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0 引言
国内外引调水工程实践表明,由于改变了不同区域的物质交换和能量流动,调水将给水源区、受水区和输水沿线区的水环境带来不同程度的影响,其中水源区以水量减少、水文情势改变、水质恶化、水体富营养化、泥沙淤积、生态环境退化等不利影响为主[5-6]。现有典型调水工程包括南水北调中线工程、引江济淮工程、牛栏江—滇池补水工程、加利福利亚调水工程等,学者们关注的焦点包括水源区水质影响分析、水生生物、经济补偿等方面,其中以水质影响分析最多。范杰[7]采用定性和定量结合的方法研究了南水北调西线工程对丹江口水库水量和水环境容量的影响,并从工程补水、节水治污、水资源统一调度等方面提出减缓措施。郭潇等[8]建立了跨流域调水工程水源区水生生态环境评价指标体系,对跨流域调水工程在物理化学系统、生物系统、社会经济系统等方面的影响进行了评价。曹圣洁等[9]基于长系列水文、气象、水质和藻密度数据,采用Spearman秩次相关法、广义相加模型(Generalized Additive Model,GAM)、变异系数等多种方法识别中线工程调水后汉江中下游主要环境要素的响应规律。蔡晓钰等[10]采用单因子评价和水质综合污染指数法分析苏州阳澄淀泖区引水后主要污染物浓度变化情况。Wang等[11]构建了一维水量水质耦合模型,模拟南水北调中线工程及引江济汉工程综合影响下汉江水量和水质的时空变化。吴挺峰等[12]建立了考虑非点源影响的平面二维水环境数学模型,模拟计算了长江沿岸污染带排污范围,对“引江继太”工程的水源地水质做出了评价。菅浩然等[13]采用三维生态动力学模型(Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC)模拟不同调水路线对巢湖水位、流场、水质的影响。Woos等[14]结合SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型和入口函数,设置多种工况对韩国Mangyeong流域调水前后的水质区水质进行了预测。虽然引调水工程对水源区水质影响分析在方法和案例上取得了一系列进展,但现有研究多是采用指标评价的方法,基于监测数据分析引调水工程实施前后水源区水质变化,难以反映极端来水情景和不同调水量对水质影响的差异。少数研究运用水质模型在规划阶段开展不同工况下水源区水质影响预测[15-16],但缺少水文情势、流场等水动力条件与水质变化的关联分析,在丰、平、枯水年下引调水工程引起的水源区水质时空变化也缺乏深入研究。
引江补汉工程是南水北调中线工程的后续水源,从长江三峡库区引水入汉江,旨在提高汉江流域的水资源调配能力,增加中线工程北调水量[17]。工程尚在建设阶段,从三峡库区引水后对水源区的环境影响是各方关注的重点,如刘兆孝等[18]在现场调查基础上定性分析了引江补汉工程对水源区生态环境的影响。目前尚未见引江补汉工程水源区水动力水质影响预测的定量研究和水环境保护措施的针对性研究。本文在三峡库区水文情势分析的基础上构建工程水源区二维水动力水质模型,模拟分析引江补汉工程实施前后水源区水动力条件变化以及不同典型年下水源区主要控制断面化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、氨氮和总磷等主要水质指标变化,并根据预测结果提出减缓不利影响的对策措施和建议,以期对南水北调中线工程高质量发展起到技术支撑作用。
1 研究区域及数据
1.1 研究区域
引江补汉工程取水口位于三峡水库坝址上游约7 km处北岸龙潭溪内,出水口位于丹江口市安乐河口,预计多年平均引江补水量39亿m3。工程于2022年7月开工建设,施工总工期108月,预计2031年7月完工。工程水源区范围为庙河水文站至三峡坝址江段,位于105°44'E—111°39'E,28°32'N—31°44'N之间,其研究范围见图1。三峡水库正常蓄水位175 m,总库容450.4亿m3,坝址以上集雨面积约100万km2,多年平均来水量4 274亿m3,径流年内丰枯差异明显,6—10月份径流量约占年径流量的71.5%,最小月径流多出现在2月份,占年径流的2.2%。三峡工程水源区涉及水功能区划2个,水质管理目标均为地表水环境Ⅱ类标准。目前,工程水源区水质总体上以II类水质为主,局部时段存在总磷超标现象。
1.2 数 据
本研究所需数据涉及水文数据(水位、流量、流速、引水量)、水质、地形等资料,各数据的时空分辨率及用途详见表1。用于率定的水位、流量数据来源于水文站实测数据,用于预测的水位、流量数据是考虑典型年水库调蓄和上游引调水工程后的调算值,实测地形数据由长江水资源保护科学研究所提供。
表1 研究数据一览Table 1 List of research data |
| 序 号 | 数据 类型 | 位置 | 时间范围及分辨率 | 用途 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 水位 | 三峡坝前;水源区主要断面 | 三峡坝址2016—2017年逐日实测水位 | 水动力模型率定与验证 | |
| 2 | 流速 | 水源区主要断面 | 2020年4月实测流速 | 水动力参数验证 | |
| 3 | 流量 | 庙河水文站 | 2016—2017年逐日实测 | 水动力模型边界条件 | |
| 4 | 流量 | 三峡坝址、三峡出库 | 典型年调算值 | ||
| 5 | 水质 | 太平溪 | 2016—2017年逐月水质实测值 | 水质参数率定与验证 | |
| 6 | 水质 | 庙河水文站;龙潭溪汇口 | 庙河水文站2017—2019年逐月监测值;龙潭溪汇口2020年补充水质监测值 | 水质预测模型边界 | |
| 7 | 地形 | 庙河水文站至三峡坝址河段实测 | 2020年4月,比例尺1∶2 000 | 水动力水质 模型输入 | |
| 8 | 引水量 | 龙潭溪取水口 | 设计水平年(2035年) 调算值 | 水动力水质 模型源汇项 | |
2 模型构建及验证
2.1 基本方程
2.1.1 二维水动力模型
通过MIKE21软件建立水源区河段二维水动力数学模型,利用三峡坝址处实测水位对模型进行率定和验证,基于率定验证后的水动力数学模型预测不同情景下水源区河段水动力条件的变化。二维水动力模型基本控制方程如下:
$\begin{array}{c}\frac{\partial h \bar{u}}{\partial t}+\frac{\partial h \bar{u}^{2}}{\partial x}+\frac{\partial h \overline{u v}}{\partial y}=f \bar{v} h-g h \frac{\partial \eta}{\partial x}-\frac{h}{\rho_{0}} \frac{\partial P_{\mathrm{a}}}{\partial x}- \\\frac{g h^{2}}{2 \rho_{0}} \frac{\partial \rho}{\partial x}+\frac{\tau_{\mathrm{s} x}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{\mathrm{b} x}}{\rho_{0}}-\frac{1}{\rho_{0}}\left(\frac{\partial s_{x x}}{\partial x}+\frac{\partial s_{x y}}{\partial y}\right)+ \\\frac{\partial}{\partial x}\left(h T_{x x}\right)+\frac{\partial}{\partial y}\left(h T_{x y}\right)+h u_{\mathrm{s}} S\end{array}$
$\begin{array}{c}\frac{\partial h \bar{v}}{\partial t}+\frac{\partial h \overline{u v}}{\partial x}+\frac{\partial h \bar{v}^{2}}{\partial y}=-f \bar{u} h-g h \frac{\partial \eta}{\partial y}-\frac{h}{\rho_{0}} \frac{\partial P_{\mathrm{a}}}{\partial y}- \\\frac{g h^{2}}{2 \rho_{0}} \frac{\partial \rho}{\partial y}+\frac{\tau_{\mathrm{s} y}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{\mathrm{b} y}}{\rho_{0}}-\frac{1}{\rho_{0}}\left(\frac{\partial s_{y x}}{\partial x}+\frac{\partial s_{y y}}{\partial y}\right)+ \\\frac{\partial}{\partial x}\left(h T_{x y}\right)+\frac{\partial}{\partial v}\left(h T_{y y}\right)+h v_{\mathrm{s}} S\end{array}$
式中:t为时间;h为总水深;x和y为右手Cartesian坐标系; 、 分别为垂向平均流速在x和y方向上的分量; 为水面相对于未扰动水面的高度;Pa为当地大气压; 为水密度; 为参考水密度; 为哥氏力(Coriolis)系数,f=2Ωsinφ(其中Ω为地球自转角速率,Ω=0.729×10-4 s-1, 为地理纬度);f 和f 为地球自转引起的加速度;Sxx、Sxy、Syx、Syy均为辐射应力分量;Txx、Txy、Tyx、Tyy均为水平黏滞应力分量;τsx、τsy和τbx、τby分别为水面和底床的切应力在x、y方向上的分量;S为源汇项;(us,vs)为源汇项水流流速。
2.1.2 二维水质模型
在水源区二维水动力模型基础上建立二维水质模型,其对流扩散方程为
式中:C表示浓度;Dx、Dy分别表示x和y方向上的扩散系数;u、v分别表示对应于x轴和y轴的平均流速分量。
2.1.3 模型构建
采用MIKE 21进行模拟的步骤包括模拟河段及模拟时间的选取、河网文件创建、网格划分、模型控制参数设置等。
2.1.3.1 模型范围
模型的空间范围为庙河水文站至三峡坝址,模拟时间范围为1 a(丰、平、枯、特枯典型年),计算时间步长为1 min。
2.1.3.2 河网文件及网格划分
模型构建所需地形数据采用2020年4月庙河水文站至三峡坝址河段实测地形资料,比例尺为1∶2 000。采用Dxf2xyz软件将地形图处理为河网条件文件,再根据河网文件和地形图对内部地形高程点进行处理。由于模拟河段流速较缓且地形复杂,本研究采用三角形网络对模拟河段内网格进行划分,共划分6 430个单元。
2.1.3.3 初始条件与边界条件
水动力模型上边界为各典型年庙河水文站流量过程和引水流量过程,下边界条件为各典型年三峡坝前水位过程。在参数率定与验证过程中,庙河水文站和三峡坝前水位均采用2016—2017年逐日实测值。在水文情势影响预测过程中,上边界采用庙河水文站各典型年逐旬流量过程,下边界采用三峡坝前各典型年逐旬水位过程。其中典型年流量、水位过程为设计水平年考虑乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡等控制性水库调蓄与跨流域引调水工程运行情况下的调算值。
水质模型边界条件为庙河水文站2017—2019年逐月水质监测平均值,以及龙潭溪汇口2020年水质补充监测值。由于工程水源区内没有入河排污口等点源直接汇入,水质主要受上游来流水质影响。因此,以现状来流水质为上边界条件,选择COD、氨氮和总磷作为水质预测因子,模拟工程实施前后水源区水质变化。
2.1.3.4 模型参数设置
考虑到风对库区水面的黏滞力会带动表层水向前运动,取水口水域风场设置取2004—2016年三峡库区平均风速(约1.3 m/s),主导风向为ESE,风摩擦系数为0.001 3。MIKE 21FM水动力水质模型参数主要包括涡流黏度和糙率系数,参考三峡坝前河段水动力水质模拟参数取值,涡流黏度采用Smagorinsky方程默认值,取值0.28;糙率系数采用曼宁系数形式,初始值为22~25 m1/3/s。
2.2 模型计算条件
2.2.1 预测情景设置
为模拟分析不同来水情况下三峡库区水文情势和水动力水质状况,选取工程水源区典型丰水年(P=10%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=90%)、特枯年(P=95%)4个典型年作为来水条件。综合考虑设计水平年长江上游流域控制性梯级开发和引调水工程运行,设置不考虑和考虑引江补汉工程实施2种预测情景,见表2。
表2 预测情景设置Table 2 Settings of prediction scenarios |
| 情景 | 水平年 | 控制性水库 | 引调水工程 |
|---|---|---|---|
| 情景一 (工程 实施前) | 设计 水平年 (2035年) | 考虑三峡、溪洛渡、向家坝、白鹤滩、乌东德等长江上游干支流控制性水库(29座,总调节库容582亿m3)已在建水库全部运行 | ①滇中引水工程调水34亿m3;②南水北调西线工程调水80亿m3;③引通济柴工程调水5.5亿m3;④白龙江引水工程调水9.6亿m3。不考虑引江补汉工程实施 |
| 情景二 (工程 实施后) | 考虑引江补汉工程调水50亿m3,其他引调水工程与情景一一致 |
2.2.2 典型断面选取
2.3 模型参数率定验证
2.3.1 水动力模型参数设置
运用2016年三峡坝前实测日均水位对水动力模块进行率定,三峡水源区曼宁系数为22 m1/3/s,涡流黏性系数为0.28,模拟值与绝对值的绝对误差介于0~0.26 m,拟合效果较好。运用2017年三峡坝前逐日实测水位、2020年4月水源区主要断面实测流速对水动力参数进行验证,三峡坝前水位模拟值与实测值绝对误差介于0.00~0.47 m,水源区各断面流速实测值与模拟值的绝对误差介于-0.02~0.016 m/s,相对误差介于-19.0%~21.3%,表明模型精度合理。
2.3.2 水质模型参数设置
运用2016—2017年太平溪实测水质资料对三峡水源区水质参数进行率定,三峡水源区横向扩散系数为0.104~0.112 m2/s,COD、氨氮和总磷综合衰减系数分别为0.008~0.013、0.015~0.020、0.009~0.015 d-1,率定后太平溪断面COD、氨氮和总磷的相对误差均<40%,表明模拟结果能反映水源区主要污染物浓度变化特征,三峡水源区水质模型可用于引水前后的水质影响分析。
3 结果与讨论
3.1 水文情势和水动力影响分析
3.1.1 三峡库区水文情势影响
图3展示了引江补汉工程引水前后各典型年三峡坝址流量、出库流量和水位变化程度。工程实施后丰水年、平水年、枯水年和特枯水年各月坝址流量减小幅度分别介于0.01%~3.3%、0.04%~3.46%、0.04%~3.72%、0.011%~3.82%;丰水年、平水年、枯水年和特枯水出库平均流量分别减小了2~219、2~209、0~456、12~558 m3/s,最大减幅发生在特枯水年3月份,该月出库流量减小532 m3/s,减小幅度为8.44%;丰水年、平水年、枯水年和特枯水年库水位均在145.6~175.0 m之间变动,最大减小量为0.9 m,发生在特枯水年的10月份。
结果表明,由于取水口位于三峡库区,来水越枯,引江补汉工程引水对三峡坝址流量的削减程度越大,最大减幅发生在特枯水年1月份。在三峡水库调度方式未发生改变的情况下,坝址流量的减小将直接影响三峡水库出库流量和库水位,出库流量在特枯水年3月份和11月份减少幅度最大,水位削减在特枯水年10、11月份表现得最为明显。在蓄水期和消落期,坝址流量的减小对两者影响有限。汛期(5—10月份),三峡水库按防洪调度方式运行,引江补汉调水对库水位和下泄流量影响较小。蓄水期间,当入库流量≥最小下泄流量时,调水的影响表现为减缓水库的蓄水速率;当入库流量<最小下泄流量时,水库暂停蓄水,调水的影响主要表现为下泄流量的减小。水库蓄满后至4月中旬,三峡水库一般维持在较高水位运行,调水影响表现为下泄流量的减小或加快水库的消落速率。4月下旬至6月上旬,三峡水库集中消落,水库下泄流量较大,引江补汉调水对三峡库水位基本没有影响,调水的影响主要表现在下泄流量的减小上。
总的来说,由于调水量占三峡坝址流量比例不大,同时工程实施前后三峡调度规则未发生变化,引江补汉工程调水对三峡坝址、出库流量及库水位的影响较小,均在三峡水库正常调度运行的允许范围内。
3.1.2 工程水源区水动力影响
鉴于丰水年和平水年的流场变化差异不大,选择代表性强的平、枯、特枯水年作为典型年,并以3月份和10月份分别作为枯期和丰水期代表月,探究不同典型年下引江补汉工程对库区流场的影响。
表3列出了不同典型年下引江补汉工程实施前后典型断面流速变化。工程实施前,平水年丰水期X1—X6断面的流速从0.227 m/s逐渐下降至0.017 m/s,枯水期流速从0.108 m/s逐渐下降至0.010 m/s;枯水年丰水期X1—X6断面的流速从0.164 m/s逐渐下降至0.015 m/s,枯水期从0.102 m/s逐渐下降至0.010 m/s;特枯水年丰水期X1—X6断面的流速从0.164 m/s逐渐下降至0.015 m/s,枯水期从0.096 m/s逐渐下降至0.017 m/s。工程实施后,5个干流断面(X1—X5)各典型年下的流速增减比例不超过5%;龙潭溪取水口断面(X6)水域水动力增强,不同典型年各月流速增加0~0.04 m/s,丰水期流速增幅为17.6%~106.7%,枯水期流速增幅为30%~90%,以调水量大的特枯年增加最为显著。
表3 不同典型年引江补汉工程实施前后典型断面流速变化Table 3 Changes in flow velocity of typical cross-sections before and after the implementation of the diversion project |
| 工况 | 不同断面的流速变化 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | X2 | X3 | |||||||||
| 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | |||
| 平水年丰水期 | 0.227 | 0.227 | 0 | 0.147 | 0.147 | 0 | 0.115 | 0.113 | 1.7 | ||
| 平水年枯水期 | 0.108 | 0.108 | 0 | 0.068 | 0.068 | 0 | 0.052 | 0.051 | -1.9 | ||
| 枯水年丰水期 | 0.164 | 0.165 | 0.6 | 0.109 | 0.109 | 0 | 0.085 | 0.084 | -1.2 | ||
| 枯水年枯水期 | 0.102 | 0.103 | 1.0 | 0.064 | 0.065 | 1.6 | 0.049 | 0.049 | 0 | ||
| 特枯水年丰水期 | 0.186 | 0.187 | 0.5 | 0.133 | 0.134 | 0.8 | 0.102 | 0.101 | -1.0 | ||
| 特枯水年枯水期 | 0.096 | 0.098 | 2.1 | 0.061 | 0.061 | 0 | 0.046 | 0.046 | 0 | ||
| 工况 | 不同断面的流速变化 | ||||||||||
| X4 | X5 | X6 | |||||||||
| 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | 实施前/ (m·s-1) | 实施后/ (m·s-1) | 变化率/% | |||
| 平水年丰水期 | 0.072 | 0.071 | -1.4 | 0.052 | 0.052 | 0 | 0.017 | 0.020 | 17.6 | ||
| 平水年枯水期 | 0.033 | 0.032 | -3.0 | 0.026 | 0.025 | -3.8 | 0.010 | 0.013 | 30.0 | ||
| 枯水年丰水期 | 0.053 | 0.052 | -1.9 | 0.040 | 0.039 | -2.5 | 0.015 | 0.031 | 106.7 | ||
| 枯水年枯水期 | 0.031 | 0.030 | -3.2 | 0.024 | 0.024 | 0 | 0.010 | 0.019 | 90.0 | ||
| 特枯水年丰水期 | 0.064 | 0.063 | -1.6 | 0.051 | 0.050 | -2.0 | 0.046 | 0.079 | 71.7 | ||
| 特枯水年枯水期 | 0.029 | 0.028 | -3.4 | 0.023 | 0.022 | -4.3 | 0.017 | 0.031 | 82.4 | ||
从典型断面流速结果可以看出,在某个典型年下,工程实施前后,随着离三峡坝址距离的减少,水源区干流的流速呈现逐渐减小的趋势;不同典型年之间,水源区流速呈现丰水年最大、平水年和特枯水年以及枯水年次之的趋势。工程实施后,水源区取水口下游局部干流流速以减小为主,但减小幅度较小,其他区域流速无明显变化;不同的是,取水口所在库湾的流速有所变化;丰水期变化不明显,枯水期和平水期受引水过程的影响库湾流速显著增加。
图4展示了典型年丰、枯期代表月下三峡水源区水域流场与流速分布。从水源区流场分特征角度,可以将水源区分为干流区、库湾区、取水区三部分。工程实施前,干流区内部流场平顺,入库水流整体沿东南方向从庙河水文站流向三峡坝址;库湾区沿岸流速显著低于干流区,在库湾和长江干流的交界处形成明显的环流形态,库湾处大部分流速介于0.01~0.04 m/s,与干流的交换较弱,不利于库湾污染物向外部输移;取水区位于龙潭溪库湾内,水流相对静止,汛期由于龙潭溪上游汇流,取水口断面具有一定流速但≤0.09 m/s,非汛期龙潭溪汇水量小甚至断流,取水口断面流速≤0.02 m/s。年际变化上,不同典型年枯水期下三峡库区流场差异较小,丰水期下特枯水年干流区流速显著大于平水年和枯水年,库湾区和取水区流速则略有减小。这可能是由于特枯水年三峡水库调度运行方式改变,水库下泄流量增大,受水流牵引作用引发干流区流速增大。
工程实施后,三峡库区干流区、库湾区流场分布特征与工程实施前基本一致,受工程实施后引水拖拽作用影响,龙潭溪取水口断面(X6)水域水动力条件增强、流场发生较大变化。由于工程引水量较大,除上游龙潭溪小部分来水进入取水口外,绝大部分水流来自三峡主库区,因此表现为三峡主库区至取水口的逆向流。但在非引水时段(主要集中在6—8月份),由于龙潭溪上游来水通过右岸排导洞下行至龙潭溪汇口进入三峡主库区,取水口所在局部水域形态保持相对静止。刘兆孝等[18]研究指出,引江补汉工程实施后龙潭溪取水口局部水域水动力增强,本研究研究结果与之一致。为改善取水口水动力条件,可以采取扬水曝气技术缓解缺氧,或者借助分层取水结构、控制幕等水工建筑物或设施,产生阻隔或引导作用,确保特定区域内的水质得到改善。除工程措施外,也可通过不同时间尺度的坝前水位调控来改善水动力条件。
3.2 水质影响分析
工程实施前,X1—X6断面的COD、氨氮、总磷年均浓度分别介于8.8~9.4、0.083~0.091、0.098~0.098 7 mg/L,属于Ⅱ类水。图5展示了工程实施前各控制断面在不同典型年下COD、氨氮和总磷年均浓度变化情况。从庙河水文站(X1)至坝前1 km(X5),COD、氨氮和总磷的浓度总体上呈沿程下降趋势,下降幅度均值分别为3.48%、7.83%和1.16%;龙潭溪断面相较干流区断面平均浓度,COD增加,氨氮和总磷呈减小趋势。林莉等[19]指出,三峡水库水体中氮、磷主要以硝酸盐氮和颗粒态磷的形式存在,总磷浓度从库尾到库首有明显下降趋势。本文结果与前人研究对应,水质沿程变化与干流区水动力条件变化密切相关,水质指标一方面受到迁移扩散的影响使得浓度沿程下降,另一方面由于干流区从上游至下游流速逐渐减小,水流挟沙能力降低,泥沙落淤,吸附总磷等营养物质,进而导致水质指标浓度沿程下降。在龙潭溪取水口断面,COD呈增加趋势,主要是由于龙潭溪水流相对静止,交换周期长,
水动力条件不利于COD迁移转化,导致COD浓度上升;同时,静水导致泥沙沉积,吸附氮、磷等污染物,从而导致氮、磷浓度在龙潭溪取水口附近下降。
丰、平、枯水年各断面年际浓度变化甚微,特枯水年各断面COD、氨氮、总磷平均浓度较丰水年分别减少0.01~1.03、0~0.002 7、0~0.001 3 mg/L。以X1、X6断面的COD浓度减小幅度最显著,较丰水年分别减小1.03、0.72 mg/L。年内变化上,受汛期降雨高、入库污染负荷大的影响,各断面氮磷浓度在6—9月份显著大于其他月份。以龙潭溪取水口为例(见图6),COD、氨氮、总磷浓度最高月份分别出现在7月份(13.83 mg/L)、9月份(0.099 mg/L)和6月份(0.012 mg/L)。
工程实施后,典型丰、平、枯和特枯年各断面水质类别基本不变,COD、氨氮稳定保持Ⅰ—Ⅱ类,总磷介于Ⅱ—Ⅲ类。主库区5个断面(X1—X5)COD、氨氮、总磷变化很小,几乎可忽略不计,相较而言龙潭溪取水口断面(X6)变化幅度更大,改善作用明显。图7展示了引水后龙潭溪取水口断面不同典型年下的年均和逐月COD、氨氮、总磷浓度变化幅度(以百分数计)。取水口断面COD年均浓度在丰、平、枯、特枯水年的变化幅度分别为-1.40%、-1.85%、-2.31%、0.41%,特枯水年的8月份COD增加幅度最大(6.61%),与引水前相比浓度增加了0.6 mg/L;氨氮年均浓度在丰、平、枯、特枯水年的变化幅度分别为4.18%、4.91%、8.20%、5.62%,最大变化量发生在特枯水年的2月份,浓度增加了0.018 mg/L;总磷年均浓度在丰、平、枯、特枯水年的变化幅度分别为0.77%、1.82%、0.86%、1.55%,最大增加量发生在特枯水年的2月份,达0.017 mg/L。浓度变化主要因为引水拖拽导致主库区水体与库湾水体混合,导致龙潭溪内水质趋向于三峡主库区。由于库湾COD浓度大,干流区COD浓度小,与干流区水体混合后引起COD浓度减小;龙潭溪取水口氮、磷等经拖拽作用与干流区水质浓度高的水体混合后,氮、磷污染物浓度上升。在水流越缓的时段,龙潭溪取水口泥沙沉积越多,吸附氮磷越大,因此与干流区水体混合后氮、磷浓度上升更为明显,这解释了氮磷在特枯水年的枯水期显著上升的现象。
3.3 水环境保护措施
引江补汉工程实施后,改变了水源区水文情势,取水口流场和流速发生较大变化,非引水时段由于库湾流速较小有发生富营养化的风险。为减缓引江补汉工程实施对水源区的生态环境影响,从改善水动力条件和推进水源区水污染防治两方面提出水环境保护措施:
(1)改善取水口非引水时段水动力条件。为预防龙潭溪取水口局部库湾水域发生富营养化现象,工程运行初期应加强相关水域水质监测,采取相关措施改善非引水时段区域水动力条件和氧含量,如采用曝气船对相关水域定期进行曝气作业,或者采取扬水曝气技术,通过混合上下水层,改善局部水动力条件,促进水的流动,改善氧气状况,加强矿化作用,降低浮游植物光合作用,改善水质。也可借助分层取水结构、控制幕等水工建筑物或设施,产生阻隔或引导作用,确保特定区域内的水质得到改善。除工程措施外,在确保水库正常运行及大坝防洪安全等情况下,可通过优化三峡水库调度方案等非工程措施,调控坝前水位,改变取水口库湾水动力及生境条件,进而改善水质,防止局部库湾发生富营养化。
(2)推进三峡水源区水污染防治。面源污染防控方面,三峡水源区水质关键因素为总磷,应着重加大三峡库区及其上游氮磷污染治理力度,包括实施肥料和农药污染控源、畜禽养殖污染和农村生活污染防治等。工业污染源治理方面,分步骤淘汰三峡水源区沿岸技术水平低、资源消耗大、污染重的企业,有计划地逐步削减氮磷等污染物排放量。生活污染源治理方面,全力推进三峡库区污水处理厂升级改造和填平补齐工作。
4 结论
本文构建了引江补汉工程水源区二维水动力水质模型,模拟不同典型年下水源区流场、水质指标变化过程,分析工程实施后COD、氨氮、总磷浓度时空分布特征变化。模型模拟结果与实测值拟合较好,主要研究结论如下:
(1)引江补汉工程实施后,受引水推拽作用,龙潭溪取水口水域水动力条件增强、流场发生较大变化。不同典型年下,龙潭溪取水口流速呈普遍增大趋势,以特枯水年增加最为显著。
(2)三峡水源区水质具有明显的时空差异性,工程实施主要影响取水口水质。龙潭溪取水口氮磷浓度高于干流各断面,受降水和入库污染负荷影响,特枯水年水质最好,6—9月份水质最差。工程实施后,龙潭溪内水质因拖拽作用趋向于三峡主库区,水源区水质类别基本不变,但库湾水质有发生富营养化的风险。为此,提出相应水环境保护措施,包括采取曝气技术、优化水库调度等方式改善取水口非引水时段水动力条件、推进三峡水源区水污染防治等。