岷江干流东风岩枢纽水质模拟预测研究

卜跃先，邹高龙，殷 园

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

岷江航电东风岩枢纽工程为岷江(乐山～宜宾段)航运规划的第二个梯级，系径流式日调节电站，坝址位于乐山市五通桥区的道士观河段，距大渡河河口约29.9 km，与上游老木孔、下游犍为梯级规划坝址间的距离分别为14.7 km和20.2 km。东风岩枢纽的开发任务为：以航运为主，结合发电，兼顾供水，水库总库容为1.32亿m3，正常蓄水位为344.0 m，死水位为343.5 m，调节库容为823万m3，电站装机容量为270 MW，年发电量约为12.68亿kW·h。通航建筑物采用1 000 t级船闸，有效尺度为220 m×34 m×4.5 m(长×宽×门槛水深)，设计年通过能力单向为1 450万t，满足2045年过坝运量的需要。

东风岩枢纽工程水库蓄水后，水深及水面积都有大幅度的增加，水流变缓，将根本改变原来水流的性质，将使库区及坝址下游河段的水文情势发生显著的变化，进而对水质产生影响。因此，在充分调查现有污染源及水文条件的基础上，对水库建成后水质的变化趋势进行预测，根据预测结果，考虑实施库区及下游的水质保护措施及其他环境保护措施。国内黄玥等[1]、张玄等[2]对水库库区的水质变化作过一些预测与研究， 余帆洋等[3]、 丘冬琳[4]、 周铭浩等[5]在水库水环境评价与保护、水库纳污能力方面也进行了相关的研究工作。由于东风岩库区及下游分布有几个水源保护区及其他集中取水点，本文利用MIKE21软件，进行对流-扩散水质模型预测水质变化趋势，为库区环境保护对策措施的拟定提供了一定的科学依据。

1 水质预测模型原理

主要采用涡粘理论，在二维水动力学模型的基础上，利用MIKE21软件进行对流-扩散水质模型计算。模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法，该方法计算速度较快，且非结构网格可以拟合较复杂地形。

水动力模型的控制方程如下：

(1)

结合二维水动力学模型，建立二维水质模型。模型采用对流扩散方程：

(2)

2 预测工况及模型边界条件

2.1 预测时段选择

水质预测时段拟定为2月(枯水期代表月)、5月(平水期代表月)和7月(丰水期代表月)。考虑丰水期水温较高，而枯水期流量较小，水库蓄水后流速较小，且水温较低，污染物降解较慢，可能造成局部污染物浓度过高的情况，因此，根据《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3—2018)一级评价的要求，选取丰、平、枯水期工程河段水质浓度变化分别进行计算与分析。

2.2 预测因子选择

结合沿岸污染源特征现状分析，现状及建库后的水质预测选择CODCr和NH3-N作为预测水质因子。

2.3 预测工况与模型概化

考虑建库前后水文情势的变化情况，分别预测2月(枯水期代表月)、5月(平水期代表月)和7月(丰水期代表月)三种工况，东风岩工程河段建库前后的水质变化情况。根据水平年的不同，一是现状水平年，各污染源保持现状情况不变，模拟东风岩建库前后对河道水质的影响；二是考虑规划水平年东风岩建库后，随着经济社会发展和节水减排措施不断完善，预测入河污染物相应变化后，工程对河道水质的影响。

东风岩水库为日调节水库，调节性能较低，1 d内几台机组均在发电泄流，概化时不考虑坝址的影响，将坝址前后的水下地形数据与取水量、排水量数据输入模型。东风岩库区及坝址下游的排污口总共有96个，通过暗管与明渠形式排入岷江干流、汊河涌斯江等，模型运算中，最后概化成排污量在0.002 m3/s以上的排污口16个，其中岷江干流以工业污水排放为主，排放量大；涌斯江以生活污水排放为主，排放口较为分散。取水口共有15个，其中岷江干流生产取水口3个，涌斯江生产与生活取水口5个，其他灌溉取水口主要集中在沫溪河，这些取水口取水量均不大。

2.4 边界条件

考虑上游为老木孔航电枢纽，而汊河涌斯江既是老木孔工程的减水河段，又是东风岩工程的库区，其水质变化同时受两个工程的影响，因此，模拟范围包括老木孔坝址到东风岩坝址下游约7 km处，另外还包括沫溪河河口至上游约4 km处和涌斯江河口至上游约2 km处。模型中各控制断面具体位置情况及水下地形情况见图1。

图1 东风岩库区水下地形及控制断面分布示意

边界流量控制利用五通桥水文站、高场水文站的流量资料，各边界按照水文专业提供的丰、平、枯时期代表月均流量设置；各边界输入的水质数据根据不同时期实测的该断面水质资料进行设置。各边界输入水量、水质数据见表1。

表1 河流各边界水量、水质输入条件

模型中设定一个恒定的衰减常数模拟各污染物质的降解过程，降解过程满足如下一级反应方程式：

(3)

其中C为浓度，K[s-1]为衰减系数。各污染物指标工程前后的衰减系数见表2。

表2 各污染物指标工程前后衰减系数

3 预测结果

结合东风岩工程河段现状水质监测结果，各工况模拟结果见表3。

表3 东风岩枢纽水库水质模拟结果

3.1 枯水期水质预测情况分析

枯水期现状年建库前后以及规划年建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类以上标准；涌斯江断面氨氮指标能满足Ⅲ类以上标准，但COD不能满足Ⅲ类以上标准。

现状年建库前后对比，建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及涌斯江断面COD和氨氮指标较建库前有较小变化，其中COD浓度略有下降，下降幅度不到5%，库区部分水面氨氮浓度略有升高，主要是库区内流动性较差的小部分水域，升高幅度在5%左右。支流沫溪河由于本身水质较好，在建库后，断面水质均能满足Ⅲ类以上标准，但水质较建库前变化较大，主要是水动力条件有所变化，沫溪河本身流量较小，建库后受到了库区顶托影响。

建库后，现状年与规划年不同条件下对比，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标变化不明显，但规划年涌斯江河段由于入河污染物浓度降低，涌斯江断面水质较现状有所改善，但COD指标仍然超标。

枯水期各工况模拟水质情况见图2～7。

图2 枯水期现状年建库前COD分布示意

图3 枯水期现状年建库前氨氮分布示意

图4 枯水期现状年建库后COD分布示意

图5 枯水期现状年建库后氨氮分布示意

图6 枯水期规划年建库后COD分布示意

图7 枯水期规划年建库后氨氮分布示意

3.2 平水期水质预测情况分析

平水期预测结果表明：平水期现状年建库前后以及规划年建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面、涌斯江断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类以上标准。

现状年建库前后对比，建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及涌斯江断面COD和氨氮指标较建库前均无明显变化。支流沫溪河建库后受顶托影响，水质较建库前变化较大，但库区本身水质较好，沫溪河在建库前后，断面水质均能满足Ⅲ类以上标准。

建库后，现状年与规划年不同条件下对比，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面、涌斯江以及支流沫溪河COD和氨氮指标变化不明显，各断面COD和氨氮指标均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类以上标准。

3.3 丰水期水质预测情况分析

丰水期预测结果表明：丰水期现状年建库前后以及规划年建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标均满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅲ类以上标准；涌斯江断面氨氮指标能满足Ⅲ类以上标准，但COD不能满足Ⅲ类以上标准。

现状年建库前后对比，建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及涌斯江断面COD和氨氮指标较建库前均无明显变化。虽然支流沫溪河建库后受顶托影响，但由于沫溪河来水水质与东风岩库区水质相近，因此，沫溪河在建库前后水质变化不大，断面水质均能满足Ⅲ类以上标准。

建库后，现状年与规划年不同条件下对比，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标变化不明显，但规划年涌斯江河段由于入河污染物浓度降低，涌斯江断面水质较现状略有改善，但改善并不明显，COD指标仍然超标。

4 结语

1) 利用MIKE21软件进行对流-扩散水质模型计算结果表明：现状年建库前后以及规划年建库后，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD与氨氮2个指标均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类以上标准，涌斯江断面COD指标在枯水期、丰水期不能满足Ⅲ类以上标准，主要原因是涌斯江河段有支流茫溪河汇入，茫溪河及涌斯江河段水量较小，沿线生活污水排放口较多，导致来水水质较差。

2) 现状年建库前后对比，建库后东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及涌斯江断面COD和氨氮指标较建库前均无明显变化；建库后的规划年，东风岩坝址处、坝址以上岷江干流、坝下断面以及支流沫溪河COD和氨氮指标变化不大，涌斯江河段由于入河污染物浓度有所降低，涌斯江断面水质较现状略有改善，但改善并不明显，COD指标仍然超标。