基于EFDC模型的重庆库区水环境容量研究

郑 瑶，胡学斌，何 强，何劼韫

（重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045）

2011年5月18日，国务院常务会议讨论通过了《三峡后续工作规划》，正式进入后三峡时期，三峡库区主要任务由三峡工程建设和移民转变为库区生态环境保护和库区移民安稳致富。由于三峡工程关闸蓄水，水位上升流速减缓，三峡库区前端更接近人工湖泊的性质而不是河道的性质，自净能力减弱，水环境容量减少，三峡库区内的污染输入对水质的影响程度增加，从而导致了支流部分区域富营养化和水华等亟待解决的环境问题，库区水环境较脆弱[1-2]。

2015 年，党中央、国务院发布了《水污染防治行动计划》，明确提出强化环境治理目标管理，而水环境容量计算是环境目标管理的核心内容，它在建立污染物排放与水质响应关系的基础上，计算水体可以容纳的最大污染物量，从真正意义上将污染物控制与水质目标紧密结合起来[3]。近年来已有学者对三峡库区进行了水环境容量研究分析。刘昭伟等[4]通过模拟三峡水库万州段水质状况，提出一种岸边水环境容量的计算方法，计算出蓄水前后岸边水环境容量，分析了三峡工程对水库岸边水环境容量的影响。重庆交通大学陈培帅[5]运用MIKE21 软件建立重庆主城区两江水质模型，以排污口污染混合区总长度为控制指标，计算出重庆主城两江水环境容量，并结合重庆主城各区经济结构，得到与主城各区经济发展相适应的水环境容量。丁世敏等[6]采用允许排污量法，计算了重庆市涪陵区“十三五”期间的水环境容量，为三峡库区城镇的水污染控制和水环境管理提供更有效的支持。王晓青等[7-8]采用垂线平均的二维水流、水质数学模型，对小江在三峡库区蓄水前后化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）水环境容量变化进行了研究，发现蓄水后TP 水环境容量减小幅度最大，故实施污染物总量控制要特别注意磷污染物的削减。

从以上研究可以看出，关于三峡库区小流域水环境容量研究常见，而大流域的水环境容量鲜有模型方法的应用研究。为更清晰地了解三峡库区水质状况及纳污能力，并制定合理的流域水环境治理整体解决方案，本研究以对三峡库区有重要影响的重庆段干流部分为研究对象，基于水环境数学模型EFDC （environment fluid dynamics code）软件建立了重庆库区干流的水动力和水质模型，根据库区不同蓄水位水库调度运行方式下水文特点设计模拟边界条件，科学分析识别重庆库区不同控制单元河段水环境容量。

1 研究区域与EFDC模型概述

1.1 研究区域概况

三峡库区重庆段东起巫山县、西至江津区、南起武隆区、北至开州区，地理范围为北纬28°31′～31°44′、东经105°49′～110°12′，包括22个重庆区县，长约560 km，面积约4.62×104km2，约占整个三峡库区面积的85.6%，由此可以看出，它占据着整个三峡库区至关重要的生态位置[9-10]。通过对历年三峡水库水体水质状况统计分析，自蓄水以来，重庆库区干流水质总体较好，且近年来有向好的趋势；沿程各断面水质变化趋势不完全一致，但从上游到下游，水质评价结果优于Ⅲ类的比例总体上呈现上升的趋势[11]。

1.2 EFDC模型概述

水环境研究直接面临的问题是空间尺度大、污染物成分多及环境过程复杂，如果只是通过实验分析或现场监测具有较大的难度，但通过建立数学模型模拟水环境的数值，借助数学工具和方法可以很好地解决这个困难[12]。EFDC模型是一个开源的地表水建模系统，有机地将水动力、泥沙、污染物和水质等模块用单一的源代码完全集成。该模型由美国弗吉尼亚海洋科学研究所（VIMS）和威廉玛丽学院的海洋科学学院于1988 年共同开发，后由美国国家环境保护局资助，改用Fortran95进行再次开发优化。在这之后又先后经历了EFDC_1D，EFDC_Hydro，EFDC_GVC，EFDC_DSI等版本的改进，直到现在的EFDC_Explore（EE），并且逐渐发展为各研究所、高校、环保部门广泛应用的水环境模拟工具[13]。

EFDC 模型主要由水动力、水质、标量输运、有毒物质及沉积物等模块组成。其中，水动力模块是EFDC模型建立的基础，其余模块都是建立在水动力模块的基础上。在水动力模块中主要涉及了淡水流、大气作用、水深、表面高程、底摩擦力、流速、湍流混合、盐度、水温9大部分，在本研究中，涉及了淡水流、水深、底摩擦力、流速、湍流混合以及水温部分。作为研究主要部分的水质模块，包括了碳的各种组成，以及氮、磷、溶解氧、悬浮藻类等21个水质变量，在本研究中主要涉及了氨氮（NH3-N）、TP以及COD这3个水质变量。

2 重庆库区干流水环境模型

2.1 模型构建

2.1.1 计算网格生成

本研究选取三峡库区重庆段干流为模拟的计算区域，采用由荷兰Delft Hydraulic 公司开发的Delft3D 的RGFGRID 模块作为贴体网格的生成工具，调整优化后再将生成的重庆库区河流的二维网格文件（*.grd）导入EFDC软件中，总共参与计算的网格为10 611个。

由于三峡库区河底地形复杂且水深，所以水下地形的获取有较大难度。江辽等[14]在研究感潮河段数值模拟时，利用模型对概化后河道的水动力状态如河长、河宽以及河深进行数值试验，并与实际观测值进行了比较。得出参数中河宽对潮位和流量的影响最大，其次是河长。因此，本研究在建立模型时为了优化计算方法，提高计算效率，在考虑河底地形时忽略水下地形起伏并将河底视为平底。重庆库区干流纵断面如图1所示。

图1 河底概化后的纵断面Fig.1 The longitudinal section of the river bottom

2.1.2 边界条件设定

EFDC 模型的边界条件有三类：水流入流、水工构筑物以及开边界。在本研究中，将上游来水、重庆库区沿线流域面积超过100 km2的河流、沿线的日废水流量超过1.0×105t的污染源这三部分均按照水流入流输入的方式设定；出流边界设定为开边界，充分利用流域监测数据作为重庆库区水动力水质模型的输入条件。

三峡库区重庆段干流共62 个入流口，包括进水口、40 处支流入流、21 处点源污水入流。进水口是江津上游的区域来水，其流量与水质数据来自重庆市水利局公布的今日八时水情以及环保部公布的国控断面水质数据；支流流量与污染负荷是根据水利监测站提供的监测数据或文献资料计算分析得出[15]；排污口流量与污染物排放量来自重庆市生态环境监测中心公布的污染源监督性监测信息；下游出水口采用巫山水文站的水位数据。将这些数据以时间序列格式输入EFDC中，模拟时长为1年，设定的边界时间序列以2017年1月1日为起点，模拟时间步长为1 s，CPU运算时间为67 h。

2.1.3 相关参数的取值

EFDC 具有很好的通用性，数值计算能力强，大多数情况下，EFDC模型中的许多参数不需要修改[16]。水动力模型中所涉及的关键参数为河道糙率。参照相关文献资料，三峡库区的河道糙率取值范围为0.032～0.037[17-18]，经多次调试和测算后，确定河道糙率均考虑为0.035。水质模型各项初始参数值主要根据相关文献以及EFDC的模拟实例确定[19]。模型选用第1～183 天（即2017 年1—6 月）的模拟数据与丰收坝、和尚山、李渡取水口3个国控断面的监测数据（环保部公示的监测数据）进行参数率定，结果见表1。

表1 水质模块主要参数Tab.1 The main parameters of water quality module

2.2 模型验证

2.2.1 水动力模型验证

在许多河流、河口、海湾及河漫滩模型中，水位是进行水动力模型验证的首选指标[20]。本研究选取涪陵区清溪场、万州区万县断面水位监测值，与模型数据进行了对比，图2为各断面实测水位与模拟水位相关性对比结果，表明实测水位与模拟水位之间的相关系数均达0.9以上。

图2 水位计算数据和实测数据相关性对比结果Fig.2 Comparison and correlation between the simulated (vertical axis) and observed (horizontal axis) water levels

2.2.2 水质模型验证

模型的验证采用第183～365 天丰收坝、和尚山、李渡取水口3个国控断面的监测数据对模型进行验证。图3展示了和尚山监测站点COD、NH3-N、TP 浓度模拟值与实测值对比验证的结果，结果显示，COD、NH3-N、TP浓度模拟值与实测值的平均相对误差分别为21.83%，18.81%，14.96%。从总体上看，三峡水库水质模型模拟结果与监测值误差不超过30%，在合理误差范围内，证明该模型较好地体现了污染物的时空分布规律，基本反映了重庆库区干流主要水质变化过程，可用于实际的水质预测分析和水环境容量的计算[21]。

2.3 模型结果分析

重庆库区入流量较大，多年平均入流量为8 670 m3/s，从模型模拟结果发现，库区内水流流速受季节、地理位置以及较大支流汇入影响较大。在冬季枯水期，库区外来输入的流量较小且运行水位较高、储水量大，使得库区流速整体较缓；夏季与冬季条件相反，输入的水量较大且库区范围在夏季属于降水量较大且较为集中的区域，故而夏季库区整体流速较快。在成坝后，水流速度总体上是随监测站点位置向三峡大坝方向推移逐渐变缓，江津至重庆主城段常年流速为0.5～1.5 m/s，涪陵至万州段流速为0.08～1 m/s，云阳至巫山段十分接近湖泊型水库，流速为0.03～0.2 m/s，水流相对较缓。重庆库区沿程都有支流汇入长江干流。比如，在重庆主城段水流速度突然增加，主要原因是在朝天门区域有嘉陵江汇入，导致流量迅速增加；在涪陵段因为乌江的汇入也有类似的情况。嘉陵江以及乌江等主要支流的共同作用，在一定程度上增大了库区内重庆主城至丰都段的水流速度。

通过对污染物浓度场的模拟发现，在不同运行情况及地理位置下，水质状况以及污染带状况也有所不同。江津至重庆主城段区域与云阳至巫山段区域比较，污染带的长度逐渐变长，面积逐渐增大，影响的范围也逐渐增加。175 m 水位与145 m 水位运行条件相比，COD、NH3-N 及TP 的浓度进入江水后削减的幅度较小，形成的污染带面积更大。云阳至巫山段区域在175 m水位时的支流入河口处的污染物浓度更高，形成的污染带范围更广，有多个污染带叠加形成一个大面积的污染带的情况。

3 水环境容量计算

3.1 计算方法

随着水环境数学模型的广泛应用及计算机技术的不断进步，水环境容量逐渐形成了解析公式法、模型试错法、系统最优化法、概率稀释模型法、未确知数学法等计算方法。其中系统最优化法包括线性规划、非线性规划、动态规划及随机规划等[22]。水环境容量计算中所采用的主要是解析公式法[23]与线性规划法[24-25]。解析公式法计算简便，适用于水文要素、水力条件变化不大的水域；基于动态水环境模型的线性规划法，自动化程度高、精度高、对边界条件及设计条件的适应能力强，适应水域多。因此，本研究基于EFDC模型选用线性规划法计算重庆库区水环境容量，以期为重庆库区水质保持和水环境治理方案提供科学依据。

线性规划法基本思路为：①基于河流水环境模型，建立排污口污染物排放量和控制断面水质标准浓度之间的动态响应关系；②以污染物最大允许排放量为目标函数，控制断面达标为约束条件，利用线性规划最大最优解的方式求解水环境容量[26]。

式中：i为排污口编号；n为排污口数目；j为水质控制断面编号；m为水质控制断面数目；aij为第i个排污口的单位负荷量对第j个水质控制断面的水质响应系数，量纲为1；xi为排污口允许排放浓度，单位为mg/L；L为所有排污口的污染物负荷排放总量，单位为g/s；Cj0为水质控制断面的污染背景浓度，单位为mg/L；Cj为水质控制断面的环境标准值，单位为mg/L；Qi为排污口设计排污流量，单位为m3/s；Cmax为第i个排污口的浓度上限值，单位为mg/L。

3.2 计算条件

3.2.1 水质保护目标

2008 年国务院批准实施的《三峡库区及其上游水污染防治规划（修订本）》，要求三峡库区及其上游主要控制断面水质整体上基本达到国家地表水环境质量Ⅱ类标准。根据《全国重要江河湖泊水功能区划（2011—2030年）》、长江流域水资源质量公报及重庆市地表水环境质量市控断面位置，确定长江干流重庆库区段水功能区划、相关控制断面现状水质与水质目标，见表2。

表2 重庆库区水功能区划及水质目标Tab.2 Water function zoning and water quality target for Chongqing Reservoir area of the Yangtze River

3.2.2 设计流量

作为水环境容量计算，设计流量的确定主要考虑最不利情况[27]。结合三峡库区不同蓄水位水库调度运行方式对水库水文条件的影响，以及枯水期上游来水量较小和库区运行较高水位使流域各断面平均流速最小，本研究选择枯水期90%保证率的最枯月平均流量作为最不利设计流量，上游最不利设计流量取3 000 m3/s[5，28]。

3.2.3 水质响应系数求解

水质响应系数的求解，是以线性规划法求解水环境容量的关键。根据定义，在每个排污口设定1 个单位负荷量，而其余排污口无负荷量排出，然后用水质模型计算出在这种情况下的浓度分布，找出对应水质控制断面的浓度平均值，即为水质响应系数aij。改变排污口，重复以上步骤，即可求出每个排污口的水质响应系数[29]。

3.3 计算结果与分析

通过线性最优方法求解水环境容量，采用LINGO 程序计算线性规划方程，得到重庆库区各区划COD、NH3-N、TP的水环境容量，见表3。

表3 重庆库区水环境容量计算结果（t/a）Tab.3 Results of water environment capacity of Chongqing Reservoir area (t/a)

枯水期设计流量下重庆库区干流水环境容量总量COD为77 664.28 t/a，NH3-N为11 038.26 t/a，TP 为922.91 t/a，其中涪陵李渡饮用、工业用水区TP 背景浓度已高于水质管理目标，水环境容量为负值，需削减57 t/a，忠县工业、景观用水区COD、NH3-N、TP 背景浓度均高于水质管理目标，分别需削减1 017 t/a，102 t/a，51 t/a，才能满足控制断面达标要求。

在运用线性优化法计算水环境容量过程中，时常出现某些排污口被“优化掉”的现象，即某些排污口的允许排放量为零，即对于水质响应系数大的排污口的允许排放量为零，未考虑各个排污口自身的经济、环境、技术发展状况，忽略了公平问题、效率问题，并不能作为最终控制单元-排污口总量分配方案，但可以结合库区经济、社会、技术等多种因素，为排污总量分配提供决策依据。

4 结论

（1）为了研究重庆库区水环境主要污染物及剩余水环境容量，本研究通过EFDC软件构建重庆库区长江干流的水动力水质模型，研究该河流的水动力场特性及水质变化趋势，模型验证结果较好，可以用于模拟分析重庆库区的水环境状况。

（2）将重庆库区分为17 个控制单元，基于EFDC水动力水质模型计算出各个排污口对水质控制断面的响应系数，以地表水Ⅱ类水标准为规划目标，运用线性规划法求解各个控制单元的允许排放量，为重庆库区流域污染物合理削减量、水环境改善及水质保障打下理论基础，可为库区水环境规划管理提供决策依据。