水质监测与模拟在陡河水库调度中的研究应用

崔立军

(唐山市陡河水库事务中心，河北 唐山 063021)

陡河水库位于我国北方平原地区，是一座以防洪为主，兼供唐山市市区工业和生活用水及库区周边和下游工农业生产用水等综合利用的大型水利枢纽工程。由于历史原因，作为饮用水源地的该水库周边仍保留陡河电厂、碱厂等几家大型企业。其中陡河电厂将水库作为冷却池，年均循环水量达11.4亿m3(2010—2018年统计数据)，大量温排水的汇入加之库区自身库容较小、水深较浅，使得库区水体增温效果极为显著。近年来，随着周边经济的发展，营养盐面源输入逐渐增加，加之温排水导致水体增温的复合影响，使得库区水体富营养化日益严重。近年来，库区局部皆有小规模水华爆发，不仅对水体环境带来不利影响，也给饮用水安全带来极大的危害。作为唐山市城市居民生活和工农业生产用水的重要水源地，陡河水库水质安全关乎着整个唐山市人民的切身利益，陡河水库富营养化的防治成为相关部门工作的重中之重。

1 陡河水库富营养化监测与评价

2018年4月4日和2018年4月26日赴陡河水库6个采样点(1#坝口、2#东支入口、3#西支入口、4#温排水口、5#库南端和6#库中心)采集了水样和沉积物样品，现场测定了水温、透明度和溶解氧，实验室内分析了总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、磷酸盐、高锰酸盐指数、叶绿素a和浮游植物；实验室内分析了沉积物样品的总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有效磷。

1.1 实验数据分析评价

1.1.1 综合营养状态指数法

综合营养状态指数计算公式:

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(2)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(4)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

(5)

式中，叶绿素aChl单位为mg·m-3；透明度SD单位为m；其它指标单位均为mg·L-1。

以Chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式:

(6)

式中，rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数。

表1 陡河水库用于综合营养状态指数计算的各参数数值

根据上述公式计算得出，TLI(∑)=41.66。参照前述的分级方法，采用综合营养状态指数法评价得出的结论是陡河水库处于中营养状态。

1.1.2 Carlson营养状态指数法

(7)

(8)

(9)

式中，TSI为Carlson营养状态指数；SD为湖水透明度值，m；Chla为湖水中叶绿素a含量，mg·m-3；TP为湖水中总磷浓度，mg·m-3。

将陡河水库水样监测结果带入上述营养状态指数公式，利用透明度、总磷和叶绿素a算得的TSI值分别为53.13、55.23和50.91，按照上述分级标准，陡河水库水体目前处于中营养的状态。

1.1.3 底泥理化指标检测结果与分析

将陡河水库的主要富营养化指标与太湖(2002年数据，当时太湖处于富营养化状态)进行比较，发现陡河水库表层底泥总氮的平均水平(0.182%)高于太湖总氮的平均水平(0.118%)；但陡河水库底泥总氮的最大值(0.340%)和最小值(0.019%)都低于太湖底泥总氮的最大值(0.471%)和最小值(0.031%)。太湖表层底泥总磷平均含量为0.059%，最大值为0.33%，最小值为0.032%。陡河水库表层底泥总磷平均含量为0.038%，最大值为0.80%，最小值为0.014%，整体低于太湖的磷含量。

表2 2018年4月26日陡河水库沉积物富营养化指标监测结果

1.2 陡河水库自动化在线监测数据分析

表3 2018年陡河水库水质营养化状态

从图1看出，陡河水库在汛期7—8月的富营养化指数较非汛期要高，在汛期，由于透明度降低，总磷含量升高引起。汛期水温较高，水体中各种化学反应增多，引起磷含量升高；汛期，大量降水冲刷地表，引起地表磷流失，水体总磷含量升高，夹杂泥沙引起水体透明度下降，反应在整体上富营养化指数增加。

图1 2018年陡河水库富营养化指数变化

2 陡河水库富营养预测模型

陡河水库属于浅水型水库，平均水深3m左右，库区无明显分层现象。若从运算速度、前期准备工作量等方面考虑，采用二维模型MIKE21更为经济。但是陡河水库与其他浅水型水库最大的不同就在于库区内存在温排水口。陡河电厂每天排出的温排水对于库区水温影响巨大，有可能导致库区水体形成分层，同时也是导致水库富营养化的关键因素。实际水库水流流动均为三维流动，特别是外在点源(温排水口)附近，其水流流动形态相当复杂，紊动加剧将促进温度扩散，而温度分层又会抑制紊动扩散，鉴于上述分析，本次采用独具特色的MIKE3和MIKE21相结合的模型对水温和富营养化因子进行模拟，MIKE3 FlowModel FM作为水动力模拟模块，主要对水温进行模拟；MIKE21搭载的ECOLAB模块作为水质模块，主要对库区进行富营养化模拟。本次分析耦合了MIKE21和MIKE3 2种模型对陡河水库的水质水动力进行综合模拟。

2.1 边界条件设定

对于水动力边界，由于所获取到的水位资料不多，本次模拟采用流量边界。以2017年历次调水流量数据，见图2，作为上边界条件，同期输水洞放水量，见图3，作为下边界条件，陡河电厂取水口及自来水厂总取水量，见图4，作为左边界条件。以陡河电厂温排水口排水量，见图5，曹妃甸和碱厂取水口总取水量(7.6万m3·d-1)作为内部条件。图6、图7分别为2017年温排水口处经差值后的总氮浓度和水温值。

图2 2017年陡河水库历次调水量(上边界)

图3 2017年陡河水库输水洞历次放水量(下边界)

图4 2017年陡河电厂及自来水厂每月取水量(左边界)

图5 2017年陡河电厂温排水口每月排水量

图6 2017年经差值后的温排水口处总氮浓度

图7 2017年经差值后的温排水口处水温情况

2.2 模型率定及验证

2.2.1 模型率定

率定选取输水洞(水库排水口)、温排水口、库区中心作为模型率定的3个点位，选取获得的2018年监测数据作为率定数据，选择水量、水位、水温3项指标作为率定指标。

2.2.1.1 水量的率定

通过比较，发现输水洞放水量模拟值与实测值之间变化趋势大致相同，共有5次放水期，跟获取到的2018年调水放水数据相吻合。

2.2.1.2 水位的率定

由于库区水位监测数据不足，因此选取2018年6月21日—7月16日这一时段库区水位监测值跟模型模拟值进行比较，可发现模拟值跟实测值之间虽有微小差别，但是总体趋势保持一致。分析原因可能是没有考虑降雨、蒸发的影响，导致水位模拟值较监测值偏高。综合分析，本次水位模拟结果可以满足模型精度要求。

图8 模型率定所选点位

2.2.1.3 水温的率定

通过水温模拟值结果可以看出，水温跟水位相比，模拟值与实测值之间差距相对较大，但总体趋势保持一致。虽然3个站点水温模拟的结果较实测值有差距，但模拟的整体趋势跟实测值是一致的，最大峰差不到3℃，相对误差不超过15%，从模型角度看，模拟结果是可以接受的。

2.2.2 模型验证

将模型率定阶段得到的参数应用到2018年陡河水位、水温、水质模拟中，从而检验这套参数在时间上的可移植性。同样，选取下边界(输水洞)、温排水口及库区中心作为验证站点，选择水位、水温作为验证指标。

通过2018年库区水位模拟值与实测值对比可知，该模型的可移植性比较强，模拟值与实测值确定性系数R2达到0.8987，与y=x曲线极为接近，峰值绝对误差0.22。仅在6月份出现小峰值相差较大，相位不一致现象，分析原因可能是当月降雨、蒸发等外在因素干扰较为强烈，导致出现峰值误差相对较大的现象。从目前来看参数还是适用于水位模拟的，而且更多、更为连续的水位监测数据有利于提高模型模拟的稳定性和准确性。

通过对3个站点水温模拟值与实测值之间的对比可知，水温模拟值较实测值差距不大，输水洞和温排水口处误差相对较大，库心较小；最大温差出现在6月份输水洞处，为2.7℃，分析原因可能是受降雨影响，库区水温会出现剧烈下降，而模拟时由于缺乏降雨数据，从而导致模拟值比实测值大的现象出现。总体来说，在现有资料不足尤其缺乏降雨、蒸发等关键数据的前提下，水温模拟精度是可以接受的，该模型的可移植性也是较强的。

3 陡河水库富营养化趋势预测

在对库区详细了解的基础上，结合研究区的特点，决定采用MIKE3和MIKE21相结合的模型对库区水体水质及富营养化趋势进行预测。

3.1 情景设定

本次模拟就以气温(影响水温)、入库污染物浓度、调水量(影响库区水位)作为模型边界条件，选取蓝爆容易爆发的时间段(6—10月)，分如下6个情景进行分析，见表4。

表4 情景分析的条件组合

3.2 情景分析

3.2.1 情景1

情景1，针对气温极端年份，当调水量是平常年份的1.2倍，上游污染物浓度保持平常年份水平，模拟库区水体水质及富营养状态。富营养化评价结果见表5。

表5 情景1下各点位周边水域总体富营养状态

图9 情景1下不同点位周边水域综合营养指数对比

3.2.2 情景2

情景2模拟在气温极端年份，上游来水水量及污染物浓度保持在平常年水平，库区水体水质及富营养状态。富营养化评价结果见表6。

表6 情景2下各点位周边水域总体富营养状态

图10 情景2下不同点位周边水域综合营养指数对比

3.2.3 情景3

情景3，模拟在气温极端年份，当上游来水污染物浓度为平常年份的1.5倍，调水量为平常年水平时，库区水体富营养状态，模拟结果见表7。

图11 情景3下不同点位周边水域综合营养指数对比

表7 情景3下各点位周边水域总体富营养状态

3.2.4 情景4

情景4模拟值在气温平常年份，当上游来水污染物浓度为平常年1.5倍，调水量为平常年的1.2倍时，整个库区水体富营养化状态模拟结果见表8。

表8 情景4下各点位周边水域总体富营养状态

图12 情景4下不同点位周边水域综合营养指数对比

3.2.5 情景5

情景5模拟值在气温平常年份，当上游来水污染物浓度保持在平常年水平，调水量为平常年时，整个库区水体富营养化状态，模拟结果见表9。

表9 情景5下各点位周边水域总体富营养状态

图13 情景5下不同点位周边水域综合营养指数对比

3.2.6 情景6

情景6模拟在气温平常年份，当上游来水污染物浓度为平常年的1.5倍，调水量为平常年水平时，整个库区水体富营养化状态，模拟结果见表10。

表10 情景6下各点位周边水域总体富营养状态

3.3 情景分析结果

通过上文各情景分析可知,6个情景中，情景3和情景6下水体综合营养指数相对较高，富营养化状态也最为严重，4个点位周边水域6—10月间皆处于中度富营养状态。且情景3和情景6下，各点位周边水域在个别月份综合营养指数值已超过65，在中度富营养状态中，属于重度水平。而其余情景下各点位周边水体总体处于轻中度富营养状态，温排水口周边水域富营养状态较其他点位周边水域小，这可能是因为水温过高，抑制藻类生长的缘故。

图14 情景6下不同点位周边水域综合营养指数对比

4 水华爆发的风险分析

风险评价方法采用构建以营养盐(总氮和总磷)浓度、氮磷比、水温3个参数为主体的水华风险评价体系，见表11。将水华爆发的风险分为高风险、中风险和低风险3个等级，并对上述6种情景进行风险分析。

表11 陡河水库富营养化风险评价体系

按上述水华风险评价方法，对6种情景下水华爆发的风险进行分析，并将高风险时段及点位汇总如下，见表12。值得说明的一点是，尽管低风险爆发水华的可能性不大，但不排除在某些外部因素(如光照和风速)的复合作用下库区局部会爆发水华，因此同样应给以重视。

由表12可知，6月和9月是水华爆发的高风险期，在这一段时期内，水体营养盐浓度、氮磷比、水温皆满足藻类大量繁殖的条件，水华爆发的风险极大。若6月份爆发水华，水华爆发的规模相对较小，爆发区域一般会在输水洞周边水域，而曹妃甸取水口正位于这一区域。水华爆发将会对供水带来极大冲击，水体表面漂浮的过量的藻类会阻塞抽水泵滤网，给过滤过程带来障碍，需要改善和增加过滤措施，增加调水成本；由于富营养化水体中含有硝酸盐、亚硝酸盐以及硫化氢、甲烷等有毒有害气体，增加了水处理的难度，既影响了制水厂的出水率，同时也加大了制水的成本费用。鉴于水华爆发的只是局部区域，因此，对陡电及自来水厂取水口的取水造成的影响不大。

表12 不同情景下水华爆发高风险水域及可能的爆发时段

若9月份爆发水华，则爆发范围很有可能是整个库区。此时，带来的危害将不仅限于对供水带来的冲击，整个库区水生环境将会遭受毁灭性打击。由于库区水温较高，藻类繁殖旺盛的同时，其死亡分解的速度也大大加快，因此库区水体溶解氧将会在极端时间内消耗殆尽，水体水质急剧恶化，水生生物尤其是大型水生生物将会大量死亡。此外由于厌氧腐败，水体将会散发一种恶臭气味。此时，水体已经不适合生物生存，更不用说作为生活水源。这种状态是富营养化的最终状态，对水体造成的危害也最为严重且是不可逆的，应坚决避免此类情况的发生。

5 陡河水库富营养化防治对策

当整个库区爆发水华或大部分水体爆发水华时，一般的物理除藻、充氧曝气等手段已经不足以应付，此时，最重要最有效也是最迫切的方法便是应急调水。应急调水往往受限于外来水源，对很多水库来说该法行不通，但是陡河水库本来就通过上游水库调水来维持正常的蓄水水温，因此应急调水对陡河水库富营养化防治来说是切实可行。通过上游水库的应急调水，首先稀释作用可使水体中营养元素的浓度降低，使得藻类失去了大量繁殖的营养基础；通过外来调水可降低库区水体水温，降低了藻类繁殖速度；外来调水可加速库区水体流动，改变水动力条件，使水体中溶解氧、透明度等理化指标得到改善，同样可抑制藻类的生长；通过调水与放水，可以将水华爆发时漂浮在水面上的大量藻类冲走，既可以改善水质与水景观，又可以避免藻类死亡后腐烂导致水体缺氧，给水体生态带来的毁灭性伤害。

为了解和掌握应急调水对缓解库区水华的效果，将调水前后的库区水体水质及富营养状态做下对比，以便为日后水华应急处理调水时间及调水量的确定提供科学依据。

以情景3为例，在气温极端年份，上游来水量为平常年水平，污染物浓度为平常年的1.5倍的情况下，整个库区除温排水口附近水域外，其余点位周边水域在9月份期间爆发水华的风险极高，因此，尝试用以下2种方案向水库调水，见表13，并通过对比找出合理调水量。所谓合理调水量是指将库区水质改善到水华爆发的境界线以下。即改变营养盐条件、氮磷比、水温3个条件，使库区水体不在处于藻类最适宜生长所需要的状态。

表13 情景3状况下应急调水方案

设外来调水水质符合《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅱ类水质标准。

5.1 方案1

方案1下，各点位周边水域调水前后水质变化见图15～17。由图可知，在方案1下，调水800万m3水时，各点水温只在调水期有较大幅度的降低，调水期结束水温又逐渐恢复到调水之前。其余水质指标有相对较大的改善，其中库心和输水洞周边水域氮磷比在调水之后皆降低至10以下，在这种情况下，从总体上看对水华爆发起到了一定的控制和缓解作用。但是取水口周边水域氮磷比在调水前后短暂降到10以下后，又恢复到10以上，且此时水温、总氮总磷浓度也都处于水华爆发所要求的条件之内，对取水口周边水域来说此应急方案控制风险的效果并不理想。

图15 应急调水前后取水口水质变化

图16 应急调水前后库心水质变化

图17 应急调水前后输水洞水质变化

因此，从总体来看方案1可以起到应急作用，但从局部来看仍有部分区域处于水华爆发的高风险中，要想彻底控制水华爆发，仍需加大调水量。

5.2 方案2

方案2下，各点位周边水域调水前后水质变化见图18～20。由图可知，当调水量为1200万m3水时，各点位周边水域水质指标较方案1都有较大改观，虽然水温及总氮、总磷浓度因本底浓度及调水自身水质浓度没能降到风险值以下，但是氮磷比有了较大变化。取水口、库心、输水洞3个点位氮磷比在调水之后剧降至10以下，且随着时间发展没有反弹，因此尽管此时水体中氮磷浓度稍大，但由于氮磷比发生了相对较大变化，藻类失去了大量繁殖的最佳营养基础，可以起到遏制藻类生长和水华再次爆发的效果。

图18 应急调水前后取水口水质变化

图19 应急调水前后库心水质变化

图20 应急调水前后输水洞水质变化

无论从总体还是局部来说方案2都能起到应急作用，在实际操作中也是可以借鉴和使用的。

6 结论

6.1 结论

在对陡河水库分2次采集的水样和沉积物样品系统分析的基础上，同时多种方法系统评价了陡河水库的富营养化状况，通过各种方法获得了比较一致的评价结果，即陡河水库水体目前处于从中营养向富营养过渡的状态。

耦合了MIKE21和MIKE3 2种模型对陡河水库的水质水动力进行综合模拟，MIKE3 FlowModel FM作为水动力模块，主要对水温进行模拟，MIKE21搭载的ECOLAB模块作为水质模块，主要对库区进行富营养化模拟。

设置不同情景，采用构建的模型对库区水体水质变化进行模拟，结果表明，在6个情景中，情景3和情景6下水体综合营养指数相对较高，富营养化状态也最为严重，4个点位周边水域6—10月间皆处于中度富营养状态，且各点位周边水域在个别月份综合营养指数值已超过65，在中度富营养状态中，属于重度水平；在该2种情景下，取水口周边水域在9月中下旬—10月上旬、输水洞周边水域在6月和9月、库心周边水域在9月，属于水华爆发高风险。

风险应急对策研究表明，对于易见的情景3采用调水量800万m3的应急方案，水质有较大改善，可以起到应急作用，但仍有部分区域处于水华爆发的高风险中；采用调水量1200万m3的应急方案，水质得到明显改善，可以起到遏制藻类生长和水华再次爆发的效果。

本课题成果在实际应用过程中，利用实用新型专利“2019218211912一种水生植物净化黑臭水体装置”和“2019217879419一种插入式水质净化用荷花种植装置”对富营养化水体实施修复；利用发明专利“2019111313604一种可调节流态的管道连接装置”稀释富营化水体浓度，对库区水环境修复取得了明显的效果。

6.2 特色与创新

将MIKE21的水质模型和MIKE3的水动力模型相耦合，解决了在资料有限的情况下，水库水质精准模拟的难题；依据所建立的耦合模型，通过情景模拟，发现了2种富营养化风险较高的情景，为水库风险应急对策的制定提供了靶向。

分析发现，温排水口周边水域综合营养指数值相对自来水公司取水口、库心和输水洞等水域的综合营养指数值偏低，这与一般水体增温加剧富营养化的传统认识不同，从而可将该水域富营养化防治重点转为非重点。

创新性地提出不同情况下精准的水量调节“调放结合”的应急对策，模拟结果表明该应急对策对于水华爆发具有较好的抑制效果，为细化水库富营养化应急管理方案提供了科学依据。