桃山水库水动力和水质模拟研究

张 怡，盛连喜，田竹君，张 琪

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林长春 130024；2.松辽流域水环境科学研究所，吉林长春 130021）

桃山水库水动力和水质模拟研究

张 怡1，盛连喜1，田竹君2，张 琪2

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林长春 130024；2.松辽流域水环境科学研究所，吉林长春 130021）

Delft－3D模型可以很好地模拟水域的水动力和一系列物理化学生物过程所造成的水质变化，运用该模型对黑龙江省的重要水源地——桃山水库的水动力和水质情况进行了模拟.结果表明：桃山水库水流流速较小，一般为10－3m／s数量级，局部地方会出现回流环流现象.出现突发污染事故时，水库自上游至下游的空间分布上，溶解氧（DO）质量浓度由1.00 mg／L升高至7.30 mg／L，氨氮（NH3—N）质量浓度由0.20 mg／L降低至0.11 mg／L.时间分布上，自2010年5月模拟之日起4个月后，坝址处DO和氨氮质量浓度分别为7.50 mg／L和0.12 mg／L，达到了水源地供水水质标准.

Delft－3D；水动力；水质模拟

Delft－3D模型是由荷兰水力研究院开发设计的可视水动力－水质联合模拟软件系统，可全面仿真水域的三维或二维循环水流水质情况，具有很高的精准性［1－3］.

桃山水库位于黑龙江省七台河市桃山区，于1990年8月建成，控制流域面积2 043 km2，是三江平原综合治理规划推荐的第一期骨干工程，是一座以防洪、城市供水为主，兼顾农田灌溉、水产养殖等综合功能于一体的大型水库（见图1）.自建成投入运行后，在促进当地经济发展以及保障城市生活用水等方面都发挥了重要的作用［4］.本文运用Delft－3D模型，对桃山水库的水动力和水质情况进行了模拟和预测，以期为湖底型水源地的控制和管理提供合理的科学依据.

图1 桃山水库地理位置图

1 桃山水库水动力模拟

1.1 控制方程

根据模拟的目的，假设水体为不可压缩流体，并忽略温度变化对流场的影响，运用基于Navier－Stokes方程的浅水流方程式［5－6］，建立二维水动力学模型.

1.1.1 连续方程

式中：Q为单位时间内单位面积上由于排水、引水、蒸发或降雨等引起的水量变化（m／s）；u，v分别表示ξ，η方向上的速度分量（m／s）；qin，qout为单位时间内单位面积上的流入和流出量（1／s）；P为降雨量（m／s）；E为蒸发量（m／s）；G为曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数.

1.1.2 动量方程

水平ξ方向上：

式中：ζ为参照水空间（z＝0）以上的水位（m）；fu，fv为柯氏力系数（1／s）；P为静水压力梯度（kg／（m3·s2））；F为紊动动量通量（m／s2）；M为动量源或汇（m／s2）.

1.2 模型定解条件

采用2000年3月1日的水位（175.8 m）作为水库初始时刻水位.底部粗糙系数n根据《松花江流域防洪规划》给出的糙率值，取n＝0.02.水平涡动黏性系数取经验值ν＝1 m2／s.

1.3 研究区域的网格划分和水深计算

研究区域的网格在Delft－3D模型的Regrid模块中生成，采用正交曲线网格对桃山水库进行剖分，网格步长控制在50～75 m之间，并在边界拐角处进行适当加密，以提高计算精度.共计生成了7 938个网格，如图2所示.与一般矩形网格相比，曲线网格可以更好地贴近边界，模拟边界处的流态，减小边界地形对模拟造成的影响.考虑到模拟时间跨度比较大，取时间步长△t＝10 min.根据已有的水深资料在Quicken菜单下编辑网格节点上的水深，然后利用三角插值得到所有网格节点的水深，生成水深文件.

1.4 模型验证

模拟2003年3月至2004年3月的水位变化，并与该时段的实测水位资料进行比较，验证模型的合理性.由图3可知模拟水位与实际水位基本一致，因此模型合理，符合桃山水库的实际情况.

图2 桃山水库网格划分图

图3 2003年3月至2004年3月桃山水库水位模拟结果

1.5 模拟结果分析

对模型进行求解，可以得到不同时刻水库的等水位线图、流速矢量图.由图4可知，水库上下游水位差较小，基本趋近于零.

由图5、图6可知，水库水流流速较小，尤其是一些死角区域，一般在10－3m／s数量级左右，只有在入河口及较狭窄的断面，水流流速逐渐变大.水库局部会出现回流和环流现象，这可能是由于水流在惯性的作用下运动，并受到地形和风的影响，因此在转角处形成环流.

图4 2000年5月10日等水位线图

图5 2000年8月30日水库流速矢量图图6 2000年8月30日倭肯河入口处流速矢量图

2 桃山水库水质模拟

2.1 控制方程

污染物对流扩散输移方程为：

式中，C为污染物浓度（kg／m3）；u，v分别表示ξ，η方向上的速度分量（m／s）；D x，D y为水平扩散系数（m／s2）；S为源汇项，表示污染物的吸附、降解或沉降（kg／（m3·s））.

2.2 水质模型的建立和水质指标的选取

2.2.1 水质模型的建立

确定模型的起止时间，时间步长取△t＝10 min.初始时刻t＝0时，C（x，y，t）＝C0（x，y）.式中，C0（x，y）为实测浓度.由此建立水质模型，对桃山水库水质进行模拟.

2.2.2 水质指标的选取

近年来，随着工农业的发展，桃山水库的水体富营养化现象越来越严重［7］.因此，研究者选取溶解氧和氨氮两个比较有代表性的水质指标进行数值模拟.并通过模型验证，确定氨氮降解系数为0.15 d－1，复氧系数为0.26 d－1，扩散系数为0.022 m2／s.

2.3 模型验证

首先对模型进行验证，模拟2003年8月至12月桃山水库水质变化，并与该时段实测水质资料进行比较.由图7和图8可知模拟浓度与实际监测浓度基本一致.

图7 2003年DO浓度变化曲线

图8 2003年氨氮浓度变化曲线

进一步模拟2000年5月至9月的水质变化，可以得到水库中任意点溶解氧（DO）和氨氮质量浓度随时间变化曲线，以及不同时刻浓度等值线分布图.由图9和图10可见，坝址处水体中的溶解氧在大气复氧等过程的作用下，可由4.80 mg／L逐渐升高至7.30 mg／L左右.氨氮在硝化作用等一系列物理化学生物过程的作用下，可由1.40 mg／L逐渐降低至0.06 mg／L左右.图11和图12分别为2000年9月25日正午的溶解氧和氨氮浓度分布等值线图.从水库自上游到下游的空间分布来看，溶解氧质量浓度由2.00 mg／L明显升高至7.50 mg／L，氨氮质量浓度由0.10 mg／L逐渐降低至0.06 mg／L，充分体现了由于上游倭肯河水质较差，河水流入水库后影响了水库入水口处的水质，之后通过混合作用水质逐渐恢复至水库本底值这一过程，因此模型合理，符合桃山水库实际情况，可以用于预测各种条件下的水质变化.

2.4 水库水质预测

运用上述经过精度检验的水质模型，对桃山水库的水质进行预测.

图9 2000年坝址处DO浓度变化曲线

图10 2000年坝址处氨氮浓度变化曲线

图11 2000年9月15日DO分布等值线图

图12 2000年9月15日氨氮分布等值线图

假定在2010年5月25日，由于经济的发展，倭肯河上游工厂增加1倍，污染物排放量增加，致使倭肯河水质严重恶化，溶解氧浓度降低为原来的1／2，氨氮浓度增加1倍，其他水库入口水质保持不变.并假设5月25日以前水库的水文条件、上游河流入库流量、水库水位、溶解氧、氨氮浓度值与2000年相同.

在水库自上游至下游的空间分布上，由图13和图14的溶解氧和氨氮质量浓度分布等值线图可知，预测的浓度变化趋势与2000年一致，溶解氧浓度由1.00 mg／L逐渐升高至7.30 mg／L，氨氮浓度由0.20 mg／L逐渐降低至0.11 mg／L.时间分布上，自2010年5月模拟之日起4个月后，即9月15日时坝址处溶解氧和氨氮浓度分别为7.50 mg／L和0.12 mg／L，满足生活用水供水标准.

图13 2010年9月15日DO分布等值线图

图14 2010年9月15日氨氮分布等值线图

3 结论

运用Delft－3D模型对黑龙江省重要水源地——桃山水库进行了水动力和水质模拟，结果表明：

（1）水动力模拟方面，模拟结果较好地呈现了桃山水库的水位、水流流速分布和局部的回流环流现象.其中水流流速较小，一般在10－3m／s数量级左右，小流速将导致水库水循环周期长，湖泊新陈代谢缓慢.

（2）水质模拟方面，在证明该水质模型具有适用性的基础上，对假设突发污染事故下水体中溶解氧和氨氮的浓度变化进行了预测.结果显示，水库自上游至下游的空间分布上，溶解氧浓度由1.00 mg／L逐渐升高至7.30 mg／L，氨氮浓度由0.20 mg／L逐渐降低至0.11 mg／L.时间分布上，自2010年5月模拟之日起4个月后，即9月15日时坝址处溶解氧和氨氮浓度分别为7.50 mg／L和0.12 mg／L，达到水源地供水标准.水库管理者可以根据上述水质预测，在突发严重的污染事故时，对水库调水时间以及调水量进行适当控制管理，以尽快满足供水需要.

［1］彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等.水环境数学模型及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2007：8－18.

［2］潘晓东，唐健生，田竹君.花道泡水质模拟预测研究［J］.安徽农业科学，2009，37（21）：104－108.

［3］胡维平，秦伯强，濮培民.太湖水动力学三维数值试验研究［J］.湖泊科学，2002，12（04）：335－342.

［4］松辽流域水资源保护局，吉林大学环境与资源学院.水生态保护管理技术引进及在松花江流域的应用技术报告［R］.2008（11）.

［5］陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，1988.

［6］陈莉.三维矢量场可视化的基础算法研究［D］.浙江大学，1996.

［7］李春杨，纪伟，韩文志.桃山水库水污染状况及其治理对策［J］.黑龙江水利科技，2009，37（3）：165－167.

Research on the numerical simulations of hydrodynamics and water quality in Taoshan reservoir

ZHANG Yi1，SHENG Lian－xi1，TIAN Zhu－jun2，ZHANG Qi2

（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Songliao Basin Institute of Water Environmental Science，Changchun 130021，China）

Delft－3D model can simulate the hydrodynamics and changes of water quality by which some physical chemical and biological process very well，used this model to simulated changes of hydrodynamics and water quality of Taoshan reservoir which is significant water head site of Heilongjiang province.The results shows that the water velocity of reservoir is low，in general its order of magnitude is 10－3m2／s，and circumfluence was caused at some areas.When the emergence of emergency polluted accidents were assumed，DO is from 1.00 mg／L increase to 7.30 mg／L，ammonia－N is from 0.20 mg／L decrease to 0.11 mg／L，from upstream to downstream of reservoir.In temporal distribution，after four months from May 2010，the concentration of DO and ammonia－N are 7.50 mg／L and 0.12 mg／L，respectively.They both are up to scratch of water head site.

Delft－3D；hydrodynamics；simulation of water quality

P 343.3

170·5520

A

1000－1832（2011）04－0141－06

2011－08－23

国家引进国际先进农业科学技术（948）项目（2000105）.

张怡（1988—），女，硕士研究生；通讯作者：田竹君（1962—），男，硕士，教授级高级工程师，主要从事水生态学研究.

方 林）