雷曉玲　袁廷　楊程　丁娟

(1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院　重慶 401123；　2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 　重慶 400074)

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基于Delft3D模型的三峽航道環(huán)保疏浚水質(zhì)數(shù)值模擬研究*

雷曉玲1，2袁廷2楊程1丁娟2

(1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院重慶 401123；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

摘要以忠縣皇華城河段為例，利用Delft3D數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽航道環(huán)保疏的水質(zhì)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：疏浚工程的進(jìn)行對(duì)河道水質(zhì)環(huán)境影響比較明顯，隨水流方向污染物質(zhì)量濃度上升速率變慢，在疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度上升245 mg/L，疏浚點(diǎn)下方4 km處污染物質(zhì)量濃度上升約為20 mg/L，河段末端污染物質(zhì)量濃度上升約為14 mg/L；疏浚工程結(jié)束后，河段的水體水質(zhì)能夠較快得到恢復(fù)，離疏浚點(diǎn)越近恢復(fù)得越快，疏浚結(jié)束1 d后污染物質(zhì)量濃度基本已恢復(fù)到本底值，疏浚工程對(duì)水環(huán)境的影響可以較快得到恢復(fù)。

關(guān)鍵詞Delft3D模型三峽環(huán)保疏浚數(shù)值模擬

Study on Numerical Simulation of Water Quality in Three Gorges Channel Environmental Dredging Based on Delft3D Model

LEI Xiaoling1，2YUAN Ting2YANG Cheng1DING Juan2

(1.ChongqingAcademyofScienceandTechnologyChongqing401123)

AbstractTaking the Zhongxian Huanghuacheng river reach as an example, the water quality changes in Three Gorges channel environmental dredging is simulated based on Delft3D model. The results show that the dredging project has obvious impacts on water quality, following the flow direction, the pollutant concentration rises to be slower, the pollutant concentration has increased 245 mg/L at the dredging point, about 20 mg/L 4 km away from the dredging point and about 14 mg/L at the end of the river reach respectively; after the end of dredging, the water quality of the river reach can be quickly recovered, the closer to the dredging point, the faster water quality recovered, the pollutant concentration can be mostly returned to the background value 1 day after the end of dredging and the impact of dredging project on water quality can be recovered quickly.

Key WordsDelft3D modelThree Gorgesenvironmental dredgingnumerical simulation

0引言

三峽水庫(kù)運(yùn)行后的泥沙與水質(zhì)問(wèn)題是倍受關(guān)注的兩個(gè)重大而又十分復(fù)雜的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)一直是三峽工程生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。泥沙的累積增加對(duì)航道的正常作業(yè)產(chǎn)生負(fù)面影響，底泥中所含的污染物也惡化水體水質(zhì)。

疏浚工程可清除污染底泥，常規(guī)疏浚主要以增加水體庫(kù)容維持航道深度為目的，忽略了疏浚過(guò)程中對(duì)水環(huán)境的影響。為改善環(huán)境為目標(biāo)的疏浚，稱為環(huán)保疏浚[2]。環(huán)保疏浚的任務(wù)是清除及處置水體中的污染沉積物即污染底泥，使用專用設(shè)備并采用水力疏浚的方法將污染底泥挖除掉，最后對(duì)挖除后的污染底泥進(jìn)行安全處理[3]。

疏浚工程的展開(kāi)會(huì)引起底泥污染物向水體中釋放，由于疏浚工程耗資巨大，且工程環(huán)境效應(yīng)的不確定性，所以需要在疏浚工程實(shí)施前，對(duì)疏浚工程可能會(huì)帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行深入的研究[2]。因此，本文通過(guò)Delft3D模型對(duì)三峽航道疏浚過(guò)程中及疏浚結(jié)束后的水質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，考察疏浚工程對(duì)水環(huán)境的影響，為三峽航道的疏浚作業(yè)提供理論依據(jù)。

1典型淤積河段的選擇

自2003年6月開(kāi)始，三峽水庫(kù)建成并蓄水，此后水庫(kù)泥沙沖淤特性發(fā)生了明顯的變化。主要的泥沙累積性淤積發(fā)生在彎曲河段和寬谷河段等11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。其中，寬谷河段主要包括西陵峽上段、臭鹽磧、壩前、大寧河口等4個(gè)重點(diǎn)沉積區(qū)，彎曲河段包括忠州三彎、鳳尾壩、云陽(yáng)彎道、土腦子、萬(wàn)州關(guān)刀磧、青巖子、蘭竹壩彎道等7個(gè)重點(diǎn)沉積區(qū)。

忠州三彎是一個(gè)泥沙累積性淤積非常嚴(yán)重的一個(gè)地區(qū)，而其中的忠縣皇華城河段由于其既有彎道又有左右分汊的獨(dú)特地形，使其泥沙淤積現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此，本研究選用忠縣皇華城河段作為水質(zhì)模擬研究對(duì)象。

2忠縣皇華城河段水質(zhì)數(shù)值模擬

2.1水質(zhì)模型的選擇

水質(zhì)模型在研究水體環(huán)境變化方面有著重要的作用，主要的作用便是用以描繪水體中污染物的分布變化規(guī)律?？紤]研究對(duì)象的空間規(guī)模和污染物質(zhì)在水環(huán)境中的分散情況的不同，水質(zhì)模型可分為零維、一維、二維、三維水質(zhì)模型。

二維水質(zhì)模型認(rèn)為污染物的排放在橫向以及縱向上非常不均勻，處于不斷變化的情況，而在水深方向上污染物是均勻的[4]。本研究主要考察疏浚開(kāi)挖點(diǎn)逸散出的污染物隨時(shí)間變化在水平面上的擴(kuò)散情況，故選用二維水質(zhì)模型，且忽略污染物的降解過(guò)程，認(rèn)為污染物是不會(huì)發(fā)生化學(xué)生物反應(yīng)的，觀察其隨時(shí)間在二維平面上的分布情況。

2.2水動(dòng)力耦合

水質(zhì)的模擬需要建立在水動(dòng)力的基礎(chǔ)上，水動(dòng)力提供了河流的地形及水體流態(tài)等資料，為水質(zhì)的模擬提供了可能。本研究在水質(zhì)模擬前，先進(jìn)行了水動(dòng)力模擬。

計(jì)算模型的地形邊界由實(shí)測(cè)資料給定，計(jì)算長(zhǎng)江自獨(dú)珠咀到毛家灣的長(zhǎng)14 km的忠縣皇華城河段水環(huán)境狀況，河段邊界如圖1。由于9月是疏浚工程集中進(jìn)行的時(shí)段，因而本次模擬選擇的時(shí)段為9月。水動(dòng)力模型共模擬了忠縣皇華城河段2 d內(nèi)的水動(dòng)力情況，選擇的時(shí)間是2014年9月1日0點(diǎn)到2014年9月3日0點(diǎn)，上下游基礎(chǔ)資料見(jiàn)表1。

表1　忠縣皇華城河段上下游基礎(chǔ)資料

圖1　忠縣皇華城河段邊界

根據(jù)以上資料進(jìn)行水動(dòng)力模擬，將水動(dòng)力產(chǎn)生的通信文件進(jìn)行耦合，使其可直接應(yīng)用于水質(zhì)模擬。水質(zhì)模擬采用的水動(dòng)力時(shí)間是從2014年9月2日0點(diǎn)到9月3日0點(diǎn)進(jìn)行耦合，時(shí)步為10 min，聚合形式采用移除閑置的網(wǎng)格。

2.3水質(zhì)模型參數(shù)設(shè)定

疏浚工程對(duì)水質(zhì)影響最大的是COD質(zhì)量濃度的增加，本研究主要模擬疏浚過(guò)程中COD的變化。

2.3.1初始條件

初始條件中需要設(shè)置水體在疏浚之前的水質(zhì)情況，設(shè)置水體中CODMn的本底值為20 mg/L；邊界條件中設(shè)置河段的入口與出口CODMn的值為20 mg/L；過(guò)程參數(shù)設(shè)置水體水平流速為1 m/s；數(shù)值選項(xiàng)中選擇Delft3D提供的水質(zhì)計(jì)算方法中的第10種方法；輸出選項(xiàng)中采用質(zhì)量平衡的方式進(jìn)行；離差采用默認(rèn)值。

2.3.2時(shí)間框架

水質(zhì)模擬的時(shí)間采用2014年9月2日到9月12日10 d，這樣在水質(zhì)模擬中水動(dòng)力會(huì)循環(huán)10次，即水動(dòng)力1 d的模擬資料會(huì)在水質(zhì)模擬中自動(dòng)循環(huán)10次以模擬10 d的水質(zhì)情況。

2.3.3排放點(diǎn)

排放點(diǎn)主要是對(duì)污染物排放點(diǎn)的設(shè)置，本研究是研究疏浚過(guò)程中污染物的擴(kuò)散情況，因此定義疏浚點(diǎn)為污染物排放點(diǎn)。本次模擬疏浚點(diǎn)如圖2中所示，設(shè)置該疏浚點(diǎn)離上游入口邊界距離為400 m，設(shè)置為中心排放。通過(guò)實(shí)測(cè)資料[5]，在環(huán)保疏浚過(guò)程中該排放點(diǎn)排污量為1 500 m3/s，污染物質(zhì)量濃度以CODMn計(jì)，其質(zhì)量濃度為350 mg/L。由于1 d內(nèi)疏浚施工的時(shí)間約為12 h，故本次水質(zhì)模擬排放點(diǎn)污染物排放時(shí)間設(shè)置為12 h。

圖2　污染物排放點(diǎn)設(shè)置

3水質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1疏浚時(shí)污染物擴(kuò)散情況

疏浚12 h過(guò)程中的河道水質(zhì)變化情況如圖3、圖4。疏浚開(kāi)始后，在水流作用下，污染物沿著水流方向逐漸擴(kuò)散，隨著時(shí)間增加污染物分布的河段越長(zhǎng)。疏浚工程大概進(jìn)行4 h后，污染物擴(kuò)散到忠縣皇華城河段的末端，此時(shí)忠縣皇華城河段末端CODMn質(zhì)量濃度為25 mg/L。到疏浚進(jìn)行8 h的時(shí)候，忠縣皇華城河段末端CODMn質(zhì)量濃度為34 mg/L，從此時(shí)到疏浚進(jìn)行12 h的過(guò)程中河道內(nèi)污染物分布情況基本穩(wěn)定，沒(méi)有太大變化。由于本次模擬的是惰性污染物在水體中的遷移變化，因而污染物在水中主要是進(jìn)行的是物理作用，化學(xué)及生物作用影響不大，可暫不考慮。污染物進(jìn)入水體后，在水體中稀釋擴(kuò)散，并隨著水流向下游流動(dòng)，因此隨著疏浚時(shí)間的增加，污染物分布的河段會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，影響的區(qū)域越來(lái)越大。當(dāng)疏浚進(jìn)行到一定階段時(shí)，污染物擴(kuò)散的區(qū)域會(huì)越來(lái)越大，但是在前一部分空間區(qū)域內(nèi)污染物的分布情況變化不大，這是因?yàn)樵谶@部分空間區(qū)域內(nèi)污染物的輸入和輸出基本平衡，因而從疏浚進(jìn)行8 h到12 h的過(guò)程中忠縣皇華城河道內(nèi)污染物分布情況基本穩(wěn)定，沒(méi)有太大變化。

圖3　疏浚開(kāi)始前污染物質(zhì)量濃度分布

圖4　疏浚后污染物質(zhì)量物濃度分布

沿水流方向污染物質(zhì)量濃度逐漸下降，在疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度在240 mg/L～265 mg/L之間，集中在250 mg/L左右，沿著水流方向，污染物質(zhì)量濃度逐漸下降到本底值。這是因?yàn)樵谑杩｜c(diǎn)附近污染物量比較大，稀釋擴(kuò)散得較少，因而其質(zhì)量濃度很高，但是污染物沿著水流向下游進(jìn)行時(shí)，越來(lái)越得到充分的稀釋擴(kuò)散，其污染物的質(zhì)量濃度會(huì)沿著水流方向漸漸減小。疏浚8 h后，忠縣皇華城河段河道內(nèi)污染物分布情況基本穩(wěn)定，從疏浚點(diǎn)到河段4 km處，污染物質(zhì)量濃度沿河流方向下降趨勢(shì)明顯，從250 mg/L左右下降到40 mg/L左右；4 km后污染物質(zhì)量濃度下降變緩，從4 km到14 km內(nèi)污染物質(zhì)量濃度下降量不足10 mg/L。這是由于河道內(nèi)離疏浚點(diǎn)不遠(yuǎn)處污染物質(zhì)量濃度較高，與水體中污染物質(zhì)量濃度本底值差異較大，因而在水體中迅速得到稀釋擴(kuò)散作用，使其污染物質(zhì)量濃度有著明顯的下降趨勢(shì)，但污染物隨著水流向下游流動(dòng)，質(zhì)量濃度越來(lái)越低，與污染物質(zhì)量濃度本底值差距越來(lái)越小，因而其稀釋擴(kuò)散作用越來(lái)越不明顯，于是河段內(nèi)后半部分的污染物質(zhì)量濃度下降變緩。

3.2疏浚結(jié)束后污染物擴(kuò)散情況

疏浚結(jié)束后忠縣皇華城河段的水體污染物變化情況如圖5、圖6，主要是模擬疏浚結(jié)束后水體的自凈能力。疏浚剛結(jié)束的40 min內(nèi)，疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度依然很高，從疏浚點(diǎn)開(kāi)始沿河流方向污染物質(zhì)量濃度逐漸降低，但是隨著時(shí)間增加，疏浚點(diǎn)質(zhì)量濃度降低。這是由于疏浚剛結(jié)束時(shí)，疏浚點(diǎn)依然會(huì)釋放出部分污染物，因此疏浚點(diǎn)依然是污染源，故疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度依然很高，但是隨著時(shí)間的增加，疏浚點(diǎn)逐漸趨于穩(wěn)定，釋放出的污染物逐漸減少，從而疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度逐漸降低。到疏浚結(jié)束1 h的時(shí)候，疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度低于其后河段的污染物質(zhì)量濃度，這是因?yàn)榇藭r(shí)疏浚點(diǎn)不再釋放污染物，不再是污染源，由于上游來(lái)水的原因，污染物得到稀釋擴(kuò)散，從而質(zhì)量濃度降低，又由于疏浚點(diǎn)最先得到上游來(lái)水的稀釋作用，因而疏浚點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度開(kāi)始低于其后河段的污染物質(zhì)量濃度。

從圖5、圖6可以看出，當(dāng)疏浚點(diǎn)不再釋放污染物后，隨著時(shí)間增加，河段內(nèi)污染物質(zhì)量濃度逐漸降低。通過(guò)疏浚結(jié)束1 h以及疏浚結(jié)束2 h的污染物質(zhì)量濃度分布圖可以看出，在疏浚點(diǎn)停止釋放污染物的初期，主要受到上游來(lái)水稀釋的影響，越靠近疏浚點(diǎn)，污染物質(zhì)量濃度越先下降，離疏浚點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，污染物質(zhì)量濃度下降越遲。隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，CODMn質(zhì)量濃度在整個(gè)河段內(nèi)得到一定的下降。由于上游來(lái)水的稀釋以及下游擴(kuò)散的綜合影響，CODMn質(zhì)量濃度在河道流向上出現(xiàn)不規(guī)則變化，但總體而言其質(zhì)量濃度都是隨時(shí)間的增加而下降的。到疏浚結(jié)束1 d時(shí)，河段內(nèi)CODMn質(zhì)量濃度基本已恢復(fù)到本底值，只有部分高于本底值，也控制在20.4 mg/L范圍內(nèi)。從疏浚結(jié)束2 d后到8 d，河段內(nèi)污染物質(zhì)量濃度已恢復(fù)正常。

從圖5、圖6可以看出，污染物質(zhì)量濃度隨流向距離的變化高低交錯(cuò)，呈現(xiàn)出不規(guī)則性。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是因?yàn)橹铱h皇華城河段并不是一條規(guī)則的河段，河道分汊存在一些環(huán)流，在水流稀釋擴(kuò)散的綜合影響下，導(dǎo)致了污染物質(zhì)量濃度變化的不規(guī)則性。

圖5　疏浚結(jié)束1 h內(nèi)污染物質(zhì)量濃度分布

圖6　疏浚結(jié)束2 h后污染物質(zhì)量濃度分布

4結(jié)論

利用Delft3D數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽航道環(huán)保疏的水質(zhì)變化進(jìn)行數(shù)值模擬可發(fā)現(xiàn)：疏浚工程的進(jìn)行對(duì)河道水質(zhì)環(huán)境影響比較明顯，尤其是在疏浚地點(diǎn)下方不遠(yuǎn)處，污染物質(zhì)量濃度迅速上升，且上升很多，最高可使其污染物質(zhì)量濃度上升245 mg/L，但是隨著水流向下游方向污染物質(zhì)量濃度上升得越來(lái)越少，且上升得越來(lái)越慢，疏浚8 h后，疏浚點(diǎn)下方4 km處污染物質(zhì)量濃度上升約20 mg/L，其后質(zhì)量濃度上升越來(lái)越少，忠縣皇華城河段末端污染物質(zhì)量濃度上升約為14 mg/L。

疏浚工程結(jié)束后，忠縣皇華城河段的水體水質(zhì)能夠較快得到恢復(fù)，離疏浚點(diǎn)越近恢復(fù)得越快，越遠(yuǎn)恢復(fù)得越慢，疏浚結(jié)束1 d后污染物濃度基本已恢復(fù)到本底值，疏浚的影響基本消除，水體自凈能力較好，疏浚工程對(duì)水環(huán)境的影響可以較快得到恢復(fù)。

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袁廷，男，1991年生，重慶交通大學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)樗廴局卫硌芯俊?/p>

(收稿日期：2015-07-01)

作者簡(jiǎn)介雷曉玲，女，1967年生，教授，清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程碩士，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)環(huán)境工程碩士，重慶市科學(xué)技術(shù)研究院低碳中心負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)槌鞘薪o水排水水質(zhì)、工藝及管網(wǎng)系統(tǒng)研究，水環(huán)境污染物流動(dòng)、擴(kuò)散機(jī)理研究，城市水務(wù)管理。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃專題“三峽水庫(kù)綠色航道施工技術(shù)研究”(2011BAB09B0103)，重慶市科技研發(fā)基地建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目“中-加三峽水域國(guó)際科技合作示范基地”(cstc2013gjhz20001)。