闸库调度下太子河流域水量水质模拟及响应研究

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[ 要 ] 于太子 河流域水 资源调控 程度 高、 污染严重 、 流健 康状 况 日趋 恶化 等特 点 , 摘 鉴 水 河 在 综合 考虑各种 因素 的基础上 。采 用一维水 量水质耦合模 型 , 拟 了太子 河典型年 的水动 力和 模 水质时空分布 , 系统分析 了水文与污 染负荷耦 合的环境过程 在 此基础上 , 据太子 河流域现 根
群 调 度对 水 质 的影 响 。
日期
图 1 辽 阳站实测流量 与计算流量 过程线 比较
作为计算起始段的观音 阁水库枯水期的下泄 流量约为 1 a ,参窝水库 的下泄流量仅为 2 4 0m / s ~ m /。 3 实际计算 中假定两个水库的下泄流量增加一 s
倍 , 析 太子 河 水 质 的变 化 。太 子河 化 学 需氧 量沿 分
( 2)
大 中 小 型 水 库 , 库 容 4 .3亿 m3其 中 , 型 水 总 03 , 大 库 总库 容 为 3 . 66 5亿 m3占总 库 容 的 9%。太 子 河 , 1 流 域 上 游污 染 源 少 、 质 好 , 音 阁水 库 以 上 水体 水 观
基 本 满足 I 类水 质 标 准 ; 中下 游地 区沿 河 排 污 口 I
东 北水 利水 电
[ 文章编号 】0 2 6 42 1 )8 08 2 10 —02 ( 02 0 —0 3 —0
21 0 2年第 8 期
闸库调度下太子河流域水量水质模拟及响应研究
杜彦 良, 晓波 , 刘 吴文 强 , 殷淑 华 , 黄智 华 , 王雨春
( 中国水 利 水 电科 学 研究 院 , 京 103 ) 北 008
关键性要素。 考虑到洪水期及灌溉期水库的防洪、


灌溉、 电等功能 , 发 在此期间作为改善水质环境的 水库的调度 功能不 占主导地位 ,而丰水期的水质
11 — 2 2 -0 4 1 —1 5 3 -1 7 2 -0 98 - 1—8 l—7 0 2 2 1
总体较枯水 期水质略好 ,因此重 点讨论枯水期库
所 示 为 太 子 河 氨氮 的 沿 程 变化 过 程 ,其 趋 势 与 化 学 需 氧 量 的 变化 大 体 一致 。
1 5
3 结 论
以太 子河流 域 的一维水 量 水质 数学 模型 为技 术 手段 ,在 综合考 虑 了流 域 的 自然条件 、社 会 经济 发
展、 水资源 开发利 用等 诸 多因素 的前 提 下 , 系统分 析 了太 子 河 流域 水 文 及 水污 染 耦合 的 环 境过 程 的特 征 。 出 了在枯 水 期提 高 水库下 泄流 量的方 案 , 预 提 并
程, 这些过程常处于动态平衡之中。 河流水质参数 的研 究 就 是 定 量 研 究 污染 物 在 水 体 中的 迁 移 转 化
规律 , 它是 水 污 染研 究 的重 要 技 术关 键 之 一 。 13 模 型 验 证 与分 析 . 利 用辽 阳水 文 站 的实 测 流 量 资 料 ,对 模 型 水 动 力计 算 结 果进 行 验证 , 果详 见 图 1 结 。
2 库 群 调 度 水 质 响 应 模 拟
太 子 河 河 段 上 闸坝 众 多 ,一 般 闸坝 只 是 改 变 局 部 水流 流 态 , 对全 河 道 的水 量 调节 不 大 。上 游 观
音阁水库 的下泄流量和计 算河道上 的大型水库参
窝水库 的水 量调 节 ,对 太 子 河水 质环 境 的 影 响 是
NL

/ 。… ‘ 0
() 5
1 太子 河水量水质耦 合模拟
11 水量 水 质模 型 控 制方 程 .
( C) =( Q) Q c
描述河道水动 力学特性 采 用明渠一维非恒定 流的 si — eat a tV nn 方程组: n
a + Z
式中: C为计算水质指标浓度 , 为扩散系数。 E
状 提 出不 同库 群 调 度 方 案 , 估 了各 方 案 下 太 子 河 的 水 质 响 应 过 程 及 其 对 沿 程 各 站 点 水 质 环 评
境 的影响 。
[ 关键词 ]水质 水量耦合模 型 ; 闸库调度 ; 太子 河流域
【 中图分 类号 】 2 X8 4
【 文献标识码 ] A
考虑太子河计算河道上水流的不连续性 , 整个 河道以参窝水库坝址为界分为两段 , 河段相汇处满
足 质量守 恒和 能量 守恒 , 以下两个 连 接条件 : 即
多, 河流 污 染 严 重 , 别是 城 市 河 段 ( 本 溪 、 阳 特 如 辽 等 )水 质 常年 在 I ̄ 类之 间。 子 河 流域 社 会 经 , IV I 太 济 发 展 、水 资源 供 需 和 环 境 生 态 健 康 等 诸 多 因素 间矛 盾 突 出 , 流 水环 境 治 理 存 在极 大 的挑 战性 。 河 针 对 太 子 河 流域 水 资源 总 量少 , 发 强 度 大 , 开 河 流 人 为 控 制程 度 高 , 污染 严 重等 特 点 , 建 了太 构 子 河 流 域 的一 维 河 道 水 量 水 质 模 型 ,对 现 有 的 水 利 工 程 设 施 的利 用和 调 度 提 出方 案 ,预 测 分 析 太 子 河 的 水 质 响应 过 程 , 为流 域 多 目标 、 需 求 、 多 应 急 及 适 应 性 管理 提供 技 术 支撑 。

由图 1 以看 出 ,计算 流 量 过 程和 实 测 值 吻 可
合较 好 , 明结果可信。计算结 果中 1 月份的流 说 1
量 与 实测 流 量 有 一 定 的 差异 ,可 能 是 由于 冬 季 冰
3 ・ 9
东北 水 利水 电 程 变 化 见 图 4 。
5 O
21 0 2年第 8 期
4 O 3 0
吾2 0 u 1 0

图 4 太 子 河 化 学 需 氧 量 沿程 变 化
泄流量对水库水环境改善具有较明显的效果。
图 4中 ,ae csO和 cs1分 别代 表现 状 条 件 下 和 a e 下泄 流 量 增加 一 倍 的条 件 下 ,太 子 河 化 学 需 氧 量 的沿 程 变化 过 程 。 由 图 4中可 以看 出 , 窝水 库 参 上 游 段 化 学 需氧 量 最 大 降低 3%左 右 ,但 在 参 窝 4 水 库 内 部 浓度 有 所 上 升 , 多增 加 11 。下 游 河 最 .倍 段 水 质 也 有 不 同 程 度地 改 善 ,在靠 近 水 库 的 河 段 水 质 相 对 变化 量 较 大 , 大 可 达 3%, 于下 游 有 最 7 由 若 干 支 流 汇入 , 此浓 度 的 相 对变 化 量较 小 。 图 5 因
太 子 河是 辽 河 下 游 一 大 支 流 ,横 贯 辽 宁 省 中
部 地 区 , 长 4 3k , 域 面 积 13 河 1 m 流 .9万 k , m2 多年 平 均 水 资 源 量 3. 49亿 m 太 子 河 流 域 现 有 5 。 8座
+ (-2 U + - 2 gB) 2 g 0 曙 A U k 一
显, 氨氮在参窝水库 的上游河段浓度较低 , 下游河 段浓度明显升高 , 且有递增的趋势。由于城市排污
的 影 响 , 近城 市 的 河段 , 质 较 差 , 如 本 溪及 靠 水 例 辽 阳 河段 ,计 算 区域 的 末 端 水 质 受上 游 污 染及 当 地 污染 负荷 的 累计 影 响 , 水质 较 差 。
选取水文及水质 资料较全 的 20 年 , 07 作为模 型率定和 验证 的水文年 ,采用观音阁水库 的下泄
水 量 作 为 模 型计 算 的 上游 入 流 边 界 条 件 ,2条 支 1 流 采 用 水 文模 型 计 算 的流 量 作 为 边 界入 流 。 下 游
水 质监测数据做 比较 , 图 2 3 见 ~。
段 )大 型 水 库 参 窝水 库 一 座 、 库 支 流 1 、 入 2条 , 合 计 计算 断面 共 18个 。 5
冻期所致。 模型计算 的水质验证的站点 , 选取上游
河 段 的 本 溪 和 下 游 河 段 的 辽 阳站 和 小 林 子 站 , 计 算 的化 学 需 氧 量 和 氨氮 浓 度 和 站 点 的 全 年 逐 月 的
半 径 、流速 及 糙 率 ; 为 单位 河长 的旁 侧 入 流 量 ; 钆
Q 』 , 别 为汇 集 于 同 ~节 点各 河 段 断 面 流 量及 f 分
水 位 ; 为 节 点 的水 面 面积 。 河 道 的 水 质求 解方 程 为
+ 一 鲁\
不 同河 段 的 交汇 处 方程 为
∑ 誓) =(
= 一 z j
( 3 )
式 中 : 为 时 间坐 标 ; 为空 间坐 标 ; t p为流 量 , Z为
水位 ; B主 河 道 水 面 宽 , 为 包 括 仅 起 调 蓄作 用 附 毋 加 宽 度 的水 面 宽 ; R, n分 别 为过 水 面积 、 力 A, U, 水
图 2 本溪 站实测和计算化学 需氧量 年内变化过程
泄水水质浓度 , 基本为 I类水。 I 沿程主要的污染源
有 三 类 : 一为 城 市 集 中排 污 口 , 小市 、 焦 、 其 如 二 本
溪 、 阳 、 林 子 等 ; 二 , 支 流 的入 口也 作 为 污 辽 小 其 各
图 3 小 林 子 站 实 测 和 计 算 氨 氮 年 内 变 化 过 程
以 上各 图 中可 以看 出 : 算 的 水质 浓度 变幅 较 计 大 ,但 总体 能 反 映 太 子河 河道 化 学 需 氧 量 和 氨氮 的 年 内 变化 过 程 及 空 间分 布特 性 。枯 水 期 水 质较 丰 水 期水 质 差。 化 学 需氧 量 在全 河 道 上 变 化 不 明
染 源 汇 入 口 ; 三 为 农 业 面源 的输 入 , 要 由降 雨 其 主 带 入 ,在 计 算 中将 其取 平 均 后 与 前 两 项 叠 加 进 行 计算。 太 子 河 区域 水 污 染 较 为 严 重 ,污染 物 在 水 体 中发 生 了物 理 、 化 学及 生物 等 一 系 列 迁 移 转 化 过
采用唐马寨的水位边界作为计算 的边界条件。初
始 水 位 采 用计 算 起 始 时 刻 控 制 断 面 的 实 测 水 位 值, 初始 流 量 采 用假 定值 作 为 初始 条 件 。河 道 闸坝
采用实际的水位流 量曲线进行计算。水库 计算采
用实 际 下 泄 流 量 数据 ,根 据 库 容 曲线 求 解 其 水 位 变 化 过 程 。 太 子 河 上主 要 年 内定 常 的 取 排 水 为 城 市 生 活 和 工 业 用 水 ,根 据 社 会 经 济 发 展及 各 大 水 厂 的 统 计 数 据得 到 。年 内不 定 常 用水 为 农 业 灌 溉 用水 。 综合 考 虑 上 述取 用 水过 程 。 太 子 河 区水 质 计 算 上边 界 为观 音 阁水 库 的 下
12 太 子 河 模 型构 建 . 太子 河 水 量水 质 模 型 计 算 的起 点 为 观 音 阁 水 库 下 游 的小 市 , 点 为唐 马寨 , 中河道 上 分 布 有 终 其

38 ・
21 第 8 02年 期
东北 Leabharlann Baidu利 水 电
水利科 研
各种 拦河 闸坝 7个 ( 基本 位 于参 窝水 库上 游河
可降低 3 % 3 % 2  ̄ 3 。当参 窝水库 的流量增加 5% , 0时
辽 阳 及 小 林 子 河 段 浓 度 可 降低 1%~ 5 8 2%左 右 ; 当 流量 增 加 1 时 , 浓 度 可 降低 2%~ 6 倍 其 6 3%。而在 参 窝水 库 内部 , 质 浓度 有 不 同 程度 的增 加 。计算 结 水 果表 明 ,太 子 河 的水 质浓 度 随 观 音 阁水 库 和 参 窝 水库 水 量调 度 的改 变 而 变化 ,其 响应 过 程 比较 显 著 。计 算 结 果 表 明 , 在枯 水 期 适 当 的 加大 水 库 的 下
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