基于EFDC的馬蓮河水庫水質模擬分析

姜利兵 王敏 郜學軍

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司 河南鄭州 450003）

湖泊和水庫是十分重要的地表水體，具有防洪、供水、發電、生物棲息等多種功能。湖庫環境所涉及的空間尺度、污染物成分以及環境過程錯綜復雜，僅憑借現場監測和實驗室分析，往往無法獲得水環境過程連續和客觀的描述，其結論也難以直接用于建立管理制度和制定改善措施。因此，通過數學模型模擬湖庫水質空間變化情況，掌握湖庫水體特征，對于保護湖庫生態環境和湖庫管理具有重要意義。

近年來，在國內，湖庫應用案例有云南滇池的水質模擬［1］和深圳水庫的富營養化研究［2］；河流應用案例中，在重慶趙家溪［3］、河南賈魯河鄭州市段［4］的水動力水質模擬中都取得了較好的應用效果，王建平等［5］將EFDC 和WASP 模型進行耦合建立了三維生態動力學模型，并成功應用于密云水庫水質模擬。本文以甘肅省慶陽市馬蓮河水庫為依托，用EFDC 軟件考慮最不利情況，對馬蓮河水庫枯水期COD、NH3-N、TP 因子進行預測分析，為馬蓮河水庫工程建設及管理提供依據。

1 馬蓮河水庫概況

馬蓮河水庫壩址位于涇河一級支流馬蓮河入涇河口以上50 km 處馬蓮河干流上，屬國務院確定的172 項重大水利工程之一。水庫正常蓄水位999.00 m，水庫總庫容4.79 億m3。馬蓮河水庫開發任務為供水、灌溉和攔沙為主，并為改善區域生態環境創造條件。水庫運行方式：①7 月1 日～8 月31 日當入庫流量大于20 m3/s 時，馬蓮河水庫敞泄運用，當入庫流量小于20 m3/s 時，馬蓮河水庫蓄水攔沙運用，下泄流量滿足生態流量要求，同時馬蓮河水庫向調蓄水庫充水。②9 月1 日～次年6 月30 日，馬蓮河水庫蓄水攔沙運用，下泄流量滿足生態流量要求，同時向調蓄水庫充水。

2 EFDC 模型簡介

環境流體動力學模型（Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC）是美國環保局（USEPA）推薦使用的水環境生態模型之一，最早由美國弗吉尼亞海洋研究所開發，后由TetraTech集團在USEPA的支持下繼續進行開發工作，當前由美國DSI（Dynamic Solu-dons International）公司維護和開發并進行商業運營。EFDC 模型是集水動力模塊、泥沙輸運模塊、污染物運移模塊和水質預測模塊一體，可以用于河流、湖泊、水庫、濕地和近岸海域不同時空尺度的流場、水溫、泥沙以及水質等因子的模擬。EFDC 模型采用FORTRAN 語言編制，可通過設置初始化文件和時間序列輸入文件調整模擬維數、時空特性、環境條件和負荷等，己經成功應用于100 個以上的水體，涉及河流、湖泊、水庫、河口、海灣和海岸帶等，應用領域包括水環境預測與評價、工程項目方案決策等。

2.1 模型結構與功能

EFDC 模型主要包括水動力、標量輸運、水質、泥沙模塊和毒物模塊5 部分組成，其中水動力模塊、水質模塊、泥沙和毒素模塊為核心模塊。EFDC 模型可以模擬河流、湖庫、海洋、河口和濕地等地表水環境。EFDC 水平方向采用曲線正交坐標系，垂直方向采用σ 坐標變換，沿重力方向分層，求解三維紊動粘性方程。EFDC 可以模擬21種水環境因子。模型方程見公式（1）～（10）［6-8］。

連續方程：

動量方程：

水溫輸移方程：

其中σ 坐標變換前的垂向速度ω*與變換后的垂向速度ω 間的關系為：

式中：u，v，w 為曲線正交坐標x，y，z 方向上的水平速度分量，m/s；mx，my為坐標變換因子；H=h+ζ 為總水深，m；h 為未擾動的z 坐標原點以下的水深，m；ζ 為水位，m；f 為Coriolis 系數；Aυ為垂直紊動粘性系數；Qu，Qv為動量源匯項，無量綱；ρ 為擾動密度，kg/m3，一般為溫度和鹽度等的函數；ρ0為參考密度，kg/m3；P 為由密度的變化引起的動水壓強，Pa；b 為浮力，N；QH為體積，m3；Qss、Qsw為河床和水體之間的沉積物和水量的凈容積通量；δ（0）為水體底層通量；Ab、AH為垂直紊動擴散系數和水平紊動擴散系數；T 為水溫，℃；ФI為太陽短波輻射量，W/m2；ST為熱通量；分別為x，y，z 方向上的湍流熱擴散系數；g 為重力加速度，m/s2；S 為鹽度。

水質模塊控制方程：

式中：C 為水質因子濃度，mg/L；u，v，w 為x，y，z 方向速度分量，m/s；Kx，Ky，Kz為x，y，z 方向的湍流擴散系數；Sc為單位體積內部與外部的源和匯。

3 EFDC 模型建立及水質預測

3.1 庫區網格劃分

結合馬蓮河庫區地形數據等選用笛卡爾網格類型，馬蓮河水庫正常蓄水位時，回水長度為47.5 km，取該段河道作為研究區域。對庫區進行網格劃分，網格平均寬度為50 m；網格間距不等，約為30 m～140 m（平均80 m）。研究區域共有8 159個網格。網格水深根據水下地形內插所得。

3.2 邊界及初始條件

根據工程運行方式，模型共設3 個上邊界，2 個下邊界，均為流量邊界。模型上邊界分別為支流太樂溝、趙家川流量，干流入庫庫尾流量，入庫流量根據來水流量得到。模型下邊界為設計泄水流量，分別為向調蓄水庫供水流量及生態環境流量。氣象資料選取臨近工程區的寧縣氣象站觀測的數據采用月平均值，見表1。

表1 邊界條件的月平均值

選取COD、TP、NH3-N 為預測水質因子。2018 年1 月初馬蓮河水庫壩址斷面實測值為初始水質參數，COD、TP、NH3-N濃度分別為28 mg/L、0.08 mg/L 和1.3 mg/L。

3.3 模型參數確定

馬蓮河水庫為擬建工程，主要水質因子為COD、NH3-N、TP，各水質因子源匯項只包括水體自凈作用下的衰減過程，其方程表達式見式（11）。

式中：Sφ為源匯項，mg/L；k（20℃）為20 ℃水溫時各水質因子的降解系數；θ 為水質組分的溫度修正系數；C 為相應水質組分的濃度，mg/L。

根據《全國水環境容量核定技術指南》的參數范圍，參考《原型觀測法在確定九龍灘水庫污染物降解系數中的應用》《大型水庫三維水質模型研究》 中對水庫降解系數的研究，確定COD、NH3-N、TP 預測因子的水質降解系數如下：KCOD化學需氧量降解速率0.008、KEb背景消光系數0.45、KRP難溶解顆粒有機磷水解速率0.003、KLP易溶解顆粒有機磷水解速率0.01、KDP溶解有機磷礦化速率0.01、KRN難溶解顆粒有機氮水解速率0.005、KLN易溶解顆粒有機氮水解速率0.075、KDN溶解有機氮礦化速率0.05。

3.4 水質預測結果

根據上述搭建的模型，對馬蓮河水庫枯水年不同水期（5 月、8 月、12 月）的水質進行預測，馬蓮河水庫枯水年壩前水質預測結果詳見圖1、表2。

圖1 水庫庫區枯水年豐水期水質預測結果

表2 庫區枯水年各水期庫區壩前水質濃度分布

4 結論

根據馬蓮河庫區枯水年水質模擬計算結果，來水水質為庫區水質狀況的主要影響因素。馬蓮河水庫豐水期COD、TP和NH3-N 濃度最高，平水期次之，枯水期最低。豐水期水質因子濃度高的原因是水庫豐水期來水流量較大，入庫污染物較多。壩前COD、TP 和NH3-N 濃度較低的原因為上游來水經過長距離降解和衰減。綜上所述，在水庫上游來水水質滿足水功能區要求（Ⅳ類）的前提下，馬蓮河壩前水體水質總體良好，水質能夠滿足水功能區要求。本文為同類大型水庫的水質預測提供一定的借鑒，也為馬蓮河水庫工程建設和管理提供依據。