水库壅水对水源地水环境的影响研究

刘小华，魏炳乾，黄 磊，刘 星，李杰伟，刘艳梅

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.安康市住房和城乡建设局，陕西 安康 725000)

1 研究背景

水是人类生存的重要资源，与人类生活有着密切的联系[1-2]，水质安全关系着居民的健康。保障居民的用水安全，关键在于保护水源地[3]。随着社会的快速发展及社会需求的日益提升，越来越多的水电站处于在建或待建状态，但水电站的修建会影响天然河道原本的水文情势和水环境[4]。如三峡水库的兴建、蓄水导致污染带逐渐趋向岸边分布，使得重庆市岸边水源地，尤其是大型水源地的水质受到了威胁[5]。因此，在修建之前对水电站库区影响范围内水源地的水力特性及水环境进行预测分析是极其必要的。

由于水库建成后对河段内水质及水资源会产生影响，诸多学者在这方面进行了大量的研究，得到了较好的研究成果。杨晨等[6]对山西省最大的饮用水源地汾河水库不同情景下的突发性水污染事件进行了数值模拟，揭示了污染物的迁移规律，并得到了水库影响下发生污染后水源地的水质变化过程；刘江等[7]对鸭子荡水库周围的水质进行模拟计算，得出在水库影响下该河段水质指标随时间及空间的分布规律，为后续研究提供了基础条件；Feng等[8]通过对中国北方高寒地区某水库源水水质指标的跟踪监测，研究了水库建立后对供水水质的影响；冯慧春[9]对汾河水库及其河段内水源地的水环境质量变化进行了简要评价并提出了针对性的保护对策和修复方案，为保护该河段水源地的水环境奠定了基础；Jeznach等[10]使用数学模型对Wachusett水库进行评价分析，对水库库区内水源地的水质进行了模拟计算得到了各种工况下的水源地水质情况；田志静等[11]研究了坪上水库蓄水后对库区内水质的影响，采用现状的水质监测数据及现有污染源预测水库蓄水后库区内水流水质的变化情况，为保护库区内水环境提供了保障；卓海华等[12]采用多年的监测数据研究了三峡水库蓄水前至蓄水175m间的水质变化过程，讨论三峡水库建成前后对库区内水质的影响变化，得到了水库蓄水后水质指标之间的相互变化关系；Woldeab等[13]使用理化水质参数研究了埃塞俄比亚吉尔吉·吉贝水库内水流水质随时间和空间的变化；王兆波[14]根据实测数据对新立城水库、石头门水库、星星哨水库库区内的水质进行综合评价，分析了不同水库的水污染情况，并对水库的水质进行不同工况下的预测。虽然前人在针对水安全方面做了大量的研究，但都是基于现状的水环境进行分析，对即将修建或正在修建的水利工程对水环境的影响研究较少，无法为待建或在建的水利工程提供更为充分的理论依据。

为解决上述问题，本文以拟建的旬阳水电站工程为例，采用MIKE21水动力学模型耦合ECOLab水质模型的方式，对建库前后6种不同水力条件下的水动力及水质进行模拟计算，对比建库前后取水口流场分布以及化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3—N)等水质指标浓度分布，并找出最不利风险工况且对该工况进行水质的风险评价，为水电站修建后库区内水源地水环境保护问题的研究提供参考依据。

2 研究区概况

旬阳水电站位于安康市旬阳县，距上游安康水库坝址约63.4 km。旬阳水库属日调节水库，相应库容为2.6×108m3。旬阳水库坝址上游约48 km处的汉江南岸为安康市主城区，安康城区马坡岭水源地位于旬阳水库库区范围内，距安康城区以西3 km处，取水口位置在汉江南岸边，取水口高程为233.7 m，取水量0.3472 m3/s。取水口的对岸上游有月河汇入，其汇入口位于安康水电站坝址下游约14.2 km处，河口处多年平均流量为26.2 m3/s。研究区域示意图如图1所示。

图1 研究区域示意图

据马坡岭2007-2017年取水口水质监测显示，其现状水质均满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[15]Ⅱ类标准。汉江干流为水源地保护区，其来水水质满足要求，但位于马坡岭取水口对岸的月河支流，由于其沿岸生活污水及工业废水的排放，以及旬阳水库修建后水流流速减缓、水体自净能力降低，使得马坡岭取水口处的水质无法达到Ⅱ类取水标准，已经威胁到居民的饮用水安全。因此探讨旬阳水库建成后对马坡岭水源地水质的影响以及月河突发污染后马坡岭水源地的水质情况极为必要。

3 模型的建立

现行采用的水动力模型及水质模型可以用于简单的河流流域研究，模拟后分别得出河流的水力要素及水质状况，水动力-水质耦合模型可实现模拟复杂河流的水文变化过程及水环境的解析与模拟。多模型耦合的优势在于可以充分发挥各个模型的优势，模拟得出完整且较为精确的模拟结果。耦合的关键在于各个模型计算结果间的信息传递与交互，以下具体介绍二维水动力模型及水质模型。

3.1 二维水动力模型

二维水动力模型采用有限体积法将计算区域划分成三角形网格，对每个三角形网格分别进行水量和动量平衡计算，得出每个三角形网格边界沿法向输入或输出的流量和动量通量，然后计算出时段末各三角形网格的平均水深和流速。该模型的控制方程由水流连续方程和动量方程组成，即：

水流连续方程：

(1)

x方向动量方程：

(2)

y方向动量方程：

(3)

式中：h为水深，m；ζ为水位，m；p、q分别为x、y方向上的流通通量，mol/(m2·s)；C为谢才系数；g为重力加速度，m/s2；Ω为科氏力系数；Pa为大气压强，Pa；ρ为水的密度，kg/m3；V、Vx、Vy为风速及在x、y方向上的分量，m/s；f为风阻力系数；τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量，N/m2；S、Six、Siy为源汇项。

3.2 水质模型

ECOLab模型可以用来进行水质模拟、水质预测、水环境影响评价、水环境修复与水环境规划等工作[16]，可以用于描述水生态系统中多种物质的相互作用和形态转化过程[17]。该水质模型考虑了污染物在水体中的降解、扩散、迁移等过程，模型包含了水质迁移转化的基本方程和吸附过程的描述方程[18]。本文的水质指标有化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3—N)、叶绿素a(Chla)、总磷(TP)和总氮(TN)。在计算区域范围内的流域中主要考虑生活污水及工业废水的排放，COD、DO、NH3—N、TP、TN作为溶解相，碳、氮、磷的沉积物作为底泥相，Chla作为生物相。模型内各水质指标的基本方程如下所示：

溶解相水质指标基本方程：

(4)

底泥相水质指标基本方程：

(5)

生物相水质指标基本方程：

(6)

式中：Cd为溶解相水质质量浓度，mg/L；Cb为换算后底泥相水质质量浓度，mg/L；Ce为生物相水质质量浓度，mg/L；Nbd为解吸作用下底泥相向溶解相的转化量，mg；Ndb为溶解相向底泥相的转化量，mg；Nde为生物摄入作用下溶解相向生物相的转化量，mg；Ned为生物死亡作用下生物相向溶解相的转化量，mg；Neb为生物死亡与沉降作用下生物相向底泥相的转化量，mg；N1、N2为由于各种化学反应引起的物质损失量，mg。

3.3 模型初始及边界条件

数学模型依据实测的地形图建立，模型采用月河上游2 km与汇入口汉江上游1 km至下游2.2 km为计算区域，计算区域采用非结构网格，其最大网格面积为100 m2，网格单元数为28 666个，节点数为14 849个。

初始流场为静止状态，初始水质浓度为现状水质，其COD、DO、Chla、NH3—N、TN、TP浓度分别为3.79 mg/L、9.2 mg/L、0.15 μg/L、0.27 mg/L、7.81 mg/L、未检出。将水质监测点分别设置在汉江上游1 km处、月河2 km处、马坡岭取水口处以及取水口下游2 km处，对该4个取样点进行监测采集了多组水质指标数据作为实测资料。计算区域河道两岸边为固边界，上下游进出口为开边界。上游开边界包含两个，分别是月河汇入口上游2 km处和汉江上游1 km处；下游开边界设置在月河汇入口下游2.2 km处。两个上游开边界均采用流量边界，下游边界则采用水位边界。天然河道情况下，下游开边界的水位由安康市水文站提供的水文资料推算得出；建库后下游开边界则采用典型的水库运行水位，即水库正常运行水位241 m以及水库死水位239 m。月河上游2 km处的开边界采用流量边界，整理月河长枪铺水文站1959-2017年共58 a的水文资料，可得月河多年逐月平均流量,如表1所示。汛期采用多年9月份平均流量69 m3/s，非汛期采用多年1月份平均流量5.8 m3/s，除此之外计算域内包含区间产流。由于月河流域面积为2 830 km2，汉江干流安康大坝至月河河口段的流域面积约为291 km2，采用水文比拟法可得汉江干流安康大坝至月河河口段区间的逐月产流量，其结果如表1所示。

表1 计算河段多年逐月平均汇流量 m3/s

3.4 模型参数率定及设置

结合计算水域已有的水文和水质监测资料，选取安康水库坝址断面至安康水文站断面作为参数率定河段，该河段包括取水口在内。采用手动调参的方式对水动力模型及水质模型进行参数率定。按照两个断面的水位流量关系进行参数率定，以安康水文站给出的流量所对应的水位作为下游边界条件，通过调整使得计算的水位与实测水位相近，率定后的河道糙率为0.03，运动方程的涡黏系数CS是由湍流运动自身确定的[19]，模型的水平涡黏系数采用Samgorinsky公式计算，其中系数CS取0.28。

河道水质模型的建立及验证：经过参数敏感性分析后可知COD的降解速率系数对于状态变量COD、DO和NH3—N来说是敏感参数；总氮的一阶线性降解系数对于TN来说是敏感参数；总磷的一阶线性降解系数对于TP来说是敏感参数，所以率定的参数主要为COD、TN、TP的降解系数。天然河道的水质降解系数采用2018年10月现场实测的各水质浓度为率定资料进行率定，率定后的水质降解系数取值如表2所示；由于前人在汉江做过相应的研究，所以成库河段的水质降解系数根据已有的研究成果[20-21]取值，如表2所示。

表2 天然河道和成库河段的水质降解系数取值

4 模型计算结果与分析

4.1 计算工况

为研究旬阳水电站建成前后马坡岭取水口水文情势及水质的变化规律，依据汉江来水、区间产流及月河来水和水库运行水位在非汛期和汛期两种条件下，设定6种计算工况，见表3。

表3 模型计算工况

4.2 结果与分析

采用水动力学模型耦合水质模型的方法对以上6种工况进行模拟计算，结果分述如下。

4.2.1 水流模拟结果与分析 水源地取水口处各工况下流场模拟结果如图2所示。由图2可见，模拟的水域流场平顺，干、支流水流区分明显，月河汇入汉江的江心岛两侧水域流场稳定，河叉分汇流衔接良好，能较好地反映本河段的水流运动特性。

由图2(a)、2(b)可知，水库建成前的工况1、2，江心岛未被淹没。月河在非汛期时，其流量相比于汉江较小，马坡岭取水口处的流场主要受汉江来流影响。在汛期时，月河来流量增大，对取水口处流场的影响逐渐增大。月河在汛期与非汛期对取水口处的流速影响均较小，说明取水口处的流速大小主要受汉江来流影响。

水库建成后的工况3～6均为上游安康水库不泄水的情况。图2(c)、2(d)显示，工况3～4江心岛被淹没，由于下游水位抬高、水面上涨，使得取水口处的流速减小，取水口已经受到月河来流的影响。月河在非汛期时，其流量与汉江来流量较为接近，使得整个流场流速均匀；汛期月河流量的增大使得取水口处的流速大于非汛期，说明马坡岭取水口处的流速已经受到月河来流的影响。

图2(e)、2(f)显示，工况5～6相对于天然河道工况1～2，水库壅水致使取水口处的流速减小，取水口已经受到月河来流的影响。月河非汛期时取水口处的流速较小，汛期月河流量增大，取水口处的流速随之增大。

4.2.2 水质模拟结果与分析 各工况下水源地取水口处以COD浓度为例的水质模拟云图见图3。

图2 各计算工况水源地取水口处流场分布

图3 各计算工况水源地取水口处COD浓度分布

由图3可知，所有工况中马坡岭取水口处的COD浓度均满足地表水环境质量Ⅱ类水质标准，说明现状水域边界入流水质均满足要求，取水口处的水质未受到污染。对于天然河道工况1、2，由图3(a)、3(b)可知，马坡岭取水口处的水质主要受汉江来流水质的影响，而月河来流的COD浓度扩散带未扩散到取水口处，所以建库前月河来流的水质不会对取水口水质造成影响。对于成库后的工况3～4，由于安康水库未泄水，汉江来流只有区间产流，江心岛被淹没。由图3(c)～3(d)可知，月河来流的COD浓度扩散带已经对马坡岭取水口处的水质造成了影响，且月河汛期时取水口的水质主要受月河来流水质的影响。对于工况5～6，图3(e)～3(f)中江心岛未被淹没，月河非汛期扩散带部分已经随水流到达了取水口，相比之下，月河汛期时COD浓度扩散带更为靠近取水口。

各工况下水源地取水口处的各水质指标见表4。由表4可看出，由于现状水质条件下月河及汉江来水的水质达标，现状取水口处的各类水质指标均满足地表水环境质量Ⅱ类标准，取水口可供居民安全取水。建库前，月河非汛期与汛期的水质指标均相差很小，说明马坡岭取水口的水质主要受汉江来流水质的影响。建库后的工况3～6中，综合比较所有水质指标可知，工况6的水质相比其他工况更为良好。

表4 各计算工况水源地取水口处水质指标 mg/L

综合以上分析，因汉江属于水源地保护区，其水质必然是在标准范围内。现状水质条件下，取水口处的各水质指标均满足地表水环境质量Ⅱ类标准，但是建库后若月河沿岸发生污染极易对取水口处的水源造成威胁，严重影响居民的正常用水，给居民的生活带来不便，所以进行风险评估是极为必要的。

4.2.3 风险工况 依据以上马坡岭水源地取水口处流场及水质分析结果可知，建库后马坡岭取水口处水质主要受月河来水水质的影响。若是月河突发污染将会对马坡岭取水口的取水安全造成威胁，所以对建库后的工况进行以下风险评估。

假定突发污染源为月河沿岸的生活污水及工业废水的混合污水排放，依此给定4种风险工况的模拟计算条件如表5。

表5 各风险工况模拟计算条件

结果分析以COD为例，图4为各风险工况下马坡岭取水口处COD浓度随时间的变化图。从图4中可以看出，在风险工况1、2和4下，取水口处COD浓度随时间的增加而增大，一段时间后浓度超过了饮用水水源地限值。风险工况3取水口处COD浓度随时间的变化先增大后减小，其COD浓度维持在限值内。

对于风险工况1，0.5 d时取水口处COD浓度为3.79 mg/L，此时水质满足Ⅱ类标准，1 d扩散带边缘已经到达取水口，COD浓度为9.15 mg/L，2 d升至96.50 mg/L，此时取水口受到污染，取水安全已经无法得到保障，所以其响应时间在1 ～2 d之间，从图4中可看出具体响应时间为1.09 d；对于风险工况2，1 d时取水口处浓度为3.6 mg/L，水质满足Ⅱ类标准；2 d取水口处COD浓度升至25.32 mg/L，这时取水口处水质已不满足取水标准，其响应时间仍在1～2 d，具体时间为1.78 d；对于风险工况3，0.5 d时取水口处COD浓度为5.70 mg/L，由于汛期月河流量为69 m3/s且下游水位较前两个工况低2 m，1 d后取水口处COD浓度降为3.74 mg/L，随时间的推移浓度均满足地表环境质量Ⅱ类标准；对于风险工况4，0.5 d取水口处COD浓度为138.67 mg/L，远远超出地表环境质量Ⅱ类标准，所以其响应时间在0 ～0.5 d之间，具体为0.04 d。

图4 各风险工况下马坡岭取水口处COD浓度随时间变化

表6给出在各风险工况下4 d马坡岭取水口处各水质指标风险预测与评价结果。由表6可知，风险工况1、2和4的各水质指标均不符合地表水环境质量Ⅱ类标准，取水口的取水安全均已无法得到保障。风险工况3的各水质指标均符合地表水环境标准，即水力条件为安康大坝不泄水、月河为汛期、下游水位为239 m时，水质满足要求。从各指标来看，风险工况2中月河为非汛期且下游水位抬高，水流流速减缓，污染物浓度扩散较慢且水体自净能力变差，其水质条件最差，其次是风险工况1和4。

表6 各风险工况下4 d取水口水质指标浓度及风险评价 mg/L

综合以上风险分析结果来看，在风险工况1、2和4下，水源地水域均受到了不同程度的污染，这3种工况下若不进行相应的处置，其取水口COD浓度将长时间维持在较高水平，远超Ⅱ类地表水环境质量标准限值，将会危及居民饮水安全。针对以上3种情况给出以下对策：

风险工况1、风险工况2的风险响应时间分别为1.09、1.78 d，风险工况4的响应时间为0.04 d，应当在响应时间内及时关停马坡岭取水口取水设施，启用备用水源保障居民的正常用水。与此同时，水质监测部门和电站应当相互协调合作，采取安康大坝和旬阳大坝同时泄水的措施可及时缓解马坡岭取水口水质突发污染的问题。

对此针对该措施给出了相应风险处置工况的模拟计算(风险处置工况1、2、3分别对应风险工况1、2、4)。图5为当安康水电站泄流量为82 m3/s时各风险处置工况下取水口处的COD浓度随时间变化图，由图5可知，3种风险处置工况基本稳定后的COD浓度分别为3.67、3.59和3.62 mg/L，均可满足Ⅱ类地表水环境质量标准，相对于风险工况其水质得到了改善，取水安全不受威胁。

图5 各风险处置工况下取水口处COD浓度随时间变化

表7为各风险处置工况下4 d马坡岭取水口各水质指标的模拟结果。可以看出，3种处置工况下各水质指标均在标准限值范围内，满足Ⅱ类地表水环境质量标准，可以作为安全取水口供居民取水使用，及时解决了月河受污染危及取水口水环境安全的问题。

5 结 论

本文通过建立马坡岭取水口水域的水动力及水质预测模型，预测了旬阳水电站不同运行工况下马坡岭取水口水域的水文及水质变化趋势。对比了建库前后马坡岭水源地取水口的水质变化情况，模拟了最不利的风险工况并对以上预测结果进行了分析与评价。取得了以下主要成果：

(1)从水流模拟的流场来看，水库建成前，马坡岭取水口处的流场主要受汉江来流的影响。相比天然河道，建库后马坡岭取水口处流速均有不同程度的下降且取水口处水流主要受月河来流的影响。

(2)现状水质条件下，所有计算工况下整个水源地河段水质指标均在Ⅱ类地表水环境质量标准以内，说明在目前上游来水水质条件下，取水口水域河段水质良好。与天然河道相比，建库后水源地取水口处的水质主要受月河来水水质的影响，但是水质指标未出现大的波动且均在Ⅱ类地表水环境质量标准以内，也满足取水要求。

(3)风险工况下，月河污染扩散带0.04～1.78 d内即可影响到马坡岭取水口的水质，4 d后取水口水质基本达到稳定值，整个水源地河段各类水质指标均远远超出了地表水环境质量Ⅱ类标准限值，取水安全已无法得到保障。针对不同风险工况的响应时间，应当在响应时间范围内及时关停取水口，启用备用水源。除此之外，风险工况下若安康水库及时泄水82 m3/s，可使取水口的水质得到改善，能够及时解决月河水突发污染危及马坡岭取水口水质安全的问题。