基于二维水动力模型的大型水库水源地保护区划分

万 帆，宋晓峰，刘 睿

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710011)

0 前 言

大型跨流域调水工程可促进缺水区域的经济发展，缓解受水区用水矛盾。合理有效地划分饮用水水源保护区，是保护调水工程水源地最大可能免受人类活动影响，保证水质安全的重要措施。通过划分水库水源保护区，有利于水库水资源的管理和保护利用，也有利于水质监测部门加强对水质的长期监测和对污染物排放的监督，最大限度地发挥供水功能。

中国饮用水水源保护区划分相对发达国家起步较晚，且目前多以经验法、类比法为主。王民等通过统计分析国内119处大中型水库公布的水源保护区划分方案，发现国内现状大中型水库水源保护区划分采用的方法不尽相同，但均未采用模型法来分析计算保护区范围，多数采用了类比经验法[1]。贺涛等通过对水库型饮用水水源保护区划分的数值模型法、类比经验法和GIS辅助方法进行分析比较，认为类比经验法虽然操作简单，但在二级保护区的划定下与现行很多水库对入库河流上溯的要求完全不一致，不适用于大型水库。对于大型水库而言，采用技术手段研究保护区划分的新方法，构建水质模型对污染物扩散趋势进行预测和模拟，划分水源保护区是更加科学合理的划分方法[2-3]。HJ 338-2018《饮用水水源保护区划分技术规范》也推荐大型水库优先采用水质模型进行划分。但大型水库往往地形、流场较为复杂，水质模型构建的科学性和适用性需要重视。

随着对模拟精度要求的不断提高，水动力模型己成为研究的主要方向[4]。丹麦水环境模型MIKE21适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水动力及水质的二维仿真模拟[5]。MIKE21采用非结构网格，能够处理复杂的边界条件，该模型在国内外水环境研究领域已被广泛应用。MIKE 21 模型与对流扩散模块耦合，可以很好地反映污染物在水中的运动规律，对各类水质污染情景进行模拟，还可以构建水质预测模型，对工程建设或者水质改善提出科学建议[6]。国内有研究应用MIKE2l软件模拟了湖库流场并对湖库水质变化规律进行预测与分析，其数值模拟的科学性已得到公认[7-9]。本文通过MIKE的水动力模型耦合对流扩散模块来模拟黄金峡水库成库后，水中主要污染物COD、氨氮的传输过程，为科学确定饮用水源地保护范围提供依据。

1 项目概况

陕西省引汉济渭工程是从陕南汉江流域调水至渭河流域关中地区的大型跨流域调水工程。该工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽及秦岭输水隧洞三个部分组成。工程近期设计水平年2025年，多年平均调水10亿m3，远期设计水平年2030年，多年平均调水15亿m3。其中黄金峡水利枢纽水库总库容2.29 亿m3，正常蓄水位450.00 m，水库淹没总面积25.83 km2，干流回水长度58.04 km，挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高68 m。

2 研究区域概况

本次研究区域为黄金峡水利枢纽工程库尾～坝址区间约58 km汉江江段。工程区位于秦岭中低山区，地势北高南低，上游段为洋县平川区，下游段为低山峡谷区。工程区属北亚热带湿润、半湿润气候区，多年平均降雨量806 mm，多年平均气温14.5 ℃，多年平均蒸发量1 065.6 mm。黄金峡坝址控制流域面积17 070 km2，坝址以上多年平均天然年径流量为75.41亿m3。库区有金水河、酉水河等主要支流汇入。

3 研究方法

采用二维水动力模型模拟库区流场，并耦合二维对流扩散模型在流场模拟的基础上模拟库区污染物的迁移转化。

3.1 水动力模型构建

(1) 模拟范围

本次研究模拟范围为黄金峡水库库尾～坝址间58 km天然河段，正常蓄水位450.00 m以下区域。

(2) 库区地形构建

利用黄金峡水库库区横断面测量数据、正常蓄水位线范围数据等，通过插值计算，得到水库正常蓄水位范围内的MESH地形网格文件，水深以m表示。

图1 黄金峡水库库区地形文件

(3) 二维水动力数学模型原理

连续性方程：

动量守恒方程：

式中：t为时间，s；η为自由表面的水位,m；u、v分别为沿x、y方向的流速,m/s；g为重力加速度,m/s2；ρ为水的密度,kg/m3；S为辐射应力,N/m；F为水平涡粘剪切力,N/m2。

通过有限元体积方法求解上述方程。

(4) 输入条件

黄金峡水库库尾及支流金水河回水末端作为模型进口。按最不利条件考虑，进口边界条件采用最枯月2月90%保证率下流量30.4m3/s。黄金峡水库坝址断面作为模型出口，边界条件采用最枯月90%保证率下的坝前设计运行水位440.00m。

(5) 模型参数

本次研究按照90%保证率下最枯月的水文条件计算。根据水文成果及测量断面，主要水文参数及取值见表1。

表1 主要水文参数及取值

3.2 水质模型构建

(1)污染源预测

以污染源现状调查统计结果及基础，预测近期水平年2025年内水源区内入库污染物负荷。根据目前掌握的水源工程影响区现状污染负荷评价结果，选定入库污染物代表参数为有机污染类的综合指标为COD和氨氮。

1) 库尾以上县城段排污口污染源预测

因黄金峡库尾以上5km为洋县县城驻地洋州镇，需预测洋县境内库尾以上河段主要污染物排放量，作为预测水平年入库断面水质预测值计算基础。

工业废水及主要污染物排放量预测采用弹性系数法。生活污染源以人口增长率乘以目前生活污水量的方法进行预测。汉中市人口平均增长率取4‰。

库尾上游约5km的洋县县城段集中式污染源预测总量见表2。

表2 黄金峡库尾以上污染源预测值

2) 库区污染源预测

黄金峡库区无工业污染源，生活污染源以人口增长率乘以目前生活污水量的方法进行预测。规划年库区农业面源污染负荷仍采用现状年统计成果。

库区各类污染源预测总量见表3。

表3 黄金峡库区污染源预测值

(2) 污染源概化

考虑最不利情况，本次研究在模拟污染物沿程降解时，认为库尾以上污染物均从洋州镇断面排入，库尾～坝址区间污染物均从距黄金峡水库取水口较近的主要支流金水河口断面(距坝址11km)排放。排污口概化如图2所示。

图2 黄金峡水库污染源概化

(3) 二维对流扩散模型原理

库区污染物衰减采用二维对流扩散方程进行模拟，基本方程如下：

式中：C为污染物浓度，mg/l；ux、uy为沿x、y方向的流速分量，m/s；Dx、Dy为x、y方向的扩散系数，m/s2；K为污染物衰减系数，d-1。

(4) 模型参数

1) 横向混合系数

横向混合系数是反映横向浓度混合输移的综合系数，横向混合系数Dy的确定方法采用泰勒公式：

Dy=(0.058H+0.0065B)·(gHI)0.5

(5)

式中：B为河流平均宽度，m；H为河流平均水深，m；g为重力加速度，m/s2；I为河流水力坡降，m/m。

将有关数据代入公式(5)进行计算，结果见表4所示。

表4 横向混合系数Dy计算结果 /(m2·s-1)

2) 综合降解系数

根据全国水环境容量测算大纲中给出的水质降解系数参考表，及相关汉江上游河段污染物降解系数的研究成果[10]，本次工作对COD、氨氮降解系数取值如下。

表5 降解系数 /d-1

4 研究结果

4.1 模型模拟结果

在二维水动力模型基础上，采用二维对流扩散模型模拟在最枯月90%保证率计算条件下，污染物在概化的排污口进入库区水体后的扩散和降解过程。模拟结果显示，污水在距坝址上游11km的金水河汇入口入库后，在排污口下游100m范围内左岸形成1个污染物高浓度区域，随着污染物向下游迁移扩散，污染物逐渐稀释，并伴随降解作用，浓度逐渐降低。

COD衰减过程：入库后100m范围内，COD浓度超过30mg/L。衰减约2km后COD浓度降至18mg/L，衰减至约5km处COD浓度可满足地表水Ⅱ类水质标准限值(≤15mg/L)。

氨氮衰减过程：入库后100m范围内，氨氮浓度超过1.3mg/L。衰减约3.6km后氨氮浓度降至1.2mg/L，衰减至约7km处氨氮浓度可满足地表水Ⅱ类水质标准限值(≤0.5mg/L)。

二维衰减过程数值解结果见图3、4。

图3 黄金峡库区COD二维衰减计算结果(数值解)

4.2 保护区划分结果

根据国家对地表饮用水水源地各级保护区的水质要求，以及二维水动力模型模拟结果，二级保护区长度不宜小于7km，以满足污染物衰减至一级保护区执行的地表水Ⅱ类水质标准限值的距离要求。

图4 黄金峡库区氨氮二维衰减计算结果(数值解)

而一级保护区全域均应达到Ⅱ类水质标准，因此宜采用规范中推荐的经验法。由于黄金峡水库狭长，建议一级保护区长度不小于坝址(取水口)以上2km范围内水域，二级保护区从一级保护区上界上溯至少7km水域。

5 结 论

水质模型是水资源保护中一项重要的技术工具。本文借助MIKE水动力模型耦合对流扩散模块来模拟黄金峡水库成库后，水中主要污染物COD、氨氮的传输过程，为科学确定饮用水源地保护范围提供依据。主要结论如下：

(1) 经模型计算，污染物衰减一定距离后可满足水源地一级保护区执行的地表水环境Ⅱ类标准，衰减距离不小于7km，以此衰减距离作为二级保护区长度。

(2) 一级保护区划分采用经验法，二级保护区采用二维模拟结果划分的思路，与其他研究者的观点类似[2]，但因本项目为山区峡谷型水库，取水口断面宽度仅200m，因此在一级保护区划分时，未以取水口为圆心向周围外扩划分，而是在取水口断面进行上溯2km，以适宜本项目的特征和水质保护需要。

本次模拟考虑了污染物随水流的迁移和扩散，并总体考虑了污染物在汉江水体中的降解，受基础资料和目前研究水平限制，并未考虑污染物传输过程中的沉淀作用及不同水生生物类型对污染物的影响，未来的研究可进行相关探索。

此外，本次模拟过程考虑最不利情况以90%保证率下最枯月的水文条件进行计算，并将污染源进行概化，实际水库运行期不同入库流量条件下的污染物扩散情况有所不同，后期可尝试延伸本次研究的应用，增加预测工况，模拟突发污染事故的影响范围，可为污染事故提供预警依据。