浑太流域水库群与闸坝联合调度方案研究

赵小龙

（辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003）

1 模型构建

利用MIKE11(AD)模型对浑太河流域水质现状进行了模拟，模拟结果受数据、模型和技术等不确定因素的影响，其结果精度可能有一定的误差，但能够反映河流水质随时间和河段的变化特征，模拟结果合理可靠，本文以辽宁浑太河水系为例，其主要污染物来自工业和居民生活污水的排放[1]，因此，建立了研究区的水质模型。

1.1 污染源概化

水质污染源的概化是一个较为复杂的问题[2]，涉及到排污口污染负荷的概化，包括污水量、污水浓度以及污染物类型等，据环保部门统计，浑河流域的工业企业大多位于抚顺至沈阳的河段，工厂和企业通过管道或沟渠排放废物[3]，沿河布设数十个排污口，小型排污口并入邻近的大型排污口，最后形成29个点源排污口。

1.2 特征污染物确定

根据2009年～2018年水质数据监测结果显示，浑河主要河流水质已达到重度污染水平，沈阳下游污染较为严重，COD平均浓度为41.60 mg/L，枯水期间为58.80 mg/L ，平均氨氮浓度为5.87 mg/L，枯水期为15.70 mg/L，地下水水质的主要污染物氨氮和化学需氧量均低于Ⅴ类水质标准。

1.3 参数率定

MIKE11的对流扩散模型参数包括扩散系数和衰减系数[4]，分别代表稀释和自净，实测污水排放和水质同步监测数据的完整性和可靠性良好。

1.3.1 扩散系数

扩散系数的计算公式为

式中，D－扩散系数；

a－扩散系数常数；

b－扩散系数指数；

u－流速（m/s）。

采用Fischer半经验公式对扩散系数的值进行分析率定。

式中，u－流速（m/s）；

B－河宽（m）；

H－水深（m）；

I－坡降；

u*－摩阻流速。

从公式(2)中可以知道影响扩散系数、梯度I和河宽B的因素是常数，由于上游水量不同，流速和水深也会相应变化[5]，因此，为了实际值相接近，根据不同的区间，确定不同时期的扩散系数常数a，并设定扩散系数的极限值，扩散系数b的指标值总是等于2，常数a在上下限之间确定，河流d的经验系数为5.0～20.0。选择2018年水动力模型流速模拟结果进行计算，可得扩散系数如表1所示。

表1 浑河扩散系数计算表 单位：m2/s

1.3.2 衰减系数

污染物降解系数是计算水体承载能力的重要参数[6]，它与河流水文要素、泥沙和污染物含量以及河道形状等水文条件密切相关，公式如下:

式中，

k——衰减系数（d-1或s-1）

u——河段平均流速（m/s）；

x——上下断面的距离（km）；

c1、c2——河段上下游污染物浓度，mg/L

由于污染物衰减机理的相对复杂性，衰减系数由于受多种因素的影响[7]，变化大，随机性大，难以获得准确的反映实际河流水体状况和污染物衰减的定量值，该模型只是简单模拟了衰减系数的综合值，在水库中，水流几乎是固定的，其衰减特性不同于河流，因此分别为河流和水库设置衰减系数，结果见表2。

表2 衰减系数k率定 单位：d-1

2 调度方案水质响应

2.1 浑河

输入大伙房水库初始边界条件[8]，采用水动力水质模型MIKE11验证边界条件，选取浑河干流上游具有代表性的抚顺监测断面、沈阳中游浑河闸监测断面和下游邢家棚断面，对2018年特征污染物(COD、氨氮)月浓度和现值进行比较，对联合调度方案进行水质响应分析,结果表明，抚顺市枯水季节污染物平均浓度为19.41 mg/L，比现状降低19.72 %，3月～4月下降较为明显，枯季平均氨氮浓度为1.42 mg/L，与现值相比，下降了7.31%，水质维持在IV类水质标准，通过以上分析，可以认为氨氮浓度超标是制约浑河上游水质的重要因素之一，这与抚顺浑河大量排污口有关，因此，改善浑河上游水质的研究需要结合源头治理措施来进行[9]。

沈阳浑河水闸站水质COD平均浓度为31.87 mg/L，比实测值低11.56%，氨氮平均浓度为5.28 mg/L，比实测值低7.11%。根据COD浓度对水质进行详细划分，浑河中游沈阳段为IV类水体，采用氨氮浓度对水质进行分类，浑河中游沈阳段水质低于V类水体，化学需氧量和氨氮浓度高是制约浑河上游水质的关键因素，增加了浑河水流的稀释效应和闸坝冲刷动力效应[10-12]，但由于浑河向抚顺排放大量污水，不能降低到目标浓度，因此，对浑河中游水质的改善同样需要结合源头治理措施进行。

邢家窝棚段COD和氨氮平均浓度分别为12.976 mg/L和5.32 mg/L，分别下降了16.02%和16.07%，COD水质保持在I类水质标准，氨氮浓度虽有所下降，但水质仍不及V类。

通过以上分析可以看出，氨氮浓度是限制河流水质的关键因素[13]，增加河流流量的稀释不能使其降低到目标浓度，因此，有必要结合源头治理措施，对浑河整个研究区水生态环境的改善进行研究。

2.2 太子河

输入两个（观音阁、葠窝）水库的初始边界条件，采用动态水质模型MIKE11对两个水库进行验证[14]，选取本溪、辽阳和唐马寨断面，对联合调度方案进行水质响应分析。

本溪站水质COD平均浓度为8.13 mg/L，比实测值低22.11%，氨氮为0.04 mg/L，比实测值高20.54%，但保持Ⅰ类水质。

联合调度方案实施后，辽阳段COD浓度年变化趋势与现值基本一致，年平均浓度为8.03 mg/L，水质等级维持在Ⅰ类水质标准，枯水期平均浓度为0.67 mg/L，比现值低14.27% ，水质标准维持在III类水质标准。分析表明，辽阳控制区河流氨氮浓度超标是制约河流水质达标的重要因素，，通过增加枯水期的河道下泄流量，通过稀释效果尤为明显，故生态调度方案是可行的[14]。

观音阁水库与葠窝水库联合调度方案的模拟试验，显著改善了唐马寨控制段的水质。该方案实施后唐马寨监测断面各月水质特征污染物浓度基本低于实际测量值[15]。平均COD浓度为7.81 mg/L，下降了38.21%，除了1月份，COD的浓度维持在Ⅰ类水平，枯水期氨氮平均浓度为2.55 mg/L，降低了16.42%。

3 结语

结果表明，水库群与闸坝联合调度方案能有效改善河流水质，通过数值模拟软件验证，2018年浑河、太子河研究段水质现状得到改善，特别是在枯水期。随着经济社会发展和水资源管理研究的不断深入[16]，浑太流域的河流水质和水质特征发生了变化，2018年联合调度方案根据河流水体状况和流域现行运行方案进行调整，以适应浑太流域水利工程的运行特点和今后改善流域水质的需要，为流域水生态环境管理提供参考。