闸控河段水质多相转化规律分析

郭俊涛

(抚顺县水务局，辽宁 抚顺 113006)

坝是辅助人们开发管理水资源的重要工具，在生态保护、灌溉、观赏、防洪、通航养殖等方面起着积极作用。闸控河段是指在河道上建立闸坝等水利工程，其最主要的是影响调控水质迁移转化过程[1]。闸控河段的水质迁移转化过程和水动力因子变化剧烈，引起水体中污染物的行为非常复杂，会增加下游区域污染防治压力[2]。近些年，水利工程对河流生态与环境的影响研究主要是水利工程建设和建设的后评估，在水闸调度引发生态效应方面的探讨却较少，水闸调度影响水质多相转化过程的理论机制还不够精确，绝大数研究者专注于水污染预防方面，而水质多相转化过程的研究恰好是实施闸控河段防治生态环境的关键和根本[3]。因此，加强闸控河段对生态水环境变化的机理探讨和闸控河段水质多相转化规律研究评估，是科学制定水闸运行调度方案的重要根据。

1 闸控河段水质多相转化数学模型

1.1 研究区的选择及闸控河段的概化

大伙房水库位于辽宁抚顺浑河中上游，包括流域面积达到5437km2，其洪水流量15600m3/s，年平均流量52.3m3/s，全部库容量可达21.81亿m3，装机容量3.2万kW，设计灌溉面积129万亩。大伙房是我国首个五年计划中的设立第一个巨型水库，现如今已成为沈阳、抚顺两大城市居民饮用水的重点水源地[4]。为深入分析闸坝运行时，其对生态水环境在不同水质相态之间的转化方式规律和闸坝在各种调度方式下的主要反应机理，对大伙房水库闸控河段水质多相转化进行分析，以期最优化地发挥闸坝在水资源开发与管理中所起的作用。

1.2 水质迁移转化基本方程

在生物、物理、化学等条件下，水质多相转化[5]是指污染物质融入水体后，经过沉降、降解、迁移、吸附、解吸等过程，对应的相态分别转化为溶解相、悬浮相、底泥相和生物相。在相态转化过程中，污染物质的浓度和形态都在不断发生变化。水质迁移扩散作用的基本项和描述不同相态之间的转化项是水质迁移转化基本方程最主要的组成，各相对应的水质的基本方程如下[6- 7]：

溶解相方程：

(1)

式中，N0=K0Ca，N0—各种化学反应产生的物质减少量，K0—溶解相水质的降解系数；Nea—生物相向溶解相的转化量，mg/(L·d)；Nae和Nab—溶解相向生物相的转化量和在吸附条件下溶解相向底泥相的转化量；Nay—吸附条件下溶解相向悬浮相的转化量，mg/(L·d)；N’ba—底泥相向溶解相的转化量，mg/(L·d)；Ca—溶解相水质浓度，mg/L。

悬浮相方程：

(2)

式中，N1=K1Cy，N1—化学反应造成的物质损失量，悬浮相水质的降解系数为K1；Nyb—沉降作用下悬浮相向底泥相的转化量，mg/(L·d)；Nby—悬浮作用下底泥相向悬浮相的转化量；Cy—悬浮相的水质浓度，mg/L。

底泥相方程：

(3)

式中，N2=K2Cb，N2和K2—由于化学效应形成的物质减少量和底泥相水质的降解系数；Neb—生物死亡与沉降状况下生物相向底泥相的转化量，mg/(L·d)；Cb—底泥相水质浓度，g/m2，其与溶解相水质浓度的单位mg/L有差异。

生物相方程：

(4)

式中，Ce—生物相水质浓度，mg/L。

1.3 吸附-解吸过程描述方程

底泥对溶解相的吸附量Nab和解吸量N’ba，悬浮颗粒对溶解相的吸附量Nay，这三项在水质多相转化基本方程中涉及到吸附-解吸作用。在闸控河段中水体内物质分布平均的前提下，它的吸附量与其表面溶液中水浓度和水体平均浓度之差成线性关系，其主要目的是为了表述吸附中转化量的多少，即：

图1 未考虑闸控河段多相转化物质的模拟结果

(5)

式中，N3—单位时间和体积水质转化量，mg/(L·s)；K—两种不同闸控河段中水体内物质间的传质系数，1/s；C1和C0—闸控河段水体中水质平均浓度与悬浮物质表面溶液中水质浓度，mg/L。

2 闸控河段水质多相转化规律分析

通过对实验期间水质多相转化规律分析，模拟了污染物浓度随不同时间和流速的变化[8]，研究闸上、闸下不同断面污染物浓度的变化情况，因此模拟时空上的水质浓度变化，进而对水质多相转化规律进行分析，即污染物随水流和时间的迁移转化过程。

2.1 未考虑闸控河段多相转化物质的模拟结果

对实验期间水质多相转化规律分析。从图1中a和b可以看出闸控河段水体中溶解氧DO浓度变化规律。首先闸上断面DO浓度变化方向显示的是下降—增长—下降；再者对于闸下断面溶解氧浓度变化，其呈现先减少后升高的趋势。但是从全局来看，消耗氧量大于释放氧气量，则相应的水体中溶解氧浓度下降。随着闸门启开程度的减小，对应水体中溶解氧浓度升高，这种现象是因为各相态降解耗氧和生物呼吸作用均减少。

对实验期间水质多相转化规律进行分析，看出水体中氨氮和硝酸盐氮之间有着密切相关，从图1中c，d和e，f可知，氨氮和硝酸盐氮浓度的变化表现出逆向相反的趋势。在硝酸盐氮和氨氮两种因素互相影响的方式下，表现为硝酸盐氮急速下降和氨氮缓慢下降。之后闸门开启程度减小与蓝藻存活率减少，则对应的体中下泄流量也减少，但是硝酸盐氮浓度相比较于氨氮浓度增加迅速，这种现象可能表明此时反硝化效应能力明显小于硝化效应。

图2 溶解相物质模拟结果

2.2 考虑多相转化物质的模拟结果

2.2.1 溶解相物质模拟结果

通过图2中a，b所示可知，闸上、闸下溶解相COD浓度分别为全面呈减少方向和先下降后慢慢升高。闸上溶解相COD的浓度改变与流速变化存在相互影响的关系。在前期闸下COD浓度最主要是由蓝藻成长的速率影响，后期藻类存活率下降的原因主要是浓度变化受蓝藻存活率的影响[9]。从图2中c，d可以看出，溶解相有机氮浓度大部分显示降低现象，其中有机氮浓度变化与闸控河段水体流速变化也存在着密切的联系。根据对闸下溶解相有机氮浓度模拟结果可以证明，矿化作用和闸门开度是影响溶解相有机氮浓度的主要因素。溶解相TP整体呈升高趋势、存在浓度转折点和浓度改变幅度比较大，0.141mg/L和0.192mg/L分别是7日9时、6日8时达到的最小值和最大值。水质多相转化规律分析结果说明，后期TP浓度的变化与蓝藻死亡的分解密切相关，蓝藻生长、死亡和水动力条件是溶解相TP浓度的两个关键因素。

2.2.2 悬浮相物质模拟结果

由图3可知，悬浮相COD和ON浓度改变现象整体相同，即：前期、中期和后期分别呈现基本保持平稳、急速下降和大致保持不变。通过上述水质多相转化规律研究分析，对于悬浮相水质浓度影响最显著的控制因素是水体流速，悬浮相水质浓度减小和水质浓度增大，分别对应的条件是水体流速低于临界流速、流速高于临界流速。同时，悬浮相浓度的改变与水深和温度也有密切联系。

图3 悬浮相物质模拟结果

2.2.3 闸控河段藻类模拟结果

由图4可知，闸控河段蓝藻量的变化呈现升—降—升—降的趋势。根据图4中a和b，可以看出4月5日7时至6日8时，蓝藻数量在闸上断面和闸下断面变化不大，此时蓝藻数量变化主要受生长和死亡的影响，该条件下初始断面来水还未到达模拟断面；4月6日8时至6日18时，蓝藻数量在闸下断面和闸上断面都有一定升高，表明蓝藻数量与水流的迁移有密切的关系。这种现象可以通过对比闸上和闸下的水质多相转化规律分析，此时随上游来水漂流而下的蓝藻，仅有少量的闸控河段蓝藻量存留在了闸上断面，绝大数量的蓝藻会随水质多相转化漂流到闸下断面，说明蓝藻数量在闸上上升不明显而在闸下上升相对明显。

图4 闸控河段藻类模拟结果

2.3 结果讨论

大伙房水库闸的浅孔闸一直维持小流量下泄，是为了减少上游污水在闸前大量累积，只在特殊时期才会大流量开启闸门放水。因此文章在设置闸控河段调度情景时，只关注浅孔闸在不同时空条件下的运行调度方式[10]。在设置调度情景时，主要考察闸门开放程度和开放方式两个重要方面。对水质多相转化规律结果进行分析：不管闸控河段的闸下断面还是闸上断面，其闸门调度方式的改变，必然会在一定程度上影响物质在水质多相转化的过程。至于水质各个相态之间转化的影响因素主要是闸门开启个数和闸门开启高度，闸门处于开启状态水体中水质浓度会一直保持在特定的浓度范围内，且浓度会呈下降趋势是伴随着水流的增大。但是若上游来水水体中含有大量污染源，当闸门在一段时间处于封闭状态时就会造成在闸前累积；同时堆积在闸前的污染物在闸门再度开启条件下会同水流一起下泄，以至于造成对下游生态水环境产生再次污染的危险性，因此，水质多相转化规律分析及合理的闸门调度方式会在一定程度上改善河流的生态水环境。

3 结论

(1)闸控河段区域水质多相转化方式比较复杂，通过对水体物质单一转化方式进行分析，整体设计了闸控河段各相水质多相转化驱动模式。

(2)构建了水质多相转化关键反应过程中的数学模型，分析了水闸调度驱动作用对水质多相转化的影响。研究结果对减少闸坝建设带来的生态、环境风险具有一定参考价值。

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