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基于原水水质安全的金泽水库运行调度优化方案

阅读量：3632474 2019-10-21

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01研究条件与方法
本研究以DHI开发的ECOLab模块为基础。ECOLab是DHI在传统的水质模型概念发展起来的全新的水质和生态模拟工具。在ECOLab富营养化通用模板的基础上，根据金泽水库的水环境水生态特性进行二次开发，形成适宜金泽水库的ECOLab富营养化模块。模块包括三个营养级：沉水植物、浮游植物、浮游动物，同时耦合MIKE3的水动力(HD)模块，建立了一个描述水库主要藻类(蓝藻、硅藻、绿藻)以及沉水植物在水温、光照以及营养盐变化条件下时空变化过程的三维水动力-水生态学模型。1.1 水动力方程采用MIKE3的水动力(HD)模块对区域的流场进行模拟。以右手笛卡尔坐标系(x，y，z) 建立在东向、北向、垂直向上三个方向分别为X轴、Y轴和Z轴的正方向的三维模型。浅水方程是基于三维不可压缩的雷诺平均Navier-Stokes方程给出三维浅水方程，如式(1)～式(4)。
(1)连续方程：

(2)水流动量方程：

式中其他参数的计算如式(5)～式(7)。

(3)浓度对流扩散方程，如式(8)。

1.2 网格划分根据金泽水库的设计库型、库内人工构筑物设计和底部高程数据资料，数字化水库地形，设计金泽水库库区网格，采用三角形网格对研究区域进行网格剖分，单个网格面积约为100 m2，共2 268个节点，4 124个网格，推荐库型地形如图1所示。

图1 计算网格及地形图
02模型建立及率定验证2.1 水动力模型(1)初始条件太浦河及周边湖荡区属于淡水水域，金泽水库水深梯度设计较为平缓，因此盐度和温度的斜压力项不考虑。水位和流速对外界动力响应较快，模型初值均取为零。(2)边界条件根据金泽水库2017年实际运行调度情况设置两个开边界条件，金泽水库取水闸处为水位边界，输水泵处为流量边界，上游开边界取自金泽水库引水闸实测水位过程，下游开边界采用同期输水泵实测流量过程。(3)参数取值根据水库设计，库内岸边带种植多种挺水植物，对水体流动会构成一定的阻力。参考已有植物对水流影响的试验研究成果并结合水深变化，挺水植物区的底床阻力取值0.05，其他库区底床阻力取值0.025，并采用2017年全年实测资料进行进一步的验证。2.2 水生态模型(1)初始和边界条件根据金泽水库供水规模、库形参数以及收集的项目区域气象数据，确定模拟的水库水文气象地形输入条件；根据2017年水库来水水质以及水生态环境现状调查结果，确定模型水体中污染物和浮游植物初始浓度取值以及入流负荷。其中太阳辐射数据来自网站：“NASA Prediction of Worldwide Energy Resources”(“https://power.larc.nasa.gov/)NASA Surface meteorology and Solar Energy-Available Tables，根据网站查询到1995年～2017年这22年的金泽水库水平面月均日照值，如表1所示。风速风向资料来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 简称ECMWF)(http://apps.ecmwf.int/datasets/)，选取金泽水库所在经纬度区域2017年1月～12月，每天0:00、6:00、12:00、18:00的风速风向数据，具体如图2所示。气温数据来自青浦区2017年全年逐日平均气温，具体如图3所示。
表1 金泽水库水面月平均日照数据

图2 金泽水库区域2017年风速风向(每4 h)数据

图3 青浦区2017年逐日平均气温
(2)参数取值ECOLab模板关键生态动力参数率定结果如表2所示，沉水植物水质净化参数率定结果如表3所示。
表2 关键生态动力参数率定值

表3 沉水植物水质净化参数率定值

2.3 模型率定结果采用2017年夏季实测水文(流速、流向)资料对水动力模型进行验证，全年同步水质监测资料(TN浓度、TP浓度、叶绿素浓度、溶解氧浓度等)对富营养化模型进行验证，验证点位如图4所示。模型验证结果显示，流速、流向、溶解氧、TN、TP、叶绿素a的模拟结果与实际情况拟合较好，如图5所示(以S5点和S6点表层模拟结果为例)。

图4 金泽水库水生态模型验证点位图

图5 水动力-水生态模型验证结果(以S5、S6点位为例)
6月～10月温度较高，营养物质自身的降解活动较为活跃，营养物质含量会有所减少；另一方面，夏季为浮游动植物、水生植物的快速生长季节，生物生长需要吸收大量的营养物质，故水体现存的营养物质含量较低。但是，总磷浓度在8月会出现一个小高峰，这可能与8月温度和光照强度最适宜藻类生长，导致藻类繁殖速度加快，生物量升高，藻类叶绿素a含量升高，存在磷含量过剩现象有关，因此总磷浓度会有一个小高峰。而在温度较低的冬春季(12月～4月)，微生物降解活动变缓，水生生物也处于衰亡越冬期，对营养物质的吸收量显著降低，且水生植物的死亡分解还会加大水体的营养盐含量，故水体中营养物质含量会处于较高的水平。总体来说，由温度变化引起的季节交替及营养物质的含量和藻类、浮游动植物、水生植物等生态因子的变化有重要的关系。沉水植物区生物量表现为从5月开始有一个明显的增长，在7月、8月达到一个峰值，随后随着温度降低、季节交替有一个明显的下降趋势。总体上，沉水植物的生物量与温度变化引起的自身生长繁殖衰亡的生命周期相吻合，库区沉水植物生物区的生物量模拟较符合实际情况。
03模拟方案设计
3.1 调控目标分析金泽水库水水力生态调度的首要目标是实现日常调度时库区水质稳定、富营养化防控以及维持生态系统稳定。作为水源地水库，生态水源库出水水质应满足集中式生活饮用水地表水源地水质要求，根据《饮用水源保护区污染防治管理规定》(2010)，出水水质浓度应优于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中III类水标准。曾勇等采用非线性回归方法建立城市湖泊水华预警模型，选择水华阈值在叶绿素a浓度30 μg/L；刘波等对北京市城区代表水体的水华阈值进行了分析，得到水华阈值在叶绿素a浓度40 μg/L；舒金华在对我国14个代表性湖泊富营养化的调查资料分析后提出中国湖泊富营养化评价标准，标准认为当湖水叶绿素a的最大值>10 μg/L时，湖泊会出现富营养。综上，考虑到金泽水库库区特征，本次研究偏保守选择富营养化防控目标限制值为10 μg/L。3.2 模拟方案设计综合各个不同目标分析来看，维持平水年的来水水情，保证库区正常蓄水位运行，是使得库区日常调度能够较好地满足各个调控目标的优化方案。本研究采用情景分析法，选取平水年型、藻类容易爆发的夏季，初始水位采用日常调度的常水位2.5 m，对闸门现状调度工况下泵站设计出流工况和泵站现状出流工况进行计算以及对闸门开通闸调度工况下泵站设计出流工况和泵站现状出流工况进行计算，一共设计两组方案，4个工况，如表4所示。
表4 金泽水库运行调度方案

04结果与分析4.1 计算结果4.1.1 库区水质模拟对不同工况下库区水质情况进行模拟，模拟结果如图6～图8所示。

图6 不同工况下库区CODMn浓度分布

图7 不同工况下库区NH3-N浓度分布

图8 不同工况下库区TP浓度分布
从库区CODMn、NH3-N、TP的模拟结果显示，方案一和方案二差异不大，方案一表现为工况2的库区水质及去除率优于工况1的水质，方案二表现为工况4的水质及去除率优于工况3的水质。库区水质模拟结果表明，现状闸门调度工况和开通闸相比对库区水质指标的影响不大，而现状工况的泵站出水流量较设计工况污染物的去除率更高，更有利于改善库区的水质。不同方案下污染物去除率如表5所示。
表5 不同方案下污染物去除率统计

4.1.2 库区沉水植物区生物量模拟对不同工况下库区沉水植物区生物量进行模拟，模拟结果如图9所示。本次生物量指的是干重，即抓斗抓取后在实验室烘干称重。水生植物生长需要适宜的水深条件和水位波动，现状闸门调度工况和开通闸相比，前者水深条件更适宜水生植物的生长，但是前者水位波动较大，不利于水生植物的生长，综合比较来看，现状闸门调度工况和开通闸相比，沉水植物区生物量模拟结果差异不大。相同的闸门调度条件下，现状泵站出流工况与设计泵站出流工况相比较，两者水深条件差异不大，但现状泵站出流工况的水位波动小，模拟结果表现为现状泵站出流工况的沉水植物区生物量略大于设计泵站出流工况的沉水植物区生物量。库区沉水植物区生物量模拟结果表明，现状闸门调度工况和开通闸相比对库区沉水植物区生物量的影响不大，而现状泵站出流工况较设计泵站出流工况更有利于库区沉水植物的生长。

图9 不同工况下库区沉水植物区生物量分布
4.1.3 库区叶绿素a模拟对不同工况下库区叶绿素a进行模拟，模拟结果如图10所示。

图10 不同工况下库区叶绿素a浓度分布
模拟结果可见，现状闸门调度工况和开通闸相比，库区叶绿素a浓度低于开通闸工况；相同的闸门调度条件下，设计泵站出流工况叶绿素a浓度低于现状泵站出流工况。库区叶绿素a模拟结果表明，由于现状闸门工况相比较开通闸的工况水位低，库容小，水力停留时间短，而水位波动大，因此现状闸门调度相比开通闸调度有利于抑制库区叶绿素a的增长；而设计泵站出流工况水位低，库容小，水位波动大，水力停留时间短，相比现状泵站出流工况更有利于抑制库区叶绿素a的增长。4.2 比较与分析上述不同工况库区水质、生物量及叶绿素a的模拟结果如下。(1)现状闸门调度和开通闸相比较，对于库区水质和生物量的影响基本没有差异，库区水质浓度分布和水质改善率基本一致；而比较泵站出流的两个不同工况，表现为：工况2和工况4的CODMn、NH3-N、TP的去除率分别约为12%、69%、19%；工况1和工况3的COD、NH3-N、TP的去除率分别为10%、62%、16%。(2)现状闸门调度和开通闸相比较，对于库区沉水植物生物量的影响基本没有差异，工况2和工况4的植物区平均生物量约为530 g/(m2干重)，工况1和工况3的植物区平均生物量为485 g/m2左右，说明现状工况更有利于维持水质及促进库区沉水植物的生长。(3)库区叶绿素a模拟结果表明，现状闸门调度工况相比开通闸调度工况有利于抑制库区叶绿素a的增长，而设计工况的泵站出水流量相比现状工况有利于抑制库区叶绿素a的增长。综上，水库在现状闸门调度及现状泵站出流工况下运行，即工况2可以满足维持水质稳定和水生植物生长的需要。在夏季藻类水华易发季节，监测到库区的叶绿素a浓度达到富营养化防控目标限制值10 μg/L时应该采取“现状闸门调度+泵站设计出流”的工况，即工况1调度。
05研究条件与结论
(1) 建立了金泽水库水力生态多维嵌套模型，并通过率定验证，使其更适合金泽水库的实际情况，可以较精确地模拟金泽水库不同运行调度方案。(2)从实现日常调度时库区水质维持、富营养化防控以及生态系统稳定角度出发，计算不同工况下库区水质因子、生物量及叶绿素a的空间分布。(3)根据模拟结果对金泽水库运行调度方案进行比选，选择适宜金泽水库水力生态调控目标的优化方案：①满足日常维持水质稳定和水生植物生长的需要时，可按照水库现状闸门调度及现状泵站出流工况下运行；②在夏季藻类爆发季节，监测到库区的叶绿素a浓度达到富营养化防控目标限制值10 μg/L时，应采取“现状闸门调度+泵站设计出流”出流的工况进行调度。(4)金泽水库水力生态运行调度优化方案的研究可为区域内其他原水水源湖库的日常水力生态调度提供参考。
来源：《净水技术》，封面图片源自网络，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。排版：西贝
校对：王佳
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徐凌云，丁玲，史云鹏
(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200050)
注：本文发表在《净水技术》2019年第9期“水源与饮用水保障”专栏，略有删减，长按下列二维码可阅读文章原文。