九龍江北溪流域水力調(diào)度控藻水華研究*

陳 輝

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

1 九龍江北溪概況

九龍江北溪河長272km，流域面積9640km2，地表徑流量約96.1億m3。萬安溪(1470km2)是九龍江北溪的上游河流，有萬安、白沙兩個(gè)年調(diào)節(jié)水庫，兩個(gè)水庫調(diào)節(jié)庫容之和為2.78億m3，兩個(gè)水庫在北溪流域中可以起到一定的蓄豐補(bǔ)枯作用。萬安、白沙水電站分別安裝3臺(tái)和2臺(tái)機(jī)組，萬安水電站3臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量為66m3/s，白沙水電站2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量為130m3/s。九龍江北溪干流規(guī)劃十級(jí)開發(fā)，即：溪仔口、華口、小杞、西陂、綿良、華安和紅旗山、羅溪、龍頭山、天宮、利水，均屬日調(diào)節(jié)電站，梯級(jí)開發(fā)剖面圖見圖1。華口、小杞水庫為重力壩，其它水庫為閘壩。作為漳州、廈門地區(qū)主要飲用水來源地的江東庫區(qū)位于北溪下游。

圖1 九龍江北溪干流梯級(jí)開發(fā)剖面圖

2 水華暴發(fā)期間水質(zhì)藻類分析

2.1 藻類

根據(jù)收集的資料，九龍江北溪干流河段2009年1～3月、2011年8月、2013年3月和2017年8月多次發(fā)生過藻類水華現(xiàn)象，優(yōu)勢(shì)種分別為甲藻、綠藻、硅藻、隱藻。在2009年和2017年發(fā)生的水華事件中，都采取了上游萬安、白沙水庫發(fā)電放水的應(yīng)急調(diào)度方式。

2009年1月20日發(fā)現(xiàn)九龍江北溪漳平市溪仔口至小杞及以下河道發(fā)現(xiàn)藻類漂浮，水體呈褐色。根據(jù)收集的藻類暴發(fā)資料以及萬安、白沙調(diào)度情況和福建省水文水資源勘測(cè)中心的數(shù)據(jù)資料，甲藻暴發(fā)前期(1月13～21日)，漳平水文站斷面的流速范圍為0.12-0.20m/s，1月21日九龍江北溪干流藻類總密度最大為2.967×107[1]，甲藻密度最大為2.79×107[1]，溪仔口斷面的葉綠素a濃度為70μg/L[2]。2月5～7日萬安、白沙水庫較大負(fù)荷發(fā)電放水，其中5日白沙水庫出庫流量66.9m3/s，6日白沙水庫出庫流量137m3/s，7日白沙出庫流量113m3/s，2月5～7日漳平水文站斷面流速分別增加至0.22m/s、0.52m/s、0.43m/s，在這期間龍江北溪藻類總密度最大為5.55×106[1]，甲藻密度最大為5.38×106[1]，溪仔口斷面葉綠素a濃度降到10μg/L以下[2]，藻類密度和葉綠素濃度均大幅度較少，藻類生長受到明顯抑制，說明流速是影響甲藻生長的重要環(huán)境因子。流速小于0.2m/s時(shí)，擬多甲藻可大量繁殖，而流速大于0.2m/s時(shí)，明顯抑制甲藻的生長，這與邊歸國[3-4]的研究結(jié)論一致。

2.2 水質(zhì)

本文向福建省水文水資源勘測(cè)中心和福建省九龍江北溪水資源調(diào)配中心收集了2009年1月和2月甲藻暴發(fā)期間，萬安、白沙水庫放水前和放水后的北溪干流水質(zhì)資料，詳見圖2。1月31日代表放水前九龍江北溪干流水質(zhì)情況，2月6日-10日代表放水后的水質(zhì)情況。甲藻暴發(fā)前，溪仔口至利水河段，氨氮濃度大于2.2mg/L，氨氮嚴(yán)重超標(biāo)；總磷、總氮濃度分別在大于0.2mg/L和4.2mg/L。放水后溪仔口至西陂斷面，氨氮、總磷、總氮濃度大幅下降，氨氮濃度小于0.3mg/L，大部分?jǐn)嗝婵偭住⒖偟獫舛确謩e小于0.1 mg/L和1.0mg/L。西陂以下河段及江東庫區(qū)氨氮、總磷、總氮濃度變化不大；放水前后高錳酸指數(shù)變化不明顯。總體來說，上游萬安、白沙水電站較大負(fù)荷發(fā)電放水后，溪仔口至西陂河段水質(zhì)有明顯改善。

圖2 白沙水庫放水前和放水后的北溪干流水質(zhì)

3 數(shù)模研究

研究表明，河道流速大于0.2m/s時(shí)，明顯地抑制甲藻的生長[3,4]，Mitrovic等[5]發(fā)現(xiàn)，0.31 m/s的流速可迅速緩解藍(lán)藻水華。因此，九龍江北溪藻類暴發(fā)水力調(diào)度以萬安水庫、白沙水電站發(fā)電泄放流量，增加下游河道流速的方式控制藻類水華，以0.3m/s作為控制水華臨界流速，本研究通過數(shù)模計(jì)算在水華暴發(fā)期間上游白沙水電站發(fā)電放水量。

3.1 模型設(shè)置

本研究采用MIKE 11一維水動(dòng)力學(xué)模型模擬白沙水電站不同運(yùn)行工況下的九龍江干流水動(dòng)力變化特征。

MIKE 11采用河道非恒定漸變流的圣維南(Saint-Venant)方程推求河網(wǎng)水面曲線，圣維南基本方程組包括連續(xù)方程和動(dòng)力方程：

式中,A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；t為時(shí)間，s；s為河道長度，km；q為旁側(cè)入流量，m3/s；z為水位，m；v為流速，m/s；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；

模型上邊界采用進(jìn)口斷面流量過程，下邊界采用出口斷面水位過程。九龍江MIKE11漳平段河道模型示意圖詳見圖3。

圖3 MIKE11建立河道模型示意圖

計(jì)算工況按白沙水電站運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組(發(fā)電下泄流量65m3/s)和2臺(tái)機(jī)組(發(fā)電下泄流量130m3/s)同時(shí)運(yùn)行兩種工況計(jì)算，下邊界水位為小杞壩址正常蓄水位141.5m，支流入流取P=90%最枯月流量，新橋溪為7.68m3/s，拱橋溪為0.85m3/s，溪南溪為2.2m3/s。溪仔口水電站壩型為閘壩，水華暴發(fā)期間閘門打開，華口和小杞水庫壩型均為重力壩，通過發(fā)電泄放流量。

3.2 計(jì)算結(jié)果

兩種工況計(jì)算結(jié)果分別如圖4和圖5所示。白沙水電站1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，溪仔口至華口河段流速范圍在0.049～0.984m/s，距離溪仔口壩址0～4500m范圍內(nèi)河段流速大多能達(dá)到0.3m/s，平均值0.53m/s；距離溪仔口壩址4500m以上的河段流速平均值0.12m/s。華口至小杞河段流速范圍在0.043～0.48m/s，距離華口壩址200m以內(nèi)河段流速在0.3m/s以上，距離華口壩址0～4000m河段流速值大多能達(dá)到0.2m/s，平均值0.24m/s；距離華口壩址4000m以上河段流速值降低，平均值0.09m/s。

圖4 1臺(tái)機(jī)組工況河道各斷面流速

圖5 2臺(tái)機(jī)組工況河道各斷面流速

白沙水庫2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，溪仔口至華口河段流速范圍在0.089～1.259m/s，距離溪仔口壩址0～6500m范圍內(nèi)河段流速大多能達(dá)到0.3m/s，平均值0.62m/s；距離溪仔口壩址6500m以上的河段流速平均值0.16m/s。華口至小杞河段流速范圍在0.077～0.757m/s，距離華口壩址0～5500m河段流速值大多能達(dá)到0.3m/s，平均值0.397m/s；距離華口壩址5500m以上河段流速值小于0.3m/s，平均值0.13m/s。

3.3 結(jié)論

白沙水電站1臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行時(shí)，溪仔口壩址下游4500m以內(nèi)河段及華口壩址下游200m以內(nèi)河段，共4.7km河道流速大多能達(dá)到0.3m/s；白沙水電站2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行時(shí)，溪仔口壩址下游6500m以內(nèi)河段及華口壩址下游5500m以內(nèi)河段，共12km河道流速大多能達(dá)到0.3m/s，可起到緩解藻類水華的作用。

白沙水電站2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行時(shí)流速大于0.3m/s河段長度比1臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)長了7.3km，因此，為了快速緩解藻類水華影響，建議在九龍江北溪水華期間，白沙水電站2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行。

4 藻類暴發(fā)梯級(jí)水電站水力應(yīng)急調(diào)度

九龍江北溪萬安、白沙水庫為年調(diào)節(jié)、干流已建八座梯級(jí)電站均為日調(diào)節(jié)，八座梯級(jí)電站配合上游兩座大型水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，九龍江北溪流域藻類暴發(fā)時(shí)梯級(jí)水電站應(yīng)急調(diào)度措施：

①萬安水電站三臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，下泄流量約66m3/s；白沙水電站兩臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，下放流量約130m3/s。

②對(duì)于北溪干流上的電站，華口、小杞水庫為重力壩，按照滿負(fù)荷發(fā)電放水。

③溪仔口、西陂、綿良、華安、天宮、利水水庫為閘壩，其中華安水庫有供水要求，應(yīng)在滿足供水的前提下，打開閘門放水，其它水庫閘門全部打開放水，直至水華風(fēng)險(xiǎn)得到控制。

5 結(jié)束語

九龍江北溪是湖庫型河流，水體流速減緩、河流富營養(yǎng)化加劇，造成藻類水華暴發(fā)。本文分析了抑制水華暴發(fā)的臨界水文條件，以流速0.3m/s為控制，由模型計(jì)算，確定梯級(jí)水電站聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度方案，達(dá)到快速緩解水華的目的。

影響藻類生長的主要環(huán)境因子有水動(dòng)力、流量、流速、水溫、光照和營養(yǎng)鹽濃度，但水溫、光照、營養(yǎng)鹽元素如總磷和總氮濃度短期內(nèi)均無法或較難人為改變，因此通過梯級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度，改善水動(dòng)力條件，增加下游河道流速，創(chuàng)造不利于藻類生長的水動(dòng)力環(huán)境，抑制藻類生長，在應(yīng)對(duì)水華突發(fā)事件方面將發(fā)揮積極作用，可以推廣應(yīng)用到其它同類復(fù)雜流域應(yīng)急調(diào)度中。