平原河道型水库水环境承载力计算及分析

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1 项目概述

水环境承载力能够反映污染物在环境中的迁移、转化和积存规律，也能反映水环境在满足特定功能条件下对污染物的承受能力；它是水污染总量控制的一个重要参数，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关。不同类型的水体如河流、湖泊和水库，其水环境承载力的计算方法也不尽相同。

随着我国社会经济的发展，为了满足不断增长的用水需求，沿海地区入海河流河口多建有挡潮闸。挡潮闸不仅可以防止海水咸潮上溯并入侵河流，提高上游河道防洪行洪的能力，而且还可以拦蓄淡水资源，形成河道型水库。河道型水库具有河流与水库的双重特征，其库长都大于水深和水面宽度；在枯水期，由于河道上游来水较少，水库处于高水位运行，因此会呈现出水库和湖泊的特征；在洪水期，因防洪需要，水库以低水位运行，来水量基本等于泄流量，此时呈现为河道的特性。

以东部沿海新沭河太平庄闸至三洋港挡潮闸段河道型水库水体为例，在充分考虑所研究区域水体基本特征的前提下，采用非均匀分布系数的水环境承载力计算方法开展数学计算。首先建立河道型水库二维非稳态水动力水质耦合模型，动态模拟水体水流的水质时空变化过程，分别求取库区逐月非均匀分布系数，并运用修正后的承载力计算公式求得库区水环境承载力。

2 计算方法

2.1 研究区域

新沭河是沭河的重要支流，从山东临沭县大官庄至连云区临洪口入海处，全长78 km。新沭河河口建有三洋港闸，其上游12.68 km处建有太平庄闸，两闸不仅可以阻挡海水咸潮上溯，还可形成河道型水库，以实施联合调度。根据工程运用规划，三洋港挡潮闸在汛期开闸泄洪，非汛期关闸挡潮、蓄水；在非汛期，太平庄闸至三洋港闸之间正常蓄水位为2.5 m，蓄水量为1 200万m3。

2.2 基本计算公式

污染物质在水体中的迁移转化与河流的河道地形、水文条件等密切相关，在新沭河现状水文条件下，水体中污染源的时空分布不均匀，致使污染物质在空间分布以及迁移转化过程中会产生差异，导致污染物在水体中不能完全混合。为此，运用二维非稳态水流水质模型来求解库区非均匀分布系数，从而计算出两座闸门之间河段的水环境承载力。

鉴于太平庄闸至三洋港闸之间水体污染物质分布存在差异，因此采用了非均匀分布系数法的水环境承载力计算方法，即

(1)

3 建模及参数选取

3.1 基本控制方程

通过建立俩闸区间的二维非稳态水动力水质模型，对水库水流、污染物时空变化进行计算模拟;并根据水质监测实测结果来求解污染物的降解系数。

(1) 水动力基本方程。水体运动可用二维浅水方程来描述，其守恒形式可表达为

(2)

gh(s0x-sfx)+hfv+fFx

(3)

gh(s0y-sfy)-hfu+fFy

(4)

式中，h为水深；u,v分别表示x,y方向垂线的水平平均流速分量；g为重力加速度；sfx,sfy分别为x,y方向的摩阻底坡；s0x,s0y分别为x,y方向的河底底坡；Fx,Fy分别为x,y方向的摩擦力分量；f为科氏参数。

(2) 水质基本方程。采用二维对流-扩散方程描述污染物的迁移转化过程，其守恒形式可表达为

(5)

3.2 数值解法

可以对水动力、水质控制方程进行联合求解。可表达为

(6)

式中，q为守恒物理量；f(q),g(q)分别为x,y方向的通量；b(q)为源汇项。

基于有限体积法框架,将上述方程进行离散求解，定义矩阵F(q)=[f(q),g(q)]T,在任意形状的单元Ω上进行积分散度。经推导即得

(7)

式中，A为Ω的体积；m为单元边总数；Lj为单元第j边的长度；T(Φ)-1为坐标旋转逆变换矩阵；f(q)为法向通量，可通过求解一维黎曼初值问题中的外法向数值通量fLR得到，表达式为

(8)

q=qR(x>0,t=0)

(9)

q=qL(x

(10)

FVS(通量向量分裂)格式被用来求解二维浅水水动力水质模型方程数值通量。具体可以参考相关的研究。

3.3 率定验证

先构建俩闸间水流水质模型，模型计算区域为新沭河太平庄闸至河口三洋港挡潮闸，分别选取太平庄闸断面及三洋港挡潮闸断面作为模型计算的上、下边界。图1为实测的水质监测数据及COD浓度，展示了COD参数模型的模拟值与实测值的对比情况。可以看出，各月份的COD均处于Ⅲ水质指标，符合其执行Ⅲ水功能区划的指标，然后，对模型的各相关参数进行率定。此外，运用GAMBIT软件将该区段进行四边形单元格划分(共计6 285个单元网格)，网格平均尺寸为50 m×50 m。结果表明，模拟结果与实测值的拟合效果较好，相对误差位于9%～12%之间；纵向(y向)扩散系数为0.70 m2/s，横向(x向)扩散系数为0.06 m2/s，COD的降解系数为0.06 d-1。

图1 COD参数模型模拟值与实测值比对

GAMBIT软件旨在帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学(CFD)模型。GAMBIT通过其用户界面(GUI)来接受用户的输入。GAMBIT GUI可以简单而又直接地做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤。

4 非均匀分布系数的确定

影响水体污染物迁移扩散的因素较多，而水动力条件不可或缺。在具有相同长度的污染带条件下，水环境承载力随着水动力条件的改变而改变。运用二维非稳态水动力水质模型，对选择研究区域2011年全年的水流、水质时空变化过程进行数值模拟。通过不断调试太平庄闸来水和蔷薇河2个入库区处的污染物排放量，计算不同污染物排放量条件下库区最大排污混合带长度，并建立排污量与混合带长度的响应关系曲线。基于新沭河执行Ⅲ水环境功能区划的要求及混合区域长度、面积等的控制要求，在保证混合区域长度、面积及水质满足标准及要求的情况下进行响应关系计算。库区污染物允许排放量为U0；完全混合承载力为U1，库区非均匀分布系数计算公式为

(11)

U1=KVCs

(12)

依据模型模拟计算结果以及不同水功能区划所分成的不同水域，模拟计算出混合带的长度，并最终利用图表显示出库区洪、枯两季污染物通量U与排污混合带长度L的响应关系曲线。洪季(7月)、枯季(1月)典型的月响应关系曲线如图2所示。

图2 库区洪季、枯季典型月污染物COD通量与污染带长度响应关系

根据相关水环境承载力研究成果，取排污混合带控制系数10%进行计算，即控制允许排污混合带总长度不超过河段长度的10%；新沭河太平庄闸至三洋港挡潮闸蓄水河道长度为12.68 km，根据 上述参数，以河道长度的10%即1.27 km控制允许排污混合带的长度。根据两闸区间污染物排放量与排污混合带长度响应关系曲线及逐月水位-库容对应关系(图3)，运用公式(12)求得两闸区间水体逐月非均匀分布系数，见表1。计算结果表明，在洪季上游来水充沛，水库低水位运行，水库蓄水量降低；枯季时上游来水较少，下游太平庄闸关闭，库区水动力条件显著低于洪季，因此洪季污染物质与水体的混合程度高于枯季。

图3 库区逐月水位与库容变化趋势

表1 逐月非均匀分布系数及水环境承载力计算结果

5 计算结果

基于计算得出的库区逐月非均匀分布系数，运用公式(1)对库区水环境承载力进行计算,计算结果见表1。从表1可以看出，非汛期，水库水位维持在2.5 m左右，在农业灌溉用水较多的3～5月及10～11月，水库库容稍有下降，水环境承载力较小；汛期，新沭河承泄流域洪水，水位显著上升，水动力条件较好，水环境承载力明显变大。汛期水环境承载力较非汛期增加44%。经计算，2011年全年库区水环境承载力为5 160.52 t/a。

6 结 论

以东部沿海新沭河太平庄闸至三洋港挡潮闸段河道型水库为研究对象，建立了两座闸区间的二维非稳态水动力水质模型，并运用非均匀分布系数的水环境承载力计算方法，求取库区的水环境承载力。根据计算结果，可以得出以下结论。

(1) 河道型水库调度运行方式和地区水文情势，对库区水体水动力条件及污染物质与库区水体的混合程度的影响较大。故库区非汛期与汛期非均匀分布系数差异较大，汛期非均匀分布系数平均为0.23，枯季为0.19。

(2) 库区水环境承载力受其水位、流域水文情势影响较大；汛期维持平均水位2.54 m时，其承载力值比非汛期的2.44 m大约增加了44%，计算得出的全年水环境承载力为5 160.52 t/a。

(3) 通过对库区水环境承载力的计算研究，可为开展库区水资源配置、开发、节约及保护等工作提供水质信息支撑，具有重要的意义。