基于EFDC的马莲河水库水质模拟分析

姜利兵 王敏 郜学军

（黄河勘测规划设计研究院有限公司 河南郑州 450003）

湖泊和水库是十分重要的地表水体，具有防洪、供水、发电、生物栖息等多种功能。湖库环境所涉及的空间尺度、污染物成分以及环境过程错综复杂，仅凭借现场监测和实验室分析，往往无法获得水环境过程连续和客观的描述，其结论也难以直接用于建立管理制度和制定改善措施。因此，通过数学模型模拟湖库水质空间变化情况，掌握湖库水体特征，对于保护湖库生态环境和湖库管理具有重要意义。

近年来，在国内，湖库应用案例有云南滇池的水质模拟［1］和深圳水库的富营养化研究［2］；河流应用案例中，在重庆赵家溪［3］、河南贾鲁河郑州市段［4］的水动力水质模拟中都取得了较好的应用效果，王建平等［5］将EFDC 和WASP 模型进行耦合建立了三维生态动力学模型，并成功应用于密云水库水质模拟。本文以甘肃省庆阳市马莲河水库为依托，用EFDC 软件考虑最不利情况，对马莲河水库枯水期COD、NH3-N、TP 因子进行预测分析，为马莲河水库工程建设及管理提供依据。

1 马莲河水库概况

马莲河水库坝址位于泾河一级支流马莲河入泾河口以上50 km 处马莲河干流上，属国务院确定的172 项重大水利工程之一。水库正常蓄水位999.00 m，水库总库容4.79 亿m3。马莲河水库开发任务为供水、灌溉和拦沙为主，并为改善区域生态环境创造条件。水库运行方式：①7 月1 日～8 月31 日当入库流量大于20 m3/s 时，马莲河水库敞泄运用，当入库流量小于20 m3/s 时，马莲河水库蓄水拦沙运用，下泄流量满足生态流量要求，同时马莲河水库向调蓄水库充水。②9 月1 日～次年6 月30 日，马莲河水库蓄水拦沙运用，下泄流量满足生态流量要求，同时向调蓄水库充水。

2 EFDC 模型简介

环境流体动力学模型（Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC）是美国环保局（USEPA）推荐使用的水环境生态模型之一，最早由美国弗吉尼亚海洋研究所开发，后由TetraTech集团在USEPA的支持下继续进行开发工作，当前由美国DSI（Dynamic Solu-dons International）公司维护和开发并进行商业运营。EFDC 模型是集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块一体，可以用于河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域不同时空尺度的流场、水温、泥沙以及水质等因子的模拟。EFDC 模型采用FORTRAN 语言编制，可通过设置初始化文件和时间序列输入文件调整模拟维数、时空特性、环境条件和负荷等，己经成功应用于100 个以上的水体，涉及河流、湖泊、水库、河口、海湾和海岸带等，应用领域包括水环境预测与评价、工程项目方案决策等。

2.1 模型结构与功能

EFDC 模型主要包括水动力、标量输运、水质、泥沙模块和毒物模块5 部分组成，其中水动力模块、水质模块、泥沙和毒素模块为核心模块。EFDC 模型可以模拟河流、湖库、海洋、河口和湿地等地表水环境。EFDC 水平方向采用曲线正交坐标系，垂直方向采用σ 坐标变换，沿重力方向分层，求解三维紊动粘性方程。EFDC 可以模拟21种水环境因子。模型方程见公式（1）～（10）［6-8］。

连续方程：

动量方程：

水温输移方程：

其中σ 坐标变换前的垂向速度ω*与变换后的垂向速度ω 间的关系为：

式中：u，v，w 为曲线正交坐标x，y，z 方向上的水平速度分量，m/s；mx，my为坐标变换因子；H=h+ζ 为总水深，m；h 为未扰动的z 坐标原点以下的水深，m；ζ 为水位，m；f 为Coriolis 系数；Aυ为垂直紊动粘性系数；Qu，Qv为动量源汇项，无量纲；ρ 为扰动密度，kg/m3，一般为温度和盐度等的函数；ρ0为参考密度，kg/m3；P 为由密度的变化引起的动水压强，Pa；b 为浮力，N；QH为体积，m3；Qss、Qsw为河床和水体之间的沉积物和水量的净容积通量；δ（0）为水体底层通量；Ab、AH为垂直紊动扩散系数和水平紊动扩散系数；T 为水温，℃；ФI为太阳短波辐射量，W/m2；ST为热通量；分别为x，y，z 方向上的湍流热扩散系数；g 为重力加速度，m/s2；S 为盐度。

水质模块控制方程：

式中：C 为水质因子浓度，mg/L；u，v，w 为x，y，z 方向速度分量，m/s；Kx，Ky，Kz为x，y，z 方向的湍流扩散系数；Sc为单位体积内部与外部的源和汇。

3 EFDC 模型建立及水质预测

3.1 库区网格划分

结合马莲河库区地形数据等选用笛卡尔网格类型，马莲河水库正常蓄水位时，回水长度为47.5 km，取该段河道作为研究区域。对库区进行网格划分，网格平均宽度为50 m；网格间距不等，约为30 m～140 m（平均80 m）。研究区域共有8 159个网格。网格水深根据水下地形内插所得。

3.2 边界及初始条件

根据工程运行方式，模型共设3 个上边界，2 个下边界，均为流量边界。模型上边界分别为支流太乐沟、赵家川流量，干流入库库尾流量，入库流量根据来水流量得到。模型下边界为设计泄水流量，分别为向调蓄水库供水流量及生态环境流量。气象资料选取临近工程区的宁县气象站观测的数据采用月平均值，见表1。

表1 边界条件的月平均值

选取COD、TP、NH3-N 为预测水质因子。2018 年1 月初马莲河水库坝址断面实测值为初始水质参数，COD、TP、NH3-N浓度分别为28 mg/L、0.08 mg/L 和1.3 mg/L。

3.3 模型参数确定

马莲河水库为拟建工程，主要水质因子为COD、NH3-N、TP，各水质因子源汇项只包括水体自净作用下的衰减过程，其方程表达式见式（11）。

式中：Sφ为源汇项，mg/L；k（20℃）为20 ℃水温时各水质因子的降解系数；θ 为水质组分的温度修正系数；C 为相应水质组分的浓度，mg/L。

根据《全国水环境容量核定技术指南》的参数范围，参考《原型观测法在确定九龙滩水库污染物降解系数中的应用》《大型水库三维水质模型研究》 中对水库降解系数的研究，确定COD、NH3-N、TP 预测因子的水质降解系数如下：KCOD化学需氧量降解速率0.008、KEb背景消光系数0.45、KRP难溶解颗粒有机磷水解速率0.003、KLP易溶解颗粒有机磷水解速率0.01、KDP溶解有机磷矿化速率0.01、KRN难溶解颗粒有机氮水解速率0.005、KLN易溶解颗粒有机氮水解速率0.075、KDN溶解有机氮矿化速率0.05。

3.4 水质预测结果

根据上述搭建的模型，对马莲河水库枯水年不同水期（5 月、8 月、12 月）的水质进行预测，马莲河水库枯水年坝前水质预测结果详见图1、表2。

图1 水库库区枯水年丰水期水质预测结果

表2 库区枯水年各水期库区坝前水质浓度分布

4 结论

根据马莲河库区枯水年水质模拟计算结果，来水水质为库区水质状况的主要影响因素。马莲河水库丰水期COD、TP和NH3-N 浓度最高，平水期次之，枯水期最低。丰水期水质因子浓度高的原因是水库丰水期来水流量较大，入库污染物较多。坝前COD、TP 和NH3-N 浓度较低的原因为上游来水经过长距离降解和衰减。综上所述，在水库上游来水水质满足水功能区要求（Ⅳ类）的前提下，马莲河坝前水体水质总体良好，水质能够满足水功能区要求。本文为同类大型水库的水质预测提供一定的借鉴，也为马莲河水库工程建设和管理提供依据。