基于不同運用情景的碧流河水庫水質模擬研究

李 義

(遼寧省營口市老邊區水利事務中心，遼寧 營口 115000)

1 工程背景

碧流河水庫位于遼寧省境內碧流河的干流上，水庫壩址距離下游入海口約55 km。干流全長156 km，流域面積2814 km2。碧流河水庫壩址以上控制流域面積2085 km2，占全流域面積的74.1%。水庫壩址以上多年平均徑流量6.6億m3[1]。水庫設計庫容為9.34億m3，是一座以城市供水和防洪為主，兼有發電、灌溉和養魚等綜合功能的多年調節型大(2)型水利樞紐工程。在引碧三期工程建成之后，水庫多年平均供水量可達4.03億m3，為區域工農業供水提供了重要保障[2]。

為了解決遼寧省中部地區的嚴重缺水問題，實現區域水資源的優化配置，遼寧省設計建設了大伙房輸水工程，其中，大伙房水庫應急入連工程起于大伙房水庫，碧流河水庫作為受水水庫，規劃年引水量為3.0億m3，這必然會給碧流河水庫的調度造成顯著影響。另一方面，作為大連市的重要水源地水庫，其水質狀況會對供水質量造成顯著影響。基于此，此次研究利用水質-水量耦合模型，展開不同運用情景的碧流河水庫水質模擬研究，為水庫的調度管理提供必要的參考和借鑒。

2 研究方法

2.1 MIKE21水動力模型

水動力模塊是MIKE21模型的核心模塊，可以用于各種影響因素下流場變化過程的模擬，是波浪、水質以及泥沙粒子追蹤等相關模塊的模擬基礎[3]。根據碧流河水庫的研究區域范圍，以及周邊的地形和邊界變化情況，確定具體的計算區域邊界。將邊界數據根據經緯度數據轉化為通用投影坐標，然后，輸入MIKE21模型，獲得模型的模擬區域[4]。對模擬區域利用三角形網格剖分，將整個計算區域劃分為18 853個網格單元，9867個節點。

將庫區高程原始數據中不符合實際情況的數據進行處理，然后，將其轉化為通用投影坐標連同庫區的水深數據一起輸入計算模型，并以網格剖分結果為依據進行插值處理，最終獲取碧流河水庫的地形圖[5]。

根據碧流河水庫的主要入庫河流情況，選取碧流河、蛤蜊河等5條主要入庫河流以及大伙房水庫應急入連工程入庫口作為模型的流量邊界，將碧流河水庫大壩部位定義為水位邊界，根據各入庫河流的逐日入庫流量數據構建入庫流量的實踐序列，根據大壩的壩前水位數據建立水位實踐序列。

此次水動力模擬選取2020年1—12月作為模擬時段，總時間步長為365 d，主時間步長為1 d，也就是86 400s。

2.2 MIKE21水質模型

MIKE21模型的水質模塊主要包括對流擴散模塊以及ECO Lab模塊。其中，對流擴散模塊主要用于解決比較簡單的水質問題，ECO Lab模塊主要用于解決復雜的水質變化問題[6]。因此，此次研究選擇ECO Lab模塊進行模擬，并實現與水動力模塊的耦合。由于碧流河水庫水域面積廣闊，單一的污染物并不能準確反映水庫的水質情況[7]。結合歷年水質數據和篩選分析，選擇葉綠素α、氨氮和總磷三種主要污染物作為模型的污染物指標。

水體中的污染物會隨著水力流場的運動而發生擴散，并用擴散系數表示其擴散的快慢程度，其大小一般僅受到流場的影響[8]。結合碧流河水庫的實際情況和相關文獻數據，確定碧流河水庫的擴散系數的初步范圍并進行率定，最終確定擴散系數為0.15 m2/s。

降解系數主要反映了水體的納污和自凈能力，結合碧流河水庫的實際情況和相關文獻數據，確定碧流河水庫的降解系數的初步范圍并進行率定，最終確定氨氮和總磷的降解系數分別為0.0106/d和0.0031/d。

水質模擬模型的初始條件為水庫的污染物初始濃度，為減少模擬結果對初始條件的依賴，研究中選擇之前的模擬結果作為初始條件。模擬過程以水動力模擬為基礎，時間步長等參數值相同。

2.3 模擬方案

根據構建的水動力-水質耦合模型，重點探討和分析碧流河水庫在不同運行模式下的水質變化過程，旨在為改善碧流河水庫的水質以及為水庫的運行管理提供參考和建議。由于碧流河水庫承擔著向大連市供水的重任，因此，其下游的生態水量近年來虧缺比較明顯，大伙房水庫應急入連工程對緩解這一矛盾具有重要意義。在這一背景下，研究中設置新的調水和生態流量下泄控制情景，設計出如下4種計算情景方案：

情景1：初始情景，也就是原入庫+原下泄方案；

情景2：不進行跨流域調水。保持原有水庫的調度條件，僅考慮滿足下游最小生態需水流量限制；

情景3：進行跨流域調水，從大伙房水庫引水3.0億m3，同時按照原有的下泄方式排放流量；

情景4：進行跨流域調水，從大伙房水庫引水3.0億m3，同時滿足下游最小生態需水量進行下泄流量限制。

3 計算結果與分析

3.1 葉綠素α

由于碧流河水庫比較狹長且匯水水源主要位于上游，因此，水庫水質在空間分布方面存在顯著的不均勻特征，這就造成調水和生態下泄過程中水庫上游、中游和下游的水質改善效果并不一致。基于此，此次研究中利用構建的模型對水庫上游、中游和下游庫區的葉綠素α空間分布特征進行計算，獲得不同庫區的葉綠素α峰值和均值，結果如表1所示。由表1可以看出，與情景1相比，情景2和情景3下水庫的上游和中游葉綠素α峰值和均值均呈現出明顯的增大趨勢，情景4則呈現出明顯的減小趨勢。水庫下游僅情景2呈現出明顯的上升趨勢，而情景3和情景4均呈現出明顯的下降趨勢。

3.2 氨氮

利用構建的模型對水庫上游、中游和下游庫區的氨氮空間分布特征進行計算，獲得不同庫區的氨氮峰值和均值，結果如表2所示。由表2可以看出，相對于情景1，在情景2、情景3和情景4工況下水庫的上游和中游氨氮的峰值和均值都有呈現增大的變化趨勢，尤其是情景3的增加幅度明顯偏大。在水庫的下游，僅情景3的峰值呈現出顯著的增大特點，其余情景均呈現出減小的變化趨勢。由此可見，在進行跨流域調水過程中，氨氮呈現出顯著的增大的變化特征，而同時考慮生態下泄的情況下，可以對氨氮峰值和均值呈現出一定的控制效果。

表2 不同應用情景氨氮峰值與均值計算結果

3.3 總磷

利用構建的模型對水庫上游、中游和下游庫區的總磷空間分布特征進行計算，獲得不同庫區的總磷峰值和均值，結果如表3所示。由表3可以看出，相對于情景1，在情景2、情景3和情景4工況下水庫的上游、中游和下游的總磷峰值均呈現出增加的特點，情景3的總磷均值呈現出增加的特點，而情景2和情景4中游和下游的總磷均值呈現出減小的變化趨勢。

表3 不同應用情景總磷峰值與均值計算結果

4 結 語

碧流河水庫是大連市的重要供水水源地，對其進行水質監測和研究具有重要的理論價值、經濟價值、社會價值和生態價值。此次研究通過構建碧流河水庫的水動力-水質模型，模擬計算了主要水質指標在水庫不同應用情景下的空間變化特征，對水庫的運行管理具有一定的支持作用，對相關類似研究也具有借鑒意義。當然，此次研究也存在不足之處，主要是由于收集的資料有限，泥沙和垂向水質等數據缺乏，因此，沒有展開泥沙沉積對氮磷等污染物分布的影響。在今后的工作中，需要納入這方面的研究，以便獲得更切合水庫實際的研究結果。