岷江干流東風(fēng)巖樞紐水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)研究

卜躍先，鄒高龍，殷 園

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

岷江航電東風(fēng)巖樞紐工程為岷江(樂山～宜賓段)航運(yùn)規(guī)劃的第二個(gè)梯級(jí)，系徑流式日調(diào)節(jié)電站，壩址位于樂山市五通橋區(qū)的道士觀河段，距大渡河河口約29.9 km，與上游老木孔、下游犍為梯級(jí)規(guī)劃壩址間的距離分別為14.7 km和20.2 km。東風(fēng)巖樞紐的開發(fā)任務(wù)為：以航運(yùn)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水，水庫總庫容為1.32億m3，正常蓄水位為344.0 m，死水位為343.5 m，調(diào)節(jié)庫容為823萬m3，電站裝機(jī)容量為270 MW，年發(fā)電量約為12.68億kW·h。通航建筑物采用1 000 t級(jí)船閘，有效尺度為220 m×34 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)，設(shè)計(jì)年通過能力單向?yàn)? 450萬t，滿足2045年過壩運(yùn)量的需要。

東風(fēng)巖樞紐工程水庫蓄水后，水深及水面積都有大幅度的增加，水流變緩，將根本改變?cè)瓉硭鞯男再|(zhì)，將使庫區(qū)及壩址下游河段的水文情勢(shì)發(fā)生顯著的變化，進(jìn)而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，在充分調(diào)查現(xiàn)有污染源及水文條件的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫建成后水質(zhì)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，考慮實(shí)施庫區(qū)及下游的水質(zhì)保護(hù)措施及其他環(huán)境保護(hù)措施。國(guó)內(nèi)黃玥等[1]、張玄等[2]對(duì)水庫庫區(qū)的水質(zhì)變化作過一些預(yù)測(cè)與研究， 余帆洋等[3]、 丘冬琳[4]、 周銘浩等[5]在水庫水環(huán)境評(píng)價(jià)與保護(hù)、水庫納污能力方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。由于東風(fēng)巖庫區(qū)及下游分布有幾個(gè)水源保護(hù)區(qū)及其他集中取水點(diǎn)，本文利用MIKE21軟件，進(jìn)行對(duì)流-擴(kuò)散水質(zhì)模型預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)，為庫區(qū)環(huán)境保護(hù)對(duì)策措施的擬定提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

1 水質(zhì)預(yù)測(cè)模型原理

主要采用渦粘理論，在二維水動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用MIKE21軟件進(jìn)行對(duì)流-擴(kuò)散水質(zhì)模型計(jì)算。模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法，該方法計(jì)算速度較快，且非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合較復(fù)雜地形。

水動(dòng)力模型的控制方程如下：

(1)

結(jié)合二維水動(dòng)力學(xué)模型，建立二維水質(zhì)模型。模型采用對(duì)流擴(kuò)散方程：

(2)

2 預(yù)測(cè)工況及模型邊界條件

2.1 預(yù)測(cè)時(shí)段選擇

水質(zhì)預(yù)測(cè)時(shí)段擬定為2月(枯水期代表月)、5月(平水期代表月)和7月(豐水期代表月)。考慮豐水期水溫較高，而枯水期流量較小，水庫蓄水后流速較小，且水溫較低，污染物降解較慢，可能造成局部污染物濃度過高的情況，因此，根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)一級(jí)評(píng)價(jià)的要求，選取豐、平、枯水期工程河段水質(zhì)濃度變化分別進(jìn)行計(jì)算與分析。

2.2 預(yù)測(cè)因子選擇

結(jié)合沿岸污染源特征現(xiàn)狀分析，現(xiàn)狀及建庫后的水質(zhì)預(yù)測(cè)選擇CODCr和NH3-N作為預(yù)測(cè)水質(zhì)因子。

2.3 預(yù)測(cè)工況與模型概化

考慮建庫前后水文情勢(shì)的變化情況，分別預(yù)測(cè)2月(枯水期代表月)、5月(平水期代表月)和7月(豐水期代表月)三種工況，東風(fēng)巖工程河段建庫前后的水質(zhì)變化情況。根據(jù)水平年的不同，一是現(xiàn)狀水平年，各污染源保持現(xiàn)狀情況不變，模擬東風(fēng)巖建庫前后對(duì)河道水質(zhì)的影響；二是考慮規(guī)劃水平年東風(fēng)巖建庫后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和節(jié)水減排措施不斷完善，預(yù)測(cè)入河污染物相應(yīng)變化后，工程對(duì)河道水質(zhì)的影響。

東風(fēng)巖水庫為日調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)性能較低，1 d內(nèi)幾臺(tái)機(jī)組均在發(fā)電泄流，概化時(shí)不考慮壩址的影響，將壩址前后的水下地形數(shù)據(jù)與取水量、排水量數(shù)據(jù)輸入模型。東風(fēng)巖庫區(qū)及壩址下游的排污口總共有96個(gè)，通過暗管與明渠形式排入岷江干流、汊河涌斯江等，模型運(yùn)算中，最后概化成排污量在0.002 m3/s以上的排污口16個(gè)，其中岷江干流以工業(yè)污水排放為主，排放量大；涌斯江以生活污水排放為主，排放口較為分散。取水口共有15個(gè)，其中岷江干流生產(chǎn)取水口3個(gè)，涌斯江生產(chǎn)與生活取水口5個(gè)，其他灌溉取水口主要集中在沫溪河，這些取水口取水量均不大。

2.4 邊界條件

考慮上游為老木孔航電樞紐，而汊河涌斯江既是老木孔工程的減水河段，又是東風(fēng)巖工程的庫區(qū)，其水質(zhì)變化同時(shí)受兩個(gè)工程的影響，因此，模擬范圍包括老木孔壩址到東風(fēng)巖壩址下游約7 km處，另外還包括沫溪河河口至上游約4 km處和涌斯江河口至上游約2 km處。模型中各控制斷面具體位置情況及水下地形情況見圖1。

圖1 東風(fēng)巖庫區(qū)水下地形及控制斷面分布示意

邊界流量控制利用五通橋水文站、高場(chǎng)水文站的流量資料，各邊界按照水文專業(yè)提供的豐、平、枯時(shí)期代表月均流量設(shè)置；各邊界輸入的水質(zhì)數(shù)據(jù)根據(jù)不同時(shí)期實(shí)測(cè)的該斷面水質(zhì)資料進(jìn)行設(shè)置。各邊界輸入水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 河流各邊界水量、水質(zhì)輸入條件

模型中設(shè)定一個(gè)恒定的衰減常數(shù)模擬各污染物質(zhì)的降解過程，降解過程滿足如下一級(jí)反應(yīng)方程式：

(3)

其中C為濃度，K[s-1]為衰減系數(shù)。各污染物指標(biāo)工程前后的衰減系數(shù)見表2。

表2 各污染物指標(biāo)工程前后衰減系數(shù)

3 預(yù)測(cè)結(jié)果

結(jié)合東風(fēng)巖工程河段現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各工況模擬結(jié)果見表3。

表3 東風(fēng)巖樞紐水庫水質(zhì)模擬結(jié)果

3.1 枯水期水質(zhì)預(yù)測(cè)情況分析

枯水期現(xiàn)狀年建庫前后以及規(guī)劃年建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)；涌斯江斷面氨氮指標(biāo)能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，但COD不能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)狀年建庫前后對(duì)比，建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及涌斯江斷面COD和氨氮指標(biāo)較建庫前有較小變化，其中COD濃度略有下降，下降幅度不到5%，庫區(qū)部分水面氨氮濃度略有升高，主要是庫區(qū)內(nèi)流動(dòng)性較差的小部分水域，升高幅度在5%左右。支流沫溪河由于本身水質(zhì)較好，在建庫后，斷面水質(zhì)均能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，但水質(zhì)較建庫前變化較大，主要是水動(dòng)力條件有所變化，沫溪河本身流量較小，建庫后受到了庫區(qū)頂托影響。

建庫后，現(xiàn)狀年與規(guī)劃年不同條件下對(duì)比，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)變化不明顯，但規(guī)劃年涌斯江河段由于入河污染物濃度降低，涌斯江斷面水質(zhì)較現(xiàn)狀有所改善，但COD指標(biāo)仍然超標(biāo)。

枯水期各工況模擬水質(zhì)情況見圖2～7。

圖2 枯水期現(xiàn)狀年建庫前COD分布示意

圖3 枯水期現(xiàn)狀年建庫前氨氮分布示意

圖4 枯水期現(xiàn)狀年建庫后COD分布示意

圖5 枯水期現(xiàn)狀年建庫后氨氮分布示意

圖6 枯水期規(guī)劃年建庫后COD分布示意

圖7 枯水期規(guī)劃年建庫后氨氮分布示意

3.2 平水期水質(zhì)預(yù)測(cè)情況分析

平水期預(yù)測(cè)結(jié)果表明：平水期現(xiàn)狀年建庫前后以及規(guī)劃年建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面、涌斯江斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)狀年建庫前后對(duì)比，建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及涌斯江斷面COD和氨氮指標(biāo)較建庫前均無明顯變化。支流沫溪河建庫后受頂托影響，水質(zhì)較建庫前變化較大，但庫區(qū)本身水質(zhì)較好，沫溪河在建庫前后，斷面水質(zhì)均能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

建庫后，現(xiàn)狀年與規(guī)劃年不同條件下對(duì)比，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面、涌斯江以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)變化不明顯，各斷面COD和氨氮指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 豐水期水質(zhì)預(yù)測(cè)情況分析

豐水期預(yù)測(cè)結(jié)果表明：豐水期現(xiàn)狀年建庫前后以及規(guī)劃年建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)；涌斯江斷面氨氮指標(biāo)能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，但COD不能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)狀年建庫前后對(duì)比，建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及涌斯江斷面COD和氨氮指標(biāo)較建庫前均無明顯變化。雖然支流沫溪河建庫后受頂托影響，但由于沫溪河來水水質(zhì)與東風(fēng)巖庫區(qū)水質(zhì)相近，因此，沫溪河在建庫前后水質(zhì)變化不大，斷面水質(zhì)均能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)。

建庫后，現(xiàn)狀年與規(guī)劃年不同條件下對(duì)比，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)變化不明顯，但規(guī)劃年涌斯江河段由于入河污染物濃度降低，涌斯江斷面水質(zhì)較現(xiàn)狀略有改善，但改善并不明顯，COD指標(biāo)仍然超標(biāo)。

4 結(jié)語

1) 利用MIKE21軟件進(jìn)行對(duì)流-擴(kuò)散水質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)狀年建庫前后以及規(guī)劃年建庫后，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD與氨氮2個(gè)指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，涌斯江斷面COD指標(biāo)在枯水期、豐水期不能滿足Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是涌斯江河段有支流茫溪河匯入，茫溪河及涌斯江河段水量較小，沿線生活污水排放口較多，導(dǎo)致來水水質(zhì)較差。

2) 現(xiàn)狀年建庫前后對(duì)比，建庫后東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及涌斯江斷面COD和氨氮指標(biāo)較建庫前均無明顯變化；建庫后的規(guī)劃年，東風(fēng)巖壩址處、壩址以上岷江干流、壩下斷面以及支流沫溪河COD和氨氮指標(biāo)變化不大，涌斯江河段由于入河污染物濃度有所降低，涌斯江斷面水質(zhì)較現(xiàn)狀略有改善，但改善并不明顯，COD指標(biāo)仍然超標(biāo)。