基于不同运用情景的碧流河水库水质模拟研究

李 义

(辽宁省营口市老边区水利事务中心，辽宁 营口 115000)

1 工程背景

碧流河水库位于辽宁省境内碧流河的干流上，水库坝址距离下游入海口约55 km。干流全长156 km，流域面积2814 km2。碧流河水库坝址以上控制流域面积2085 km2，占全流域面积的74.1%。水库坝址以上多年平均径流量6.6亿m3[1]。水库设计库容为9.34亿m3，是一座以城市供水和防洪为主，兼有发电、灌溉和养鱼等综合功能的多年调节型大(2)型水利枢纽工程。在引碧三期工程建成之后，水库多年平均供水量可达4.03亿m3，为区域工农业供水提供了重要保障[2]。

为了解决辽宁省中部地区的严重缺水问题，实现区域水资源的优化配置，辽宁省设计建设了大伙房输水工程，其中，大伙房水库应急入连工程起于大伙房水库，碧流河水库作为受水水库，规划年引水量为3.0亿m3，这必然会给碧流河水库的调度造成显著影响。另一方面，作为大连市的重要水源地水库，其水质状况会对供水质量造成显著影响。基于此，此次研究利用水质-水量耦合模型，展开不同运用情景的碧流河水库水质模拟研究，为水库的调度管理提供必要的参考和借鉴。

2 研究方法

2.1 MIKE21水动力模型

水动力模块是MIKE21模型的核心模块，可以用于各种影响因素下流场变化过程的模拟，是波浪、水质以及泥沙粒子追踪等相关模块的模拟基础[3]。根据碧流河水库的研究区域范围，以及周边的地形和边界变化情况，确定具体的计算区域边界。将边界数据根据经纬度数据转化为通用投影坐标，然后，输入MIKE21模型，获得模型的模拟区域[4]。对模拟区域利用三角形网格剖分，将整个计算区域划分为18 853个网格单元，9867个节点。

将库区高程原始数据中不符合实际情况的数据进行处理，然后，将其转化为通用投影坐标连同库区的水深数据一起输入计算模型，并以网格剖分结果为依据进行插值处理，最终获取碧流河水库的地形图[5]。

根据碧流河水库的主要入库河流情况，选取碧流河、蛤蜊河等5条主要入库河流以及大伙房水库应急入连工程入库口作为模型的流量边界，将碧流河水库大坝部位定义为水位边界，根据各入库河流的逐日入库流量数据构建入库流量的实践序列，根据大坝的坝前水位数据建立水位实践序列。

此次水动力模拟选取2020年1—12月作为模拟时段，总时间步长为365 d，主时间步长为1 d，也就是86 400s。

2.2 MIKE21水质模型

MIKE21模型的水质模块主要包括对流扩散模块以及ECO Lab模块。其中，对流扩散模块主要用于解决比较简单的水质问题，ECO Lab模块主要用于解决复杂的水质变化问题[6]。因此，此次研究选择ECO Lab模块进行模拟，并实现与水动力模块的耦合。由于碧流河水库水域面积广阔，单一的污染物并不能准确反映水库的水质情况[7]。结合历年水质数据和筛选分析，选择叶绿素α、氨氮和总磷三种主要污染物作为模型的污染物指标。

水体中的污染物会随着水力流场的运动而发生扩散，并用扩散系数表示其扩散的快慢程度，其大小一般仅受到流场的影响[8]。结合碧流河水库的实际情况和相关文献数据，确定碧流河水库的扩散系数的初步范围并进行率定，最终确定扩散系数为0.15 m2/s。

降解系数主要反映了水体的纳污和自净能力，结合碧流河水库的实际情况和相关文献数据，确定碧流河水库的降解系数的初步范围并进行率定，最终确定氨氮和总磷的降解系数分别为0.0106/d和0.0031/d。

水质模拟模型的初始条件为水库的污染物初始浓度，为减少模拟结果对初始条件的依赖，研究中选择之前的模拟结果作为初始条件。模拟过程以水动力模拟为基础，时间步长等参数值相同。

2.3 模拟方案

根据构建的水动力-水质耦合模型，重点探讨和分析碧流河水库在不同运行模式下的水质变化过程，旨在为改善碧流河水库的水质以及为水库的运行管理提供参考和建议。由于碧流河水库承担着向大连市供水的重任，因此，其下游的生态水量近年来亏缺比较明显，大伙房水库应急入连工程对缓解这一矛盾具有重要意义。在这一背景下，研究中设置新的调水和生态流量下泄控制情景，设计出如下4种计算情景方案：

情景1：初始情景，也就是原入库+原下泄方案；

情景2：不进行跨流域调水。保持原有水库的调度条件，仅考虑满足下游最小生态需水流量限制；

情景3：进行跨流域调水，从大伙房水库引水3.0亿m3，同时按照原有的下泄方式排放流量；

情景4：进行跨流域调水，从大伙房水库引水3.0亿m3，同时满足下游最小生态需水量进行下泄流量限制。

3 计算结果与分析

3.1 叶绿素α

由于碧流河水库比较狭长且汇水水源主要位于上游，因此，水库水质在空间分布方面存在显著的不均匀特征，这就造成调水和生态下泄过程中水库上游、中游和下游的水质改善效果并不一致。基于此，此次研究中利用构建的模型对水库上游、中游和下游库区的叶绿素α空间分布特征进行计算，获得不同库区的叶绿素α峰值和均值，结果如表1所示。由表1可以看出，与情景1相比，情景2和情景3下水库的上游和中游叶绿素α峰值和均值均呈现出明显的增大趋势，情景4则呈现出明显的减小趋势。水库下游仅情景2呈现出明显的上升趋势，而情景3和情景4均呈现出明显的下降趋势。

3.2 氨氮

利用构建的模型对水库上游、中游和下游库区的氨氮空间分布特征进行计算，获得不同库区的氨氮峰值和均值，结果如表2所示。由表2可以看出，相对于情景1，在情景2、情景3和情景4工况下水库的上游和中游氨氮的峰值和均值都有呈现增大的变化趋势，尤其是情景3的增加幅度明显偏大。在水库的下游，仅情景3的峰值呈现出显著的增大特点，其余情景均呈现出减小的变化趋势。由此可见，在进行跨流域调水过程中，氨氮呈现出显著的增大的变化特征，而同时考虑生态下泄的情况下，可以对氨氮峰值和均值呈现出一定的控制效果。

表2 不同应用情景氨氮峰值与均值计算结果

3.3 总磷

利用构建的模型对水库上游、中游和下游库区的总磷空间分布特征进行计算，获得不同库区的总磷峰值和均值，结果如表3所示。由表3可以看出，相对于情景1，在情景2、情景3和情景4工况下水库的上游、中游和下游的总磷峰值均呈现出增加的特点，情景3的总磷均值呈现出增加的特点，而情景2和情景4中游和下游的总磷均值呈现出减小的变化趋势。

表3 不同应用情景总磷峰值与均值计算结果

4 结 语

碧流河水库是大连市的重要供水水源地，对其进行水质监测和研究具有重要的理论价值、经济价值、社会价值和生态价值。此次研究通过构建碧流河水库的水动力-水质模型，模拟计算了主要水质指标在水库不同应用情景下的空间变化特征，对水库的运行管理具有一定的支持作用，对相关类似研究也具有借鉴意义。当然，此次研究也存在不足之处，主要是由于收集的资料有限，泥沙和垂向水质等数据缺乏，因此，没有展开泥沙沉积对氮磷等污染物分布的影响。在今后的工作中，需要纳入这方面的研究，以便获得更切合水库实际的研究结果。