基于Delft3D模型的三峡航道环保疏浚水质数值模拟研究*

雷晓玲　袁廷　杨程　丁娟

(1.重庆市科学技术研究院　重庆 401123；　2.重庆交通大学河海学院 　重庆 400074)



基于Delft3D模型的三峡航道环保疏浚水质数值模拟研究*

雷晓玲1，2袁廷2杨程1丁娟2

(1.重庆市科学技术研究院重庆 401123；2.重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

摘要以忠县皇华城河段为例，利用Delft3D数学模型对三峡航道环保疏的水质变化进行了数值模拟。结果表明：疏浚工程的进行对河道水质环境影响比较明显，随水流方向污染物质量浓度上升速率变慢，在疏浚点污染物质量浓度上升245 mg/L，疏浚点下方4 km处污染物质量浓度上升约为20 mg/L，河段末端污染物质量浓度上升约为14 mg/L；疏浚工程结束后，河段的水体水质能够较快得到恢复，离疏浚点越近恢复得越快，疏浚结束1 d后污染物质量浓度基本已恢复到本底值，疏浚工程对水环境的影响可以较快得到恢复。

关键词Delft3D模型三峡环保疏浚数值模拟

Study on Numerical Simulation of Water Quality in Three Gorges Channel Environmental Dredging Based on Delft3D Model

LEI Xiaoling1，2YUAN Ting2YANG Cheng1DING Juan2

(1.ChongqingAcademyofScienceandTechnologyChongqing401123)

AbstractTaking the Zhongxian Huanghuacheng river reach as an example, the water quality changes in Three Gorges channel environmental dredging is simulated based on Delft3D model. The results show that the dredging project has obvious impacts on water quality, following the flow direction, the pollutant concentration rises to be slower, the pollutant concentration has increased 245 mg/L at the dredging point, about 20 mg/L 4 km away from the dredging point and about 14 mg/L at the end of the river reach respectively; after the end of dredging, the water quality of the river reach can be quickly recovered, the closer to the dredging point, the faster water quality recovered, the pollutant concentration can be mostly returned to the background value 1 day after the end of dredging and the impact of dredging project on water quality can be recovered quickly.

Key WordsDelft3D modelThree Gorgesenvironmental dredgingnumerical simulation

0引言

三峡水库运行后的泥沙与水质问题是倍受关注的两个重大而又十分复杂的问题，长期以来一直是三峡工程生态环境领域的研究热点[1]。泥沙的累积增加对航道的正常作业产生负面影响，底泥中所含的污染物也恶化水体水质。

疏浚工程可清除污染底泥，常规疏浚主要以增加水体库容维持航道深度为目的，忽略了疏浚过程中对水环境的影响。为改善环境为目标的疏浚，称为环保疏浚[2]。环保疏浚的任务是清除及处置水体中的污染沉积物即污染底泥，使用专用设备并采用水力疏浚的方法将污染底泥挖除掉，最后对挖除后的污染底泥进行安全处理[3]。

疏浚工程的展开会引起底泥污染物向水体中释放，由于疏浚工程耗资巨大，且工程环境效应的不确定性，所以需要在疏浚工程实施前，对疏浚工程可能会带来的环境效应进行深入的研究[2]。因此，本文通过Delft3D模型对三峡航道疏浚过程中及疏浚结束后的水质进行数值模拟，考察疏浚工程对水环境的影响，为三峡航道的疏浚作业提供理论依据。

1典型淤积河段的选择

自2003年6月开始，三峡水库建成并蓄水，此后水库泥沙冲淤特性发生了明显的变化。主要的泥沙累积性淤积发生在弯曲河段和宽谷河段等11个关键领域。其中，宽谷河段主要包括西陵峡上段、臭盐碛、坝前、大宁河口等4个重点沉积区，弯曲河段包括忠州三弯、凤尾坝、云阳弯道、土脑子、万州关刀碛、青岩子、兰竹坝弯道等7个重点沉积区。

忠州三弯是一个泥沙累积性淤积非常严重的一个地区，而其中的忠县皇华城河段由于其既有弯道又有左右分汊的独特地形，使其泥沙淤积现象更加严重。因此，本研究选用忠县皇华城河段作为水质模拟研究对象。

2忠县皇华城河段水质数值模拟

2.1水质模型的选择

水质模型在研究水体环境变化方面有着重要的作用，主要的作用便是用以描绘水体中污染物的分布变化规律。考虑研究对象的空间规模和污染物质在水环境中的分散情况的不同，水质模型可分为零维、一维、二维、三维水质模型。

二维水质模型认为污染物的排放在横向以及纵向上非常不均匀，处于不断变化的情况，而在水深方向上污染物是均匀的[4]。本研究主要考察疏浚开挖点逸散出的污染物随时间变化在水平面上的扩散情况，故选用二维水质模型，且忽略污染物的降解过程，认为污染物是不会发生化学生物反应的，观察其随时间在二维平面上的分布情况。

2.2水动力耦合

水质的模拟需要建立在水动力的基础上，水动力提供了河流的地形及水体流态等资料，为水质的模拟提供了可能。本研究在水质模拟前，先进行了水动力模拟。

计算模型的地形边界由实测资料给定，计算长江自独珠咀到毛家湾的长14 km的忠县皇华城河段水环境状况，河段边界如图1。由于9月是疏浚工程集中进行的时段，因而本次模拟选择的时段为9月。水动力模型共模拟了忠县皇华城河段2 d内的水动力情况，选择的时间是2014年9月1日0点到2014年9月3日0点，上下游基础资料见表1。

表1　忠县皇华城河段上下游基础资料

图1　忠县皇华城河段边界

根据以上资料进行水动力模拟，将水动力产生的通信文件进行耦合，使其可直接应用于水质模拟。水质模拟采用的水动力时间是从2014年9月2日0点到9月3日0点进行耦合，时步为10 min，聚合形式采用移除闲置的网格。

2.3水质模型参数设定

疏浚工程对水质影响最大的是COD质量浓度的增加，本研究主要模拟疏浚过程中COD的变化。

2.3.1初始条件

初始条件中需要设置水体在疏浚之前的水质情况，设置水体中CODMn的本底值为20 mg/L；边界条件中设置河段的入口与出口CODMn的值为20 mg/L；过程参数设置水体水平流速为1 m/s；数值选项中选择Delft3D提供的水质计算方法中的第10种方法；输出选项中采用质量平衡的方式进行；离差采用默认值。

2.3.2时间框架

水质模拟的时间采用2014年9月2日到9月12日10 d，这样在水质模拟中水动力会循环10次，即水动力1 d的模拟资料会在水质模拟中自动循环10次以模拟10 d的水质情况。

2.3.3排放点

排放点主要是对污染物排放点的设置，本研究是研究疏浚过程中污染物的扩散情况，因此定义疏浚点为污染物排放点。本次模拟疏浚点如图2中所示，设置该疏浚点离上游入口边界距离为400 m，设置为中心排放。通过实测资料[5]，在环保疏浚过程中该排放点排污量为1 500 m3/s，污染物质量浓度以CODMn计，其质量浓度为350 mg/L。由于1 d内疏浚施工的时间约为12 h，故本次水质模拟排放点污染物排放时间设置为12 h。

图2　污染物排放点设置

3水质数值模拟结果分析

3.1疏浚时污染物扩散情况

疏浚12 h过程中的河道水质变化情况如图3、图4。疏浚开始后，在水流作用下，污染物沿着水流方向逐渐扩散，随着时间增加污染物分布的河段越长。疏浚工程大概进行4 h后，污染物扩散到忠县皇华城河段的末端，此时忠县皇华城河段末端CODMn质量浓度为25 mg/L。到疏浚进行8 h的时候，忠县皇华城河段末端CODMn质量浓度为34 mg/L，从此时到疏浚进行12 h的过程中河道内污染物分布情况基本稳定，没有太大变化。由于本次模拟的是惰性污染物在水体中的迁移变化，因而污染物在水中主要是进行的是物理作用，化学及生物作用影响不大，可暂不考虑。污染物进入水体后，在水体中稀释扩散，并随着水流向下游流动，因此随着疏浚时间的增加，污染物分布的河段会越来越长，影响的区域越来越大。当疏浚进行到一定阶段时，污染物扩散的区域会越来越大，但是在前一部分空间区域内污染物的分布情况变化不大，这是因为在这部分空间区域内污染物的输入和输出基本平衡，因而从疏浚进行8 h到12 h的过程中忠县皇华城河道内污染物分布情况基本稳定，没有太大变化。

图3　疏浚开始前污染物质量浓度分布

图4　疏浚后污染物质量物浓度分布

沿水流方向污染物质量浓度逐渐下降，在疏浚点污染物质量浓度在240 mg/L～265 mg/L之间，集中在250 mg/L左右，沿着水流方向，污染物质量浓度逐渐下降到本底值。这是因为在疏浚点附近污染物量比较大，稀释扩散得较少，因而其质量浓度很高，但是污染物沿着水流向下游进行时，越来越得到充分的稀释扩散，其污染物的质量浓度会沿着水流方向渐渐减小。疏浚8 h后，忠县皇华城河段河道内污染物分布情况基本稳定，从疏浚点到河段4 km处，污染物质量浓度沿河流方向下降趋势明显，从250 mg/L左右下降到40 mg/L左右；4 km后污染物质量浓度下降变缓，从4 km到14 km内污染物质量浓度下降量不足10 mg/L。这是由于河道内离疏浚点不远处污染物质量浓度较高，与水体中污染物质量浓度本底值差异较大，因而在水体中迅速得到稀释扩散作用，使其污染物质量浓度有着明显的下降趋势，但污染物随着水流向下游流动，质量浓度越来越低，与污染物质量浓度本底值差距越来越小，因而其稀释扩散作用越来越不明显，于是河段内后半部分的污染物质量浓度下降变缓。

3.2疏浚结束后污染物扩散情况

疏浚结束后忠县皇华城河段的水体污染物变化情况如图5、图6，主要是模拟疏浚结束后水体的自净能力。疏浚刚结束的40 min内，疏浚点污染物质量浓度依然很高，从疏浚点开始沿河流方向污染物质量浓度逐渐降低，但是随着时间增加，疏浚点质量浓度降低。这是由于疏浚刚结束时，疏浚点依然会释放出部分污染物，因此疏浚点依然是污染源，故疏浚点污染物质量浓度依然很高，但是随着时间的增加，疏浚点逐渐趋于稳定，释放出的污染物逐渐减少，从而疏浚点污染物质量浓度逐渐降低。到疏浚结束1 h的时候，疏浚点污染物质量浓度低于其后河段的污染物质量浓度，这是因为此时疏浚点不再释放污染物，不再是污染源，由于上游来水的原因，污染物得到稀释扩散，从而质量浓度降低，又由于疏浚点最先得到上游来水的稀释作用，因而疏浚点污染物质量浓度开始低于其后河段的污染物质量浓度。

从图5、图6可以看出，当疏浚点不再释放污染物后，随着时间增加，河段内污染物质量浓度逐渐降低。通过疏浚结束1 h以及疏浚结束2 h的污染物质量浓度分布图可以看出，在疏浚点停止释放污染物的初期，主要受到上游来水稀释的影响，越靠近疏浚点，污染物质量浓度越先下降，离疏浚点距离越远，污染物质量浓度下降越迟。随着时间的继续增加，CODMn质量浓度在整个河段内得到一定的下降。由于上游来水的稀释以及下游扩散的综合影响，CODMn质量浓度在河道流向上出现不规则变化，但总体而言其质量浓度都是随时间的增加而下降的。到疏浚结束1 d时，河段内CODMn质量浓度基本已恢复到本底值，只有部分高于本底值，也控制在20.4 mg/L范围内。从疏浚结束2 d后到8 d，河段内污染物质量浓度已恢复正常。

从图5、图6可以看出，污染物质量浓度随流向距离的变化高低交错，呈现出不规则性。这种现象发生的原因是因为忠县皇华城河段并不是一条规则的河段，河道分汊存在一些环流，在水流稀释扩散的综合影响下，导致了污染物质量浓度变化的不规则性。

图5　疏浚结束1 h内污染物质量浓度分布

图6　疏浚结束2 h后污染物质量浓度分布

4结论

利用Delft3D数学模型对三峡航道环保疏的水质变化进行数值模拟可发现：疏浚工程的进行对河道水质环境影响比较明显，尤其是在疏浚地点下方不远处，污染物质量浓度迅速上升，且上升很多，最高可使其污染物质量浓度上升245 mg/L，但是随着水流向下游方向污染物质量浓度上升得越来越少，且上升得越来越慢，疏浚8 h后，疏浚点下方4 km处污染物质量浓度上升约20 mg/L，其后质量浓度上升越来越少，忠县皇华城河段末端污染物质量浓度上升约为14 mg/L。

疏浚工程结束后，忠县皇华城河段的水体水质能够较快得到恢复，离疏浚点越近恢复得越快，越远恢复得越慢，疏浚结束1 d后污染物浓度基本已恢复到本底值，疏浚的影响基本消除，水体自净能力较好，疏浚工程对水环境的影响可以较快得到恢复。

参考文献

[1]黄真理,李玉梁,陈永灿,等.三峡水库水质预测和环境容量计算[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]钟继承,范成新.底泥疏浚效果及环境效应研究进展[J].湖泊科学,2007,19(1):1-10.

[3]李进军.污染底泥环保疏浚技术[J].中国港湾建设,2005(6):46-47,65.

[4]吴小一.河流水环境数值模拟及可视化研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[5]雷晓玲,彭小兰,黄媛媛,等.抓斗式疏浚设备对底泥污染物释放规律的研究[J].环境工程, 2015,33 (4):97-100.

袁廷，男，1991年生，重庆交通大学硕士，主要研究方向为水污染治理研究。

(收稿日期：2015-07-01)

作者简介雷晓玲，女，1967年生，教授，清华大学环境科学与工程硕士，加拿大不列颠哥伦比亚大学环境工程硕士，重庆市科学技术研究院低碳中心负责人，主要研究方向为城市给水排水水质、工艺及管网系统研究，水环境污染物流动、扩散机理研究，城市水务管理。

*基金项目：国家科技支撑计划专题“三峡水库绿色航道施工技术研究”(2011BAB09B0103)，重庆市科技研发基地建设计划项目“中-加三峡水域国际科技合作示范基地”(cstc2013gjhz20001)。