不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,黄埔恒不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究J水利科学与寒区工程,():不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究黄埔恒(山东省菏泽市河湖流域管理服务中心,山东 菏泽 )摘要:为了解闸坝水闸调控对下游河流水体富营养演变的规律,基于M I K E 构建起闸控河流二维富营养化模型,并结合现场试验数据,对不同水闸调控方式下的富营养演变过程进行对比.结果表明:当采取孔 c m开度时,水体中溶解相和悬浮相污染物会沉积在底泥中,导致底泥相污染物含量大幅度提升,而当增加闸孔开启数量和开度时(集中下泄方式),下游水体溶解相和悬浮相的污染物会显著增加;单纯采取水闸调控方式不足以对下游富营养产生根本性的作用,还需要借助于污染物削减方式对水体中污染物进行清除,才能从根本上解决闸坝下游的水体富营养问题;研究结果对于闸坝下游水环境和水生态治理问题具有一定的指导作用.关键词:水闸;调控方式;二维富营养化模型;溶解相;悬浮相;底泥相中图分类号:T V ;X 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:黄埔恒(),男,山东菏泽人,工程师,研究方向为水利工程管理.E m a i l:h u a n g p u h e n g c o m.研究区概况洙赵新河源于东明县木庄,流经菏泽、鄄城、郓城、巨野、嘉祥等地,最终流入南阳湖,全长 k m,流域面积约为 k m,流域面积超过 k m的支流主要包括郓巨河、鄄郓河、洙水河等 条,全河防洪水位为 m,防洪 流 量 m/s,入 湖 口 防 洪 流 量 为 m/s.洙赵新河是受污染比较严重的河流之一,主要污染源为工业废水、农业污水和生活污水,同时也与流域内修建的众多水闸水利工程有关,水闸工程虽然能够防治水害灾害,但也改变了天然径流过程,给流域生态环境带来较大影响,尤其是水闸上下游的富营养现象尤为严重.富营养化模型构建 研究对象及数据k闸为洙赵新河上的第一大闸,包含 孔浅孔闸和孔深孔闸,单个浅孔闸的净宽为m,高度 m,位 于 河 流 右 岸,单 个 深 孔 闸 的 宽 度 为 m,高度 m,位于河流中部,船闸位于河流左岸,宽度为 m,深孔闸和船闸始终处于关闭状态.以该闸上下游 k m范围为闸控流域研究对象,在模拟之前,共对水闸上下游开展了次调度实验,并将实验数据作为模拟的初始数据,实验过程中共对上下游个断面处的水质进行了监测,主要 对 溶 解 相、悬 浮 相 以 及 底 泥 相 等 共 计 个 指标进行了监测.水闸布置及监测断面示意见图.图水闸布置及监测断面示意图 富营养化模型建立首先,将模型 底图导 入M I K E 中,利 用M I K E 自带的工具来绘制模型的计算边界 ,并划分陆地边界、上游边界和下游边界;然后,将水闸上下游的地形数据导入模型中,上中游地区采用三角形网格划分方式对模型进行划分,网格面积为 m,在水闸处进行了局部加密,在下游地区采用四边形进行网格划分,横向和纵向的最大长度分别为 m和 m,整个模型包含 个网格和 个节点;最后,对网格划分后的模型进行地形插值操作,同时确保每个网格都有对应的地形数据,插值完成后导出m e s h文件.如图.图富营养化模型构建结果 模型边界和参数设置模型的水质初始边界以前次现场实验实测数据为基础,具体情况见表.模型模拟时间跨度为 h,分 步,每一步的主时间步长为m i n;模型C F L设置为 ,最小和最大时间步长分别设置为 s和 s;干水深设置为 m,淹没水深设置为 m,湿水深设置为 m;表水质初始边界值m gL水质指标初始边界值水质指标初始边界值D O 溶解相T P 氨氮 悬浮相T P 硝酸盐氮 底泥相T P 溶解相C O D 溶解相ON 悬浮相C O D 悬浮相ON 底泥相C O D 底泥相ON 溶解 相 和 悬 浮 相 指 标 的 扩 散 系 数 均 设 置 为 m/s.闸门调控方式确定由于深孔闸和船闸长期处于关闭状态,因此,仅对不同浅孔闸启闭状态下的情景进行模拟分析,考虑浅孔闸的启闭数量和闸门的开启高度,分为以下 种情景:浅孔闸全开,闸门开启高度分别为 c m、c m、c m和 c m,浅孔闸集中开启 孔,闸门 开 启 高 度 分 别 为 c m、c m、c m和 c m,浅孔闸只集中开启孔,闸门开启高度仍然为 c m、c m、c m和 c m,最后一种为无闸门开启情景.以闸后断面的水位、流量和流速模拟结果为例,利用构建好的富营养化模型对下游的水动力指标进行模拟,结果见表.通过模拟数据与现场实测结果进行对比,发现模拟结果与实测结果的误差控制在以内,表明构建的富营养化模型是合理的,模拟结果是准确可靠的.表水质初始边界值情景闸门调控方式平均水位/m平均流量/ms平均流速/ms 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 孔 c m 无闸调控 模拟结果分析 评价指标为了表征不同水闸调控方式对水质的影响,引入贡献率指标来对采取水闸调控后和常规河道水质浓度的差异程度进行量化,如式()所示 .第期黄埔恒不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究ppp ()式中:为指标贡献率,;p为水闸调控下的某水质指标浓度,m g/L;p为没有水闸调控时的对应指标浓度,m g/L.当时,表示水闸调控使水质指标浓度增加,当时,表示水闸调控使水质指标浓度减小.溶解相指标分析以闸后断面为例,不同水闸调控方式下溶解相指标贡献率对比见图.从图中可知:水闸调控对D O、溶解相C O D、溶 解相T P、溶解 相ON和硝酸盐氮的贡献率均为负数,而对氨氮的贡献率为正,对于溶解相C O D的贡献率最大,其次为溶解相ON和硝酸盐氮,接着依次为D O、氨氮和溶解相T P,当采用孔 c m开度进行水闸调控时,对闸后断面处的水质指标减少贡献率最大,分 别 可 以 达 到 、和 ;相同闸门开启数量下,增大闸门开启高度,会降低闸门调控的效果,导致贡献率减小,这主要是因为增加闸门泄流量后,会将上游的污染物带到下游,导致下游的水体污染物含量升高,故而贡献率减小;相同闸门开启高度下,减小闸门的开启数量,贡献率反而会降低,这也是因为增加了泄流量导致下游污染物增加所引起.悬浮相指标分析不同水闸调控方式下悬浮相指标贡献率对比见图.从图中可知:水闸调控方式对悬浮相水质的贡献率有正有负,对悬浮相T P的贡献率大于对悬浮相ON和悬浮相C O D,水闸开启数量越少、开启高度越低,下游的水质越好,这是因为当增大下泄流量时,对于下游的底泥具有更大的扰动作用,导致底泥的再悬浮作用增强,从而降低下游的水质;同理,当采取孔 c m开度进行水闸调控时,能达到最好的调控效果,此时,对悬浮相T P、悬浮相ON和悬浮相C O D的贡献率分别为 、和 .底泥相指标分析不同水闸调控方式下底泥相指标贡献率对比见图.从图中可知:水闸调控对于底泥相的贡献亦是有正有负,但总体上对于底泥相的贡献为图水闸调控方式下溶解相指标贡献率对比图不同水闸调控方式下悬浮相指标贡献率对比正,且贡献率绝对值远大于溶解相和悬浮相,最大可达到 ,这说明采取水闸调控后,下游底泥的污染物会增加,尤其在闸孔数量和开度较小水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷情况下,贡献率尤为明显,这主要是因为下游底泥污染物含量与河道的水流流速有关,当水流流速大于再悬浮的临界流速时,底泥相的污染物含量在再悬浮作用下降低,当水流流速小于再悬浮的临界流速时,底泥相的污染物会沉积在河底.当采取孔 c m开度时,对底泥相T P和底泥相C O D的贡献率最大,当采取 孔 c m开度时,对底泥相ON的贡献率最大.图不同水闸调控方式下底泥相指标贡献率对比 结论水闸调控方式对于下游底泥相的影响远大于溶解相和悬浮相的影响,当闸孔开始数量和开度较小时,对于下游水质的调控作用最为明显,大量溶解相污染物和悬浮相污染物会沉积在底泥中,导致底泥中污染物含量大大增加,因此单纯采取调控下泄流量方式对于下游富营养是不利的,建议在今后采取水闸调控污染物削减方式对下游富营养进行联合调控.参考文献:李慧玲,陈菁,金秋,等水闸规模对河道水动力水环境的影响研究J人民长江,():,吴嬿靖水闸调度对河流水质变化的影响J工程技术研究,():梁力水闸调控对河流富营养化演变的驱动机制研究D郑州:郑州大学,第期黄埔恒不同水闸调控方式对下游富营养演变的影响研究