于桥水库生态清淤过程中降雨侵蚀出露滩地底泥对水库水质的影响

张扬 申彦科 陈海梅

1 研究背景

于桥水库作为引滦入津工程重要调蓄水库之一，是天津市主要的水源地，在天津市供水系统中发挥着极其重要的作用。近几年水质逐年变差，由Ⅲ类恶化为Ⅳ类，夏季高温季节甚至达到劣Ⅴ类，导致蓝藻爆发、供水中断，严重影响了城市的供水安全。消减入库营养盐、水体生态恢复、流域强化管理是治理湖泊水库富营养化措施方向，其中湖泊生态清淤是控制内源污染的主要措施。

本研究以于桥水库生态清淤作业为例，基于现有的于桥水库水动力-水质模型，通过建立土壤侵蚀及氮、磷营养物质流失计算公式，模拟计算了不同降雨强度下，出露滩地底泥在降雨侵蚀作用下，氮磷营养物质的流失进入于桥水库，从而引起水库水质变化的情况，为水库干场清淤施工期间有效控制降雨侵蚀造成的库周氮、磷营养物质短期汇集可能造成的水环境风险，提供理论依据。

2 于桥水库水动力-水质模型

本文所用水动力-水质模型是参考相关文献（程扬等2019），采用了南京地理与湖泊研究所构建的成熟的数值计算模型。主要包含：氮磷营养物质输运（对流-扩散-反应）方程、水动力-水质耦合的守恒型方程、沉积物-水界面氮、磷交换通量方程这三大模块，方程采用的离散方法是非结构网络有限体积法，通过求解黎曼问题得到界面处数值通量，采用干湿判别法计算动边界。

3 施工期于桥水库水质预测

3.1 清淤范围

在低水位（17.26 m）运行时，露滩范围主要位于北部、东部和东南部的区域。与清淤项目的工程布置范围基本相近。其中，拟清淤的常水位以下且高于17.8 m 上的库周区域面积约13 km2，如图1 所示。

图1 清淤范围——库区高于17.26 m且低于21 m区域

3.2 出露底泥的降雨侵蚀计算

Wischmeier 在1965 年提出的通用土壤流失方程USLE 是目前使用最为广泛的土壤流失预测预报方法，主要研究由降雨引起的水动力土壤侵蚀，其基本形式为：

A= R×K ×LS×C×M

式中 A——土壤侵蚀模数，t/(hm2∙a)；

R——降雨侵蚀力因子，MJ∙mm/( hm2∙h∙a)；

K——土壤可蚀性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；

LS——地形因子；

C——作物覆盖与管理因子；

M——水土保持措施因子。

在计算出露滩地侵蚀前，先结合于桥地区的区域特征来确定上述各因子的计算方法和土壤侵蚀模数，并与相关结果进行对比，验证方法的合理性后再应用于出露滩地侵蚀量的估算。

根据各因子量值，应用USLE 方程计算得到基于2012 年于桥水库流域不同土壤类型对应的侵蚀模数见表1。

表1 于桥水库流域基于2012年计算的土壤侵蚀模数

考虑到强降雨期间，氮磷营养物质的流失主要以土壤侵蚀过程为输送载体，其流失负荷受到氮磷元素在土壤中所含的氮磷物质浓度有关.因此，氮、磷流失量根据测定的沉积物氮、磷含量与土壤流失量的值来计算。

清淤工程各区块沉积物中氮、磷含量根据于桥水库的实际调查统计得到。

3.3 计算边界

2012 年于桥水库站降水量在7 月21 日达到177 mm。该年7 d 最大洪量达到1.29 亿m3，属于10 年一遇级别洪水。本次计算选择2012 年降雨雨型进行预测计算。

图2 不同侵蚀强度下于桥水库氮、磷浓度过程变化

考虑到于桥水库施工期间的低水位运行方案，在计算时，下游出库水位保持在17.26 m。入库流量则考虑到入库河口湿地的运行规模，选定以32 m3/s 作为入库流量进行计算。

于桥水库入库的氮、磷营养物质边界条件则以湿地运行后出水目标水质来设定，即总氮3.14 mg/L、总磷0.11 mg/L。

3.4 工况设计

施工期间滩地出露，降雨侵蚀土壤会影响水库营养物质的输入。根据土壤侵蚀及氮、磷营养物质流失的计算公式，求出施工期土壤侵蚀和氮磷营养的输出，将其作为氮、磷负荷源项代入水动力-水质模型，预测其对于桥水库水质的影响。本次预测计算中，按照前面评估计算褐土的可蚀因子作为标准值计算底泥氮、磷的侵蚀入库量。同时，考虑侵蚀强度为标准值的0.5 和1.5 倍两种工况。

4 不同工况下氮磷扩散输出对水体的影响情况

4.1 典型雨情条件下对水库氮磷的影响过程

图2 为于桥水库在不同侵蚀强度下氮、磷营养物质浓度的变化过程。对于总氮而言，在几种不同强度的侵蚀条件下，2012 年的降雨过程都没有因滩地降雨冲刷造成库中心和出库总氮和总磷的明显变化。虽然总磷浓度相对值有所上升，尤其是有高强度降雨的7、8 月份，但是总磷指标总体在0.05 mg/L 以下。

4.2 不同雨强影响下氮、磷空间分布特征

根据不同的雨量等级，选择中雨（2012 年6 月23 日，日降雨量13.9 mm）和暴雨（2012 年6 月24日，日降雨量64.7 mm）2 种不同降水量等级，预测在对应雨强条件下氮、磷营养物质的空间分布特征。图3、4 为中雨、暴雨作用下侵蚀强度（工况：标准值×1.5）的总氮、总磷空间分布预测图。

对于总氮而言，在两种不同雨强（中雨和暴雨）作用下，降雨侵蚀对水库水体总氮的影响处于较低水平。主要影响位于库周沿岸带出露滩地附件的浅水水域，库中心和出库水位基本不受影响。但是沿岸带总氮的总体浓度上升并不大，与经河口湿地处理后出水处于同一量级，在3 mg/L 左右。

对于总磷而言，虽然随着雨强的升高，总磷侵蚀进入水体的影响逐渐增大，但总体影响范围主要位于库周沿岸带浅水域和东部滩地较多的库区，库中心和出库水质影响很小。在中雨条件下，降雨侵蚀的影响仅局限在水库沿岸带较小的范围，库中心和出库水体不受影响。在暴雨条件下，沿岸带水体所受影响增大，总磷浓度高于0.2 mg/L 的高浓度带扩张，形成了宽度200～400 m（1～3 个网格单元）的浓度带。暴雨条件下，横向宽度基本相同，但是纵向的长度有所扩展，主要位于北岸和东部湿地一侧。

图4 暴雨（64.7 mm）作用下侵蚀强度（标准值×1.5）工况对总氮、总磷空间分布的影响

5 结论和建议

（1）采用于桥水库平面二维水动力-水质模型预测计算表明，高强度降雨对于桥水库总氮的影响较小。库中心和出库断面基本不受影响。主要影响位于库周沿岸带出露滩地附近的浅水水域。

（2）高强度降雨对于桥水库总氮影响甚微，对总磷相对含量影响较大。随着雨强的增大，总磷侵蚀进入水体的影响逐渐增大，但是总体影响范围仍主要位于库周沿岸带浅水域和东部滩地较多的库区，库中心和出库水质影响很小。

在暴雨条件下，沿岸带水体所受影响增大，总磷浓度高于0.2 mg/L 的高浓度带扩张，形成了宽度200～400 m（1～3 个网格单元）的浓度带。暴雨条件下，横向宽度基本相同，但是纵向的长度有所扩展，主要位于北岸和东部湿地一侧。

（3）为了有效地控制降雨侵蚀造成的库周氮、磷营养物质短期汇集可能造成的水环境风险，建议施工期间采取对应的防范措施，防止出露底泥中所含营养物质流失重新进入库区。