闽江下游河床演变水质影响数值模拟

戴枫勇，程永隆，洪小筠

（福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001）

1 概况

闽江是福建省最大的河流，发源于闽、浙、赣三省交界的武夷山脉，从发源地至长门河口长541 km，流域总面积60 992 km2。上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近汇合后主流称闽江干流，南平以上称为上游，南平至水口（大坝）已形成库区称闽江中游，水口坝址以下称下游，从该坝址至闽江口河长约117 km。

闽江下游主河道流经闽清、闽侯、福州市区、长乐和连江。根据两岸地形与河道形态，下游可大致分为4段：水口～竹岐、竹岐～南北港分流口、南北港分流口～白岩潭（南、北港）、白岩潭～长门。

闽江下游是福州市所在地，亦是海峡西岸沿海一带重要的水源地。根据近年来闽江下游的污染源调查，排入闽江北港福州段河道的工业、生活污废水占全市污废水总量的75%以上，且随着福州城市规模不断扩大、城市的东扩南移，排入闽江南港河道的废污水量也在增加。另一方面，由于闽江水口水库与上游的各支流上的大中型梯级电站水库的建库拦砂，以及闽江下游河道河砂资源的开采，导致闽江下游河床及枯水水位不断下切，潮流界、潮区界逐年向上游延伸。受潮流影响，河口段水体的交换时间变长，水体中污染物的长时间滞留回荡严重威胁到闽江下游水源地的水质安全。

2 模型建立

2.1 控制方程

采用平面二维水动力方程组计算水动力场，守恒形式平面二维浅水方程如下式所示：

水质模型采用守恒形式的二维对流扩散方程：

式中：Ci为第 i种物质浓度；Dx，Dy分别为 x，y 方向浓度扩散系数；ki为第i种物质一阶降解系数；Si为第i种物质源强。

应用有限体积法（FVM）进行积分离散并利用通量的坐标旋转不变性把二维问题转化成一系列局部的一维问题进行求解，采用全变差缩小格式（TVD）计算各跨单元边的水量、动量与通量。

2.2 计算区域网格布置

数学模型的计算范围为水口坝址至闽江口的闽江下游河道及其支流大樟溪，其余各支流对闽江总水量的贡献不大，故可在保证输水能力和调蓄能力与实际河道基本一致的基础上对主河道进行合理概化。

无结构网格的优点之一是可对任意区域进行网格加密，在实际计算中对岸边进行适当网格加密处理。模型的计算时间步长为4 s，共生成网格49 126个，网格大小介于500 m2与20 000 m2之间。

2.3 地形资料

模型的水下高程根据2009年实测水下地形图确定。

2.4 边界条件

上边界以实测水口电站逐时发电下泄流量为边界条件：Q=Q（t）。下边界以头站与琅岐大桥实测逐时水位过程作为边界条件：Z=Z（t）。支流边界以大樟流永泰站实测流量为边界条件：Q=Q（t）。

3 模型验证

模型采用2008年12月15日6：00—18：00各水文站及测流断面的观测结果进行验证。模型计算结果的水位、流量相位均与实测值基本吻合，断面潮量偏差小于10%，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》，可见该二维水动力模型可以较好地适用于闽江下游河段的水动力模拟。

4 河床演变对水质的影响

4.1 计算条件

在月球和太阳的共同作用下，海洋潮汐很有规律性。当太阳、月球和地球差不多在同一条直线上，月球与太阳的引潮力几乎作用于同一个方向，两者的合力最大，海水受到的引潮力最大，太阳潮和太阴潮相加形成大潮，此时，潮流界上溯距离最远，污染物质对上游水源地的影响也最大。另根据实测结果表明，闽江下游主要超标污染物为氨氮，故本文采用水口坝址～闽江口二维水动力、水质数学模型研究2003年地形条件典型日（工况一）、2009年地形条件典型日（工况二）两种不同地形条件下闽江下游河段的水质（以氨氮为例）变化情况与规律。

4.1.1 地形资料

计算区的2003年、2009年地形根据2003年及2009年实测水下地形图确定。

4.1.2 边界条件

1）水动力模型。计算中，上边界给定水口电站发电下泄流量308 m3/s，下边界给定典型枯水期大潮日（2008年12月15日头及琅岐大桥水位随时间的变化值，入流边界大樟溪给定入流量20 m3/s。

2）水质模型。参照2009年两次水质分析结果，上边界水口坝址断面及支流边界大樟溪污染物输入过程为氨氮浓度定为0.15 mg/L；下边界琅岐大桥及头断面污染物输入过程为氨氮浓度定为0.3 mg/L。

闽江下游排污口概化为14个，将其氨氮浓度过程作为输入边界条件，主要污染源均采用2007年全潮12 h逐时实测流量、浓度资料。水质数值模型参数引用《闽江感潮河道河床演变对水质影响研究》研究成果。

4.2 计算结果分析

随着南港河床下切，南北港分流比不断加大，北港水体交换时间增长，污染物在北港内不断回荡，不易向下游排放，故闽江北港水体水质呈恶化趋势，污染带上溯距离不断增大。2003年地形条件下，北港涨憩时氨氮劣Ⅲ类污染带可上溯至马尾水厂取水口断面上游15.8 km；2009年地形条件下，劣Ⅲ类污染带最远可上移至马尾水厂取水口断面上游22.1 km，污染程度大大加深。两种计算条件下，西区、北区水厂取水口水质均受径流稀释作用及潮流回溯作用影响，落潮时污染物浓度减小，涨潮时浓度增大，且随着北港地形下切，径流分配水量的减少与潮流回溯作用的加强，该取水口氨氮浓度不断增高，水质变差，对水质的影响程度加大。

由于南港污染负荷量远小于北港水体，故在模拟计算中，除淘江排污口附近的南港水质均可达到Ⅲ类。南港水体水质主要受两个作用影响：南港上游来水的稀释作用及南北港汇合口以下污染物的涨潮回溯作用。当稀释作用起主要作用时，水质就会好转，当回溯作用起主要作用时，水质就会恶化。由于南港河底地形不断降低，使得南港上游来水量增多，稀释作用加强，与此同时，北港水动力减弱使得北港污染物不易排放至南北港汇合口下游，涨潮回溯南港污染物量也有所减少。故随着地形下切，南港水质有所好转。

5 结语

1）本次研究在实测河道地形图与水动力、水质资料基础上建立起闽江下游水口坝址～闽江口二维水动力、水质数学模型，并采用有限体积法进行数值计算。利用实测水位、流量资料对模型进行验证，结果显示模型物理参数和计算参数基本合理，计算方法可靠，可用于闽江下游水动力的模拟计算。

2）由数学模型计算结果可知：随着南港河床下切，南北港分流比不断加大，北港水体交换时间增长，污染物在北港内不断回荡，不易向下游排放，闽江北港水体水质呈恶化趋势，并影响西区、北区水厂取水口水质；随着南港河底地形不断降低，南港上游来水量增多，稀释作用加强，与此同时，北港水动力减弱使得北港污染物不易排放至南北港汇合口下游，涨潮回溯南港污染物量也有所减少，故随着河道地形下切，南港水质有所好转。因此，从闽江下游水资源及水源地保护角度来看，应采取有效的立法及行政手段遏止下游河道大规模采砂，保证福州北港饮用水源地的用水安全。

[1]福建省水利水电勘测设计研究院.闽江感潮河道河床演变对水质影响研究[R].2007.