí)間的福州市內(nèi)實(shí)測日均風(fēng)速、風(fēng)向。

表3　模型各方案具體設(shè)置條件

2.1現(xiàn)狀流量下各計(jì)算方案的DO變化分析

對(duì)比方案1和方案2(圖3)可知水口電站下泄徑流量相同條件下,北港分流比由原來的96 m3/s(現(xiàn)狀20%)增加為233 m3/s(增至50%)時(shí),北港的魁岐斷面水體DO增加了0.72 mg/L(表4);對(duì)比方案1和方案3(圖3)可知對(duì)南北港上游閩侯的甘蔗街道、竹岐鄉(xiāng)、荊溪鎮(zhèn)、上街鎮(zhèn)等區(qū)域的城鎮(zhèn)生活、畜禽養(yǎng)殖等污染物削減50%(COD削減量為3 600 t,NH3-N削減量為350 t),魁岐斷面水體DO增加了0.27 mg/L(表4);對(duì)比方案1和方案4(圖3)可知使福州市區(qū)排入北港的內(nèi)河(光明港、白馬河)水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)(削減COD為15 000 t,NH3-N為3 000 t),魁岐斷面水體DO增加了1.42 mg/L(表4);方案1和方案5(圖3)的對(duì)比可知,既增大北港分流比又削減閩侯污染物和福州市區(qū)排入北港的內(nèi)河(光明港、白馬河)污染物,魁岐斷面水體DO增加最大,為1.74 mg/L(表4),增大后DO值可達(dá)地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(6 mg/L)。由此可見對(duì)福州市區(qū)污染物進(jìn)行削減,對(duì)水體DO增大效果非常明顯,主要是因?yàn)殚}江下游80%的污染物排入北港,而通過光明港、白馬河這兩個(gè)內(nèi)河排入北港的污染物約占85%以上,因此光明港和白馬河水質(zhì)達(dá)標(biāo)對(duì)北港水體DO改善作用非常大。

竹岐斷面DO變化較小,只有在方案3和方案5(圖2)下削減閩侯污染物時(shí)DO有所增加,增加了0.20 mg/L左右(表4)。

表4　5種方案模型計(jì)算的斷面DO質(zhì)量濃度　mg/L

圖2　5種方案計(jì)算的竹岐斷面DO變化比較

圖3　5種方案計(jì)算的魁岐斷面DO變化比較

2.2現(xiàn)狀流量與最小生態(tài)流量計(jì)算方案的DO變化分析

方案6：水口電站下泄流量為308 m3/s,其他條件不變時(shí),相比方案1,北港平均分流量由原來的96 m3/s減小為現(xiàn)在的60 m3/s,北港魁岐斷面水體DO降低了0.18 mg/L(圖4),同時(shí)由圖4可以看出,漲潮時(shí)魁岐斷面DO與原方案相比變化不大,主要是漲潮時(shí)下游高DO鹽水的稀釋,落潮時(shí)該斷面水體DO相比原方案下降很明顯;竹岐斷面DO變化較小,減小水口電站下泄流量時(shí)DO稍有降低,降低了0.12 mg/L。未來福建省北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程從閩江干流調(diào)水32 m3/s時(shí),閩江下游DO肯定會(huì)進(jìn)一步惡化,因此有必要減小枯水期閩江調(diào)水量。

圖4　方案1和方案6計(jì)算的竹岐、魁岐斷面DO變化

以上計(jì)算結(jié)果可知方案3、方案4和方案5在水口水庫下泄流量為481 m3/s時(shí),均能夠保證污染最嚴(yán)重的魁岐斷面DO到達(dá)地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。因此為保證北港DO達(dá)標(biāo),綜合考量各種因素,建議采取以下措施:削減閩侯城鎮(zhèn)、畜禽養(yǎng)殖的高可降解性污水排放和加大力度治理福州市區(qū)污水排放,改善內(nèi)河水質(zhì);進(jìn)一步發(fā)揮水口水庫調(diào)蓄能力,做好豐水期蓄水,枯水期泄水;停止南港挖砂工作,不能一味地為滿足通航能力不斷進(jìn)行南港疏浚拓寬,考慮在南北港分流口建立分流壩增大北港分流比;減小枯水期閩江下游調(diào)水量,建議福建省北水南調(diào)平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程設(shè)置水庫做好蓄水工作,保證枯水期福清、平潭地區(qū)居民用水。

3　結(jié)　論

a. 現(xiàn)狀流量(481 m3/s)下,通過增加北港分流比、削減閩侯城鎮(zhèn)生活、畜禽養(yǎng)殖污染物的排放量和使福州市區(qū)排入北港的內(nèi)河(光明港、白馬河)水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),能夠增加北港水體的DO。

b. 最小生態(tài)流量(308 m3/s)與現(xiàn)狀流量(481 m3/s)相比,減小水口水庫下泄流量會(huì)導(dǎo)致北港水體DO降低。同時(shí)北港魁岐斷面漲潮時(shí)由于下游高DO水的稀釋,DO與現(xiàn)狀流量方案相比變化不大,落潮時(shí)上游污染物的排放導(dǎo)致該斷面DO下降明顯。

c. 為確保閩江干流下游DO持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),需要弱化閩江下游南港航道功能,增加北港分流比;改變水口水庫性質(zhì)定位,不僅考慮發(fā)電,也要兼顧下游的生態(tài)調(diào)度;對(duì)閩侯畜禽養(yǎng)殖和福州市區(qū)城鎮(zhèn)生活污染物排放量進(jìn)行削減;減小枯水期閩江下游調(diào)水量。各項(xiàng)措施相互結(jié)合,確保閩江下游水體DO持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

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Study of variation of dissolved oxygen in lower reaches of main stream of Minjiang River based on EFDC model

ZHANG Peng1, PANG Yong1, 2, SHI Chengchun3, LUO Dan3, XIE Rongrong4

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofshallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.FuzhouResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Fuzhou350011,China;4.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

A two-dimensional environmental fluid dynamics code (EFDC) model was established for the Shuikoubaxia-Jingangtui sections in the lower reaches of the Minjiang River. The parameters of the model were calibrated using synchronously monitored hydrological and water quality data. The model was used to predict the variation of the DO concentration in the lower reaches of the Minjiang River under different conditions. The results show that, to increase the split ratio of the North Channel, to decrease the domestic sewage and livestock wastewater from Minhou County, and to enable the water quality of the Guangming River and the Baima River to reach the grade Ⅴ level could result in the increase of DO in the North Channel. In contrast, DO decreased when the discharge from the Shuikou Reservoir was reduced. In order to ensure that DO in the lower reaches of the main stream of the Minjiang River reaches the standard continuously, the following measures should be taken: increasing the split ratio of the North Channel and the discharge from the Shuikou Reservoir in the dry season, and decreasing the pollutant discharge and diverted water in the lower reaches of the Minjiang River in the dry season.

DO; EFDC; pollution reduction; runoff; main stream of Minjiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.018

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07506-006);福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15141)

張鵬(1988—),男,博士研究生,研究方向?yàn)樗h(huán)境模擬與預(yù)測。E-mail:zhap2014@163.com

X522

A

1004-6933(2016)05-0091-06

2015-11-23編輯：徐娟)