不同水閘調(diào)控方式對下游富營養(yǎng)演變的影響研究

黃埔恒

(山東省菏澤市河湖流域管理服務中心，山東 菏澤 274000)

1 研究區(qū)概況

洙趙新河源于東明縣木莊，流經(jīng)菏澤、鄄城、鄆城、巨野、嘉祥等地，最終流入南陽湖，全長140.7 km，流域面積約為4206 km2，流域面積超過100 km2的支流主要包括鄆巨河、鄄鄆河、洙水河等10條，全河防洪水位為39.69～55.79 m，防洪流量775～796 m3/s ，入湖口防洪流量為1220 m3/s。洙趙新河是受污染比較嚴重的河流之一，主要污染源為工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水和生活污水，同時也與流域內(nèi)修建的眾多水閘水利工程有關，水閘工程雖然能夠防治水害災害，但也改變了天然徑流過程，給流域生態(tài)環(huán)境帶來較大影響，尤其是水閘上下游的富營養(yǎng)現(xiàn)象尤為嚴重。

2 富營養(yǎng)化模型構(gòu)建

2.1 研究對象及數(shù)據(jù)

k閘為洙趙新河上的第一大閘，包含18孔淺孔閘和5孔深孔閘，單個淺孔閘的凈寬為6 m，高度7 m，位于河流右岸，單個深孔閘的寬度為10 m，高度11 m，位于河流中部，船閘位于河流左岸，寬度為12 m，深孔閘和船閘始終處于關閉狀態(tài)。以該閘上下游2.3 km范圍為閘控流域研究對象，在模擬之前，共對水閘上下游開展了4次調(diào)度實驗，并將實驗數(shù)據(jù)作為模擬的初始數(shù)據(jù)，實驗過程中共對上下游5個斷面處的水質(zhì)進行了監(jiān)測，主要對溶解相、懸浮相以及底泥相等共計12個指標進行了監(jiān)測。水閘布置及監(jiān)測斷面示意見圖1。

圖1 水閘布置及監(jiān)測斷面示意圖

2.2 富營養(yǎng)化模型建立

首先，將模型底圖導入MIKE 21 中，利用MIKE 21自帶的工具來繪制模型的計算邊界[1-3]，并劃分陸地邊界、上游邊界和下游邊界；然后，將水閘上下游的地形數(shù)據(jù)導入模型中，上中游地區(qū)采用三角形網(wǎng)格劃分方式對模型進行劃分，網(wǎng)格面積為50～250 m2，在水閘處進行了局部加密，在下游地區(qū)采用四邊形進行網(wǎng)格劃分，橫向和縱向的最大長度分別為10 m和20 m，整個模型包含6480個網(wǎng)格和4200個節(jié)點；最后，對網(wǎng)格劃分后的模型進行地形插值操作，同時確保每個網(wǎng)格都有對應的地形數(shù)據(jù)，插值完成后導出mesh文件。如圖2。

圖2 富營養(yǎng)化模型構(gòu)建結(jié)果

2.3 模型邊界和參數(shù)設置

模型的水質(zhì)初始邊界以前4次現(xiàn)場實驗實測數(shù)據(jù)為基礎，具體情況見表1。模型模擬時間跨度為65 h，分650步，每一步的主時間步長為6 min；模型CFL設置為0.8，最小和最大時間步長分別設置為0.01s和360.00s；干水深設置為0.005 m，淹沒水深設置為0.050 m，濕水深設置為0.100 m；溶解相和懸浮相指標的擴散系數(shù)均設置為0.3 m2/s。

表1 水質(zhì)初始邊界值 mg·L-1

2.4 閘門調(diào)控方式確定

由于深孔閘和船閘長期處于關閉狀態(tài)，因此，僅對不同淺孔閘啟閉狀態(tài)下的情景進行模擬分析，考慮淺孔閘的啟閉數(shù)量和閘門的開啟高度，分為以下13種情景：淺孔閘全開，閘門開啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘集中開啟10孔，閘門開啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘只集中開啟5孔，閘門開啟高度仍然為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，最后一種為無閘門開啟情景。

以閘后Ⅶ斷面的水位、流量和流速模擬結(jié)果為例，利用構(gòu)建好的富營養(yǎng)化模型對下游的水動力指標進行模擬，結(jié)果見表2。通過模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實測結(jié)果的誤差控制在5%以內(nèi)，表明構(gòu)建的富營養(yǎng)化模型是合理的，模擬結(jié)果是準確可靠的。

表2 水質(zhì)初始邊界值

3 模擬結(jié)果分析

3.1 評價指標

為了表征不同水閘調(diào)控方式對水質(zhì)的影響，引入貢獻率指標來對采取水閘調(diào)控后和常規(guī)河道水質(zhì)濃度的差異程度進行量化，如式(1)所示[1-2]。

(1)

式中：θ為指標貢獻率，%；p1為水閘調(diào)控下的某水質(zhì)指標濃度，mg/L；p0為沒有水閘調(diào)控時的對應指標濃度，mg/L。

當θ>0時，表示水閘調(diào)控使水質(zhì)指標濃度增加，當θ<0時，表示水閘調(diào)控使水質(zhì)指標濃度減小。

3.2 溶解相指標分析

以閘后Ⅶ斷面為例，不同水閘調(diào)控方式下溶解相指標貢獻率對比見圖3。從圖3中可知：水閘調(diào)控對DO、溶解相COD、溶解相TP、溶解相ON和硝酸鹽氮的貢獻率均為負數(shù)，而對氨氮的貢獻率為正，對于溶解相COD的貢獻率最大，其次為溶解相ON和硝酸鹽氮，接著依次為DO、氨氮和溶解相TP，當采用5孔10 cm開度進行水閘調(diào)控時，對閘后Ⅶ斷面處的水質(zhì)指標減少貢獻率最大，分別可以達到-54.3%、-22.8%、-4.0%、-30.5%和-24.2%；相同閘門開啟數(shù)量下，增大閘門開啟高度，會降低閘門調(diào)控的效果，導致貢獻率減小，這主要是因為增加閘門泄流量后，會將上游的污染物帶到下游，導致下游的水體污染物含量升高，故而貢獻率減小；相同閘門開啟高度下，減小閘門的開啟數(shù)量，貢獻率反而會降低，這也是因為增加了泄流量導致下游污染物增加所引起。

圖3 水閘調(diào)控方式下溶解相指標貢獻率對比

3.3 懸浮相指標分析

不同水閘調(diào)控方式下懸浮相指標貢獻率對比見圖4。從圖中可知：水閘調(diào)控方式對懸浮相水質(zhì)的貢獻率有正有負，對懸浮相TP的貢獻率大于對懸浮相ON和懸浮相COD，水閘開啟數(shù)量越少、開啟高度越低，下游的水質(zhì)越好，這是因為當增大下泄流量時，對于下游的底泥具有更大的擾動作用，導致底泥的再懸浮作用增強，從而降低下游的水質(zhì)；同理，當采取5孔10 cm開度進行水閘調(diào)控時，能達到最好的調(diào)控效果，此時，對懸浮相TP、懸浮相ON和懸浮相COD的貢獻率分別為-36.1%、-17.4%和-16.4%。

圖4 不同水閘調(diào)控方式下懸浮相指標貢獻率對比

3.4 底泥相指標分析

不同水閘調(diào)控方式下底泥相指標貢獻率對比見圖5。從圖5中可知：水閘調(diào)控對于底泥相的貢獻亦是有正有負，但總體上對于底泥相的貢獻為正，且貢獻率絕對值遠大于溶解相和懸浮相，最大可達到300%，這說明采取水閘調(diào)控后，下游底泥的污染物會增加，尤其在閘孔數(shù)量和開度較小情況下，貢獻率尤為明顯，這主要是因為下游底泥污染物含量與河道的水流流速有關，當水流流速大于再懸浮的臨界流速時，底泥相的污染物含量在再懸浮作用下降低，當水流流速小于再懸浮的臨界流速時，底泥相的污染物會沉積在河底。當采取5孔10 cm開度時，對底泥相TP和底泥相COD的貢獻率最大，當采取10孔30 cm開度時，對底泥相ON的貢獻率最大。

圖5 不同水閘調(diào)控方式下底泥相指標貢獻率對比

4 結(jié) 論

水閘調(diào)控方式對于下游底泥相的影響遠大于溶解相和懸浮相的影響，當閘孔開始數(shù)量和開度較小時，對于下游水質(zhì)的調(diào)控作用最為明顯，大量溶解相污染物和懸浮相污染物會沉積在底泥中，導致底泥中污染物含量大大增加，因此單純采取調(diào)控下泄流量方式對于下游富營養(yǎng)是不利的，建議在今后采取水閘調(diào)控+污染物削減方式對下游富營養(yǎng)進行聯(lián)合調(diào)控。