基于MIKE模擬計算的信江水庫水質及水動力學演化特征分析

王 歡，孫 聰

(浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000)

水庫長期安全運營與水質狀態密切相關，根據水質狀態分析水庫水動力學演化及水庫工程安全運營乃是水文水資源中重要研究課題[1-3]。不可忽視由于水庫水資源配置規劃對水利工程流量、水溫及泄流等運營均具有重要影響，合理配置水庫水資源調度乃是有利于水庫水質凈化的重要手段，秦儀婷等[4]、陸曉等[5]、馬雅麗等[6]利用各種智能算法，有效提升水庫、灌區等地區內水資源規劃配置效率。當然，水質分析可結合相應的水動力模型，包括有SWMM模型在內的各種水質模型，分析水質模型在水庫等工程運營中變化特征，為水質治理、補水方案等研究提供重要參考[7-9]。當然，包括MIKE、SMS等在內的水動力學仿真計算平臺，其可根據水庫、河流等實際工程運營工況，模擬計算獲得水動力學特征參數變化規律，由此確定水質狀態影響特性，為河道凈水、水庫水資源調度等提供數據支持[10-12]。本文根據信江水庫水質狀態，分析化學污染物來源及其影響特性，利用MIKE計算平臺獲得水庫建庫前、后斷面水位演化特征，為水質治理及水庫運營提供重要依據。

1 水庫水質現狀及工程概況

1.1 水庫概況

贛北地區信江支流建設有一水庫樞紐工程，乃是上饒地區重要蓄水庫，該水庫涉及流域面積超過300 km2，設計庫容超過1.2億 m3，水庫含沙量為7.5 kg/m3，訊水期泥沙淤積最大厚度可為1.8 m，可承擔超過10萬畝農田灌溉，設計有防洪、蓄水、小型發電等綜合功能的水利樞紐工程。該工程包括有壩體結構、溢洪道、泄洪設施以及發電廠房等水利設施，設計正常運營期水位為159 m，壩頂設計高程為164.5 m，寬度為8 m，設計有心墻體作為堤壩防滲及加固結構，心墻彎曲段長度為15 m，壩體上、下游坡度按照階梯式變化，上游坡度分布為1/3～1/2.5，下游坡度為1/2.5～1/3.5，上、下游分別采用混凝土砌石與格賓石籠護坡，一方面提升壩體防滲性，另一方面增強壩體結構靜、動力安全穩定性，壩頂設置有厚度為0.8 m的防浪墻，降低壩體受水力沖刷影響。水庫大壩壩址處鋪設有防滲墊層，厚度為0.45 m，采用塑性混凝土作為防滲墊層主要原材料，其最深處可達基巖層，確保壩體不發生滲透破壞，壩體右岸設置有帷幕灌漿加固結構，降低壩體下覆黏土層流動性與沉降變形。受地區工業水平發展，水庫在運營5 a后設計有一溢洪道設施，所有溢流孔采用鋼閘門，提升區域內排澇及泄流水平，閘門每孔尺寸為12 m×5 m，高度為6 m，閘室采用閘墩承重，閘墩頂高程為162m，設計有錨索支護結構，提升整體閘室在運營過程中穩定性。引水隧洞設計有混凝土襯砌結構，10年運營區間內圍巖最大位移不超過10 mm，混凝土與圍巖間設置有剛性墊層，提升長運營期內圍巖流變特性。從供水對象來看，信江水庫承擔了周圍7個縣城工業及城鄉居民生活用水，年供應總水量超過2億 m3，該水庫水質狀態直接關系當地居民用水安全，開展信江水庫水質檢測分析及水動力學變化特征演化很有必要。

1.2 水庫水質污染源

從水庫水質污染源來看，分為工業、生活污染物及農業肥料污染物等，工業污染源主要來自于城區工業經濟發展產生的污染物垃圾，排泄物等對水庫水質具有顯著負面影響；另一方面，水庫周邊生活居民較多，生活垃圾遷移以及地下污水管道排泄均有一定影響，而生活污水最大來源實質上乃是七個縣城的污水處理廠，水庫周圍縣城內污水處理廠共有7個，污水最大設計處理能力為10萬 m3/d，極大影響了水庫內磷元素、氨氮元素等分布量，G縣污水排放量中年排放TP含量占水庫入庫總量的45.8%。第三個污染源來自于周邊鄉鎮農業生產，包括畜牧業養殖等，主要污染物以COD為主，監測表明入庫COD含量來自鄉鎮農業與畜牧業占比超過40%，且以水庫下游區域為主，以C縣排放COD含量最大，達58.82 t/a。為對水庫進行水質治理，對水庫水質受當前周圍環境影響及水動力學特征開展分析。

2 水庫水質影響特征

2.1 COD含量

根據對水庫流域內各縣城排入水庫水質監測，獲得水庫水質COD含量在各縣城排放中分布特征，如圖1所示。從圖中可看出，年排放進入水庫的COD含量總量為8391.2 t/a，其中排放量最多的為B縣，占年總排放量的51.1%，排放量最小的為F縣，僅為348.8 t/a；根據各縣城年經濟總量關系可知，COD含量最高的B縣，其經濟總量乃是區域內最高，同樣排放量最小的F縣，其經濟總量最低，即水庫流域內COD含量變化與地區經濟總量有密切關系，表明工業化發展對水庫水質COD含量具有正相關促進效應，D縣經濟總量為135.5億元，其年排放COD含量為394.2 t/a，而A縣城經濟總量乃是前者的2.53倍，年COD排放量相比前者增大了2.45倍。從水庫水質治理來看，不可忽視流域內工業經濟發展縣城之間的差異性，應根據各縣城經濟狀況針對性實施COD減排措施。

圖1 水質COD含量與流域經濟總量關系

2.2 氨氮含量

根據水庫水質多斷面監測，獲得流域內排放入水庫氨氮含量在一年中分布狀況，并給出各月水庫流域內降雨量變化關系，如圖2所示。從圖中可知，一年內氨氮含量排放最多的是4月，達72 t/a，而最低月份為1月，氨氮入庫量僅為峰值的44.4%，而各月中氨氮含量超過60的有4個月，分布在4-7月中，而氨氮含量最低值分布在1月中，表明氨氮含量隨季節變化具有顯著差異性特征。聯系各月降雨量可知，降雨量最高的季節為4-7月，而在該區段內氨氮含量同樣入庫量較高，此區間段內平均每月氨氮含量入庫為67 t/a；在降雨量較低的月份中，屬11-1月，其各月平均氨氮入庫量僅為最高區間段的35.3 t/a。分析認為，由于降雨量影響，氨氮含量與之為正相關，此種變化特征實質上與降雨產生的地表徑流有關。當降雨量較大時，地表徑流活躍，水力作用較強，各類地表污水在強有力降雨滲透作用下，可逐步遷移至水庫中，造成該時間段內氨氮等化學污染物含量較高的現象[13，14]。

圖2 水質氨氮含量與流域降雨量關系

2.3 TP含量

TP含量與農業生產密切相關，分析水庫對周圍7個縣城農業生產灌溉面積總值，獲得TP含量與流域內農業灌溉面積關系曲線，如圖3所示。從圖中可看出，F縣乃是傳統農業生產灌區，其年排放入庫TP含量最高，達254.2 t/a，而B城區乃是流域內重要城市主城區，其農業用地面積較小，但不可忽視其工業生產總值較高，因而TP含量仍然較高，達103.5 t/a，年入庫TP含量最低為E縣，該縣城農業灌溉面積相比F縣降低了71.4%，年入庫TP含量亦相比降低了61.3%，該縣城不僅農業生產用地較小，且工業產值同樣低于其他區縣。分析表明，TP含量在水庫流域內變化關系與農業生產、工業生產密不可分，當農業生產與工業生產均較小時，入庫TP含量較小，而其中尤以農業生產對TP含量影響顯著，農業生產面積愈多，則年入庫TP含量占比愈大。

圖3 水質TP含量與流域內農業灌溉面積關系

3 建庫前后水動力學演化特征

為獲得水庫水質演化特征，根據水動力學計算理論開展水庫水動力演化特征分析，筆者利用MIKE水動力計算系統建立信江水庫流域模型，樞紐工程相關參數按照前述工程資料設置，按照實際工況條件設置上、下游流量邊界[15，16]，且增設壩體泄流孔布置，在模型中每間隔5km劃分出一個監測斷面，共有5個斷面，各斷面及所建立的計算模型如圖4所示。

圖4 水庫斷面模型及監測點位置

由于水洞力學特征參數較多，本文僅以建庫前、后水位變化開展分析，以此反映信江水庫水動力學演化特征。根據水庫流域內豐水年(P=30%)、 平水年(P=50%)及枯水年(P=75%)三個工況開展對比計算，該三工況相對應的蓄水位分別為158 m、143 m、136 m，進而根據水動力學仿真計算，獲得三個工況下水庫治理前后各斷面上水位變化特征，如圖5所示。

從圖中可看出，豐水年工況中建庫后水位在各斷面中均保持一致，在全年為先降后升變化，其中水位最低為7、8月份，僅為154.5 m、154.4 m，相比年初1月份分別降低了2.69%、2.8%，而相比年底12月份亦降低了2.7%左右，豐水年建庫后全年水位呈“U”型變化。建庫前從監測點A至D點水位在全年均分布較穩定，其中C、D、E三個測點水位分別穩定在125.8 m、126.2 m、127.3 m，無較大波動；測點A、B在7-9月份有所波動，水位最大變化幅度不超過0.5%。在平水年中建庫后各測點水位均保持一致，在全年中分布呈“倒S”型，最高水位位于11月份，達155.73 m；而在建庫前，相同測點水位低于豐水年，在D測點6月份時水位為123.5 m，相比豐水年降低了2.2%；整體上各測點均以下游水位較高，此與豐水年類似，在相同時間時，測點間距增大5 km，平均可導致水位上升0.9%，且以A～B測點間水位上漲幅度顯著，在平水年此兩點間水位差異幅度達1.5%。枯水年建庫前、后水位整體比豐水年、平水年均要低，建庫前在相同C點5月份的枯水年水位為121 m，相同條件下的豐水年、平水年較之前者分別增大了4%、1.7%，而在建庫后枯水年9月份水位為151.05 m，相比之下豐水年、枯水年分別增高了4.1%、2.7%；另一方面，水庫建成后全年水位變化幅度亦低于豐水年、枯水年，建庫后最低、最高水位間差距幅度為0.48%，建庫后全年水位呈“波浪線”型發展，最大波動范圍為7-9月，在3-5月水位長期處于150.9 m；分析表明枯水年受上游來水流量降低，導致建庫后水位變化波動較小，且個別月份由于來水流量較小，造成水位較平穩。

(a)豐水年 (b)平水年 (c)枯水年 (d)建庫后

4 結語

本文主要獲得以下幾點結論：

(1)工業化發展對水庫水質COD含量具有正相關促進效應；氨氮含量隨季節變化具有顯著差異性特征，以降雨量最高4月氨氮含量最高，達72 t/a；農業生產與工業生產值均較小時，入庫TP含量較小，灌溉農田愈多，入庫TP含量愈大。

(2)建庫后豐水年、平水年及枯水年全年水位分別呈“U”型、“倒S”型、“波浪線”型，枯水年建庫后水位顯著低于其他兩個工況，且全年水位波動幅度亦是最低，在9月份時豐水年、平水年水位相比枯水年分別增高了4.1%、2.7%，而全年最低、最高水位差距幅度僅為0.48%。

(3)建庫前水位以豐水年最高，相同C測點5月份時豐水年、平水年較枯水年分別增大了4%、1.7%；各測點在全年各月份水位變化幅度較小，最大變化幅度均位于7-9月，豐水年A測點在7-8月水位變化幅度最大不超過0.5%；各測點水位均以下游水位較高，平水年中測點間距增大5 km，平均可導致水位上升0.9%。