戴楓勇，程永隆，洪小筠

（福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001）

1 概況

閩江是福建省最大的河流，發(fā)源于閩、浙、贛三省交界的武夷山脈，從發(fā)源地至長門河口長541 km，流域總面積60 992 km2。上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近匯合后主流稱閩江干流，南平以上稱為上游，南平至水口（大壩）已形成庫區(qū)稱閩江中游，水口壩址以下稱下游，從該壩址至閩江口河長約117 km。

閩江下游主河道流經(jīng)閩清、閩侯、福州市區(qū)、長樂和連江。根據(jù)兩岸地形與河道形態(tài)，下游可大致分為4段：水口～竹岐、竹岐～南北港分流口、南北港分流口～白巖潭（南、北港）、白巖潭～長門。

閩江下游是福州市所在地，亦是海峽西岸沿海一帶重要的水源地。根據(jù)近年來閩江下游的污染源調(diào)查，排入閩江北港福州段河道的工業(yè)、生活污廢水占全市污廢水總量的75%以上，且隨著福州城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、城市的東擴(kuò)南移，排入閩江南港河道的廢污水量也在增加。另一方面，由于閩江水口水庫與上游的各支流上的大中型梯級(jí)電站水庫的建庫攔砂，以及閩江下游河道河砂資源的開采，導(dǎo)致閩江下游河床及枯水水位不斷下切，潮流界、潮區(qū)界逐年向上游延伸。受潮流影響，河口段水體的交換時(shí)間變長，水體中污染物的長時(shí)間滯留回蕩嚴(yán)重威脅到閩江下游水源地的水質(zhì)安全。

2 模型建立

2.1 控制方程

采用平面二維水動(dòng)力方程組計(jì)算水動(dòng)力場，守恒形式平面二維淺水方程如下式所示：

水質(zhì)模型采用守恒形式的二維對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：Ci為第 i種物質(zhì)濃度；Dx，Dy分別為 x，y 方向濃度擴(kuò)散系數(shù)；ki為第i種物質(zhì)一階降解系數(shù)；Si為第i種物質(zhì)源強(qiáng)。

應(yīng)用有限體積法（FVM）進(jìn)行積分離散并利用通量的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)不變性把二維問題轉(zhuǎn)化成一系列局部的一維問題進(jìn)行求解，采用全變差縮小格式（TVD）計(jì)算各跨單元邊的水量、動(dòng)量與通量。

2.2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格布置

數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍為水口壩址至閩江口的閩江下游河道及其支流大樟溪，其余各支流對(duì)閩江總水量的貢獻(xiàn)不大，故可在保證輸水能力和調(diào)蓄能力與實(shí)際河道基本一致的基礎(chǔ)上對(duì)主河道進(jìn)行合理概化。

無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)之一是可對(duì)任意區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，在實(shí)際計(jì)算中對(duì)岸邊進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格加密處理。模型的計(jì)算時(shí)間步長為4 s，共生成網(wǎng)格49 126個(gè)，網(wǎng)格大小介于500 m2與20 000 m2之間。

2.3 地形資料

模型的水下高程根據(jù)2009年實(shí)測水下地形圖確定。

2.4 邊界條件

上邊界以實(shí)測水口電站逐時(shí)發(fā)電下泄流量為邊界條件：Q=Q（t）。下邊界以頭站與瑯岐大橋?qū)崪y逐時(shí)水位過程作為邊界條件：Z=Z（t）。支流邊界以大樟流永泰站實(shí)測流量為邊界條件：Q=Q（t）。

3 模型驗(yàn)證

模型采用2008年12月15日6：00—18：00各水文站及測流斷面的觀測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。模型計(jì)算結(jié)果的水位、流量相位均與實(shí)測值基本吻合，斷面潮量偏差小于10%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，可見該二維水動(dòng)力模型可以較好地適用于閩江下游河段的水動(dòng)力模擬。

4 河床演變對(duì)水質(zhì)的影響

4.1 計(jì)算條件

在月球和太陽的共同作用下，海洋潮汐很有規(guī)律性。當(dāng)太陽、月球和地球差不多在同一條直線上，月球與太陽的引潮力幾乎作用于同一個(gè)方向，兩者的合力最大，海水受到的引潮力最大，太陽潮和太陰潮相加形成大潮，此時(shí)，潮流界上溯距離最遠(yuǎn)，污染物質(zhì)對(duì)上游水源地的影響也最大。另根據(jù)實(shí)測結(jié)果表明，閩江下游主要超標(biāo)污染物為氨氮，故本文采用水口壩址～閩江口二維水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究2003年地形條件典型日（工況一）、2009年地形條件典型日（工況二）兩種不同地形條件下閩江下游河段的水質(zhì)（以氨氮為例）變化情況與規(guī)律。

4.1.1 地形資料

計(jì)算區(qū)的2003年、2009年地形根據(jù)2003年及2009年實(shí)測水下地形圖確定。

4.1.2 邊界條件

1）水動(dòng)力模型。計(jì)算中，上邊界給定水口電站發(fā)電下泄流量308 m3/s，下邊界給定典型枯水期大潮日（2008年12月15日頭及瑯岐大橋水位隨時(shí)間的變化值，入流邊界大樟溪給定入流量20 m3/s。

2）水質(zhì)模型。參照2009年兩次水質(zhì)分析結(jié)果，上邊界水口壩址斷面及支流邊界大樟溪污染物輸入過程為氨氮濃度定為0.15 mg/L；下邊界瑯岐大橋及頭斷面污染物輸入過程為氨氮濃度定為0.3 mg/L。

閩江下游排污口概化為14個(gè)，將其氨氮濃度過程作為輸入邊界條件，主要污染源均采用2007年全潮12 h逐時(shí)實(shí)測流量、濃度資料。水質(zhì)數(shù)值模型參數(shù)引用《閩江感潮河道河床演變對(duì)水質(zhì)影響研究》研究成果。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時(shí)間增長，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，故閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢，污染帶上溯距離不斷增大。2003年地形條件下，北港漲憩時(shí)氨氮劣Ⅲ類污染帶可上溯至馬尾水廠取水口斷面上游15.8 km；2009年地形條件下，劣Ⅲ類污染帶最遠(yuǎn)可上移至馬尾水廠取水口斷面上游22.1 km，污染程度大大加深。兩種計(jì)算條件下，西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)均受徑流稀釋作用及潮流回溯作用影響，落潮時(shí)污染物濃度減小，漲潮時(shí)濃度增大，且隨著北港地形下切，徑流分配水量的減少與潮流回溯作用的加強(qiáng)，該取水口氨氮濃度不斷增高，水質(zhì)變差，對(duì)水質(zhì)的影響程度加大。

由于南港污染負(fù)荷量遠(yuǎn)小于北港水體，故在模擬計(jì)算中，除淘江排污口附近的南港水質(zhì)均可達(dá)到Ⅲ類。南港水體水質(zhì)主要受兩個(gè)作用影響：南港上游來水的稀釋作用及南北港匯合口以下污染物的漲潮回溯作用。當(dāng)稀釋作用起主要作用時(shí)，水質(zhì)就會(huì)好轉(zhuǎn)，當(dāng)回溯作用起主要作用時(shí)，水質(zhì)就會(huì)惡化。由于南港河底地形不斷降低，使得南港上游來水量增多，稀釋作用加強(qiáng)，與此同時(shí)，北港水動(dòng)力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少。故隨著地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

1）本次研究在實(shí)測河道地形圖與水動(dòng)力、水質(zhì)資料基礎(chǔ)上建立起閩江下游水口壩址～閩江口二維水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。利用實(shí)測水位、流量資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示模型物理參數(shù)和計(jì)算參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，可用于閩江下游水動(dòng)力的模擬計(jì)算。

2）由數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知：隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時(shí)間增長，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢，并影響西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)；隨著南港河底地形不斷降低，南港上游來水量增多，稀釋作用加強(qiáng)，與此同時(shí)，北港水動(dòng)力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少，故隨著河道地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。因此，從閩江下游水資源及水源地保護(hù)角度來看，應(yīng)采取有效的立法及行政手段遏止下游河道大規(guī)模采砂，保證福州北港飲用水源地的用水安全。

[1]福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.閩江感潮河道河床演變對(duì)水質(zhì)影響研究[R].2007.