程 然，李 靜，任華堂，夏建新

(1. 中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081；2. 北票市環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122100)

供水安全保障是涉及千家萬戶的重大任務(wù)，也是各級政府的重要責(zé)任。近年來，由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分飲用水源地受到污染，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，威脅供水安全。為保障飲用水安全，2018年生態(tài)環(huán)境部出臺了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（HJ 338—2018）（以下簡稱《規(guī)范》），進(jìn)一步規(guī)范水源地的管理，尤其是對保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)方法進(jìn)行了規(guī)定?，F(xiàn)有飲用水水源保護(hù)區(qū)是根據(jù)《規(guī)范》提供的類比經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行劃分，《規(guī)范》中規(guī)定“小型水庫和單一供水功能的湖泊、水庫應(yīng)將多年平均水位對應(yīng)的高程線以下的全部水域劃為一級保護(hù)區(qū)”，如鄔容偉等[1]通過類比經(jīng)驗(yàn)法劃定大型水庫——老營盤水庫的一級保護(hù)區(qū)、二級保護(hù)區(qū)、準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，并通過環(huán)境容量計(jì)算探究水質(zhì)達(dá)標(biāo)性和污染防治措施；王子林等[2]采用類比經(jīng)驗(yàn)法對王慶坨水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分，并對該保護(hù)區(qū)的規(guī)范化整治提出建議，為天津市飲用水安全保障提供技術(shù)支持。但是類比經(jīng)驗(yàn)法劃分保護(hù)區(qū)時(shí)僅僅根據(jù)湖泊水庫的類型和容量進(jìn)行籠統(tǒng)劃分，而忽略了湖泊、水庫的水動力情況和水環(huán)境變化情況。數(shù)值模擬方法的發(fā)展與應(yīng)用，使得對湖泊、水庫的水動力過程和水環(huán)境變化的研究逐步深入，已經(jīng)成為開展水源地水質(zhì)分析預(yù)測的重要技術(shù)手段，能更好地對污染物的分布、遷移規(guī)律進(jìn)行模擬分析。任華堂等[3]利用EFDC模型模擬了深圳灣在潮周期內(nèi)水環(huán)境指標(biāo)的時(shí)空分布規(guī)律，提出了復(fù)雜流動情況下利用示蹤劑長期變化趨勢估算水力停留時(shí)間的方法；孫凱迪等[4]建立汾河水庫二維水動力-水質(zhì)耦合模型，研究不同情境下污染物的擴(kuò)散情況和濃度分布規(guī)律，建立汾河水庫突發(fā)污染事故應(yīng)急預(yù)估表；鄭婷婷等[5]建立汾河水庫水動力及水質(zhì)數(shù)值模型，分析了不同進(jìn)水濃度下COD和TN的遷移擴(kuò)散情況，為汾河水庫的水質(zhì)安全提供保護(hù)依據(jù)。

本文針對白石水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)建立數(shù)值模型，研究水庫及其主要支流的水動力過程和水環(huán)境變化規(guī)律，探究《規(guī)范》提供的類比經(jīng)驗(yàn)法對白石水庫取水口水質(zhì)保障程度與合理性，確保供水安全與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域及模型構(gòu)建

白石水庫位于遼寧省北票市大凌河干流上，是一座以供水為主的大型水利工程，水庫面積為80 km2，流域面積為17 649 km2，承擔(dān)著阜新市的飲用水供應(yīng)任務(wù)，關(guān)系到近186萬人的飲用水安全。根據(jù)《規(guī)范》要求，擬將116 m水位對應(yīng)的高程線以下全部水域劃為一級保護(hù)區(qū)。通過EFDC數(shù)值模型，模擬白石水庫的水動力與水環(huán)境過程，探究類比經(jīng)驗(yàn)法對取水口水質(zhì)保障程度與合理性，為白石水庫保障水質(zhì)安全提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 數(shù)值模型分析法

EFDC模型是由Hamrick根據(jù)多個(gè)數(shù)學(xué)模型研制開發(fā)的三維水動力-水質(zhì)綜合模型，并得到美國環(huán)?？偸鸬馁Y助與推薦，廣泛應(yīng)用于河流[6]、湖泊水庫[7]、河口海灣[8]以及濕地系統(tǒng)等多種類型的地表水體水動力-水質(zhì)模擬研究。該模型具有水動力模塊，水環(huán)境模塊、底泥遷移模塊、毒性物質(zhì)模塊、風(fēng)浪模塊以及底質(zhì)成巖模塊等6個(gè)模塊。EFDC模型是一個(gè)多參數(shù)有限差分模型，常常采用Boussinesq假定和靜水假定。在水平方向上采用正交坐標(biāo)變換，在垂直方向上采用σ坐標(biāo)變換[9]。在水動力學(xué)計(jì)算方面，EFDC模型中動力學(xué)方程采用有限差分法求解，水平方向采用交錯網(wǎng)格離散，時(shí)間積分采用二階精度的有限差分法以及內(nèi)外模式分裂技術(shù)計(jì)算。外模采用半隱式格式計(jì)算，利用預(yù)處理共軛梯度法求解二維水位場；其中垂向擴(kuò)散項(xiàng)采用隱式格式計(jì)算，其他物理過程的求解采用顯式格式[10]。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 網(wǎng)格劃分及地形匹配 根據(jù)白石水庫水域特點(diǎn)，將3條入庫河流分別上溯10 km，采用曲線正交網(wǎng)格進(jìn)行貼體劃分，水庫庫區(qū)平面共劃分為1 401個(gè)網(wǎng)格，沿河道方向網(wǎng)格間距62.00～290.69 m，平均間距198.50 m；沿垂直于河道方向網(wǎng)格間距12.37～315.82 m，平均間距200.48 m。根據(jù)白石水庫水位-庫容關(guān)系曲線和白石水庫斷面測量數(shù)據(jù)，通過插值分析計(jì)算得到水庫的庫底高程（圖1）。

圖 1 白石水庫底部高程示意Fig. 1 Map of bottom elevation of Baishi Reservoir

1.2.2 計(jì)算條件及相關(guān)參數(shù) 考慮到不同年份上游來流流量對污染物的遷移擴(kuò)散過程影響不一，根據(jù)大凌河、牤牛河、涼水河2007—2016年10年間流量大小設(shè)計(jì)豐、平、枯3種典型年條件。由于多年平均徑流量為3.12×108m3，因而確定最接近平均徑流量的2016年為平水年；將10年中徑流量最小的2010年定為枯水年；徑流量最大的年份為2012年，但2012年為50年一遇洪水年，不具有典型性，因而將徑流量次大的2013年定為豐水年。

氨氮和總磷是影響水庫富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)元素，且監(jiān)測資料較為齊全，因而本文選取氨氮和總磷作為模擬污染物。白石水庫的3條入庫河流的入庫污染物濃度多年保持在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)以下，因而將Ⅲ類水水質(zhì)濃度作為污染物邊界條件進(jìn)行模擬分析，為污染物留出一定的環(huán)境容量，其中氨氮設(shè)計(jì)濃度為1.0 mg/L，總磷設(shè)計(jì)濃度為0.05 mg/L。通過類比同時(shí)期遼寧地區(qū)其他水庫的降解速率確定白石水庫的氨氮降解系數(shù)為0.003 /d，總磷為0.005/d。模型采用固定時(shí)間步長的求解算法，時(shí)間步長為5 s，在求解過程中設(shè)置干濕網(wǎng)格交替的控制水深為0.05 m，最小水深為0.001 m[11]，底部糙率為0.01。

1.3 模型驗(yàn)證

在現(xiàn)有資料條件下，選取水位-庫容曲線以及豐、平、枯3種典型年的水位對應(yīng)曲線作為驗(yàn)證指標(biāo)，結(jié)果見圖2。

圖 2 3種典型年條件下水位驗(yàn)證Fig. 2 Verification of water levels under three hydrodynamic conditions

在水環(huán)境模擬中存在一些狀態(tài)變量可能會有非常大的平均值，從而造成相對誤差很小，得到模型模擬非常精確的假象。為了克服這一缺點(diǎn)，在水動力和水質(zhì)模型中，采用相對均方根誤差（RRE）和納什系數(shù)（CNSE）作為評價(jià)指標(biāo)。

式中：Ct，Mt為指標(biāo)的模擬值和監(jiān)測值；Mmax，Mmin作為指標(biāo)監(jiān)測值的最大和最小值，RRE在模擬河流、湖泊及河口海灣地區(qū)時(shí)是一個(gè)很有用的評價(jià)指標(biāo)，得到諸多學(xué)者的采用[8,12-13]。

由表1可見，對于豐、平、枯3種典型年，白石水庫的水位及庫容模擬結(jié)果誤差均在可接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本模型的可靠性。

表 1 白石水庫水位、庫容驗(yàn)證評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Evaluation index statistics of water level verification and storage capacity verification

2 模擬結(jié)果分析

2.1 水動力場模擬結(jié)果

水庫的污染負(fù)荷及停留時(shí)間是水庫富營養(yǎng)化的重要影響因素。本文采用水齡來描述湖庫水體的交換強(qiáng)度或交換過程，研究豐、平、枯3種典型年水動力條件下水庫水齡變化對水動力和生化特征的影響。

通過對水齡的數(shù)值模擬分析得出，在豐、平、枯3種典型年條件下，庫首段水齡＞庫中段水齡＞庫尾段水齡＞入庫河流段水齡。水齡越長，物質(zhì)輸移能力越弱，庫首段的水齡較長，豐水年平均水齡為304.4 d，平水年為656.4 d，枯水年為673.2 d，水力交換時(shí)間長，一旦水質(zhì)發(fā)生污染，對庫首段的影響時(shí)間較長（見圖3）。

圖 3 3種典型年條件下水齡空間變化Fig. 3 Spatial variation of water age under three hydrodynamic conditions

2.2 不同水文年水環(huán)境指標(biāo)空間變化分析

氨氮和總磷對白石水庫水質(zhì)影響較大，且其監(jiān)測資料較為齊全，對于水環(huán)境模擬過程，本文選取氨氮和總磷作為模擬污染物。在不同典型年邊界條件下，白石水庫主要水環(huán)境指標(biāo)變化（氨氮、總磷）模擬結(jié)果如圖4所示。

圖 4 3種典型年條件下氨氮、總磷濃度分布Fig. 4 Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration distribution under three hydrodynamic conditions

由圖4可以看出，在不同的典型年情景以及不同入庫污染物濃度下，庫尾段污染物濃度均大于庫首段污染物濃度，且受水動力過程的影響。在豐水年條件下，水庫的入庫出庫流量大，水力停留時(shí)間短，降解時(shí)間少，且對污染物的輸移能力強(qiáng)，大量污染物隨入庫河流涌入水庫，污染物降解不完全，導(dǎo)致豐水年夏季即入庫河流流量較大的時(shí)期，水庫水質(zhì)整體較差，使氨氮的濃度直至壩前仍未衰減到Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以下，而總磷衰減到Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距壩前最近距離為2 632 m。在平水年條件下，水庫的入庫出庫水量都略小于豐水年，氨氮衰減到達(dá)標(biāo)時(shí)，距離壩前的最短距離為1 887 m，總磷為3 150 m，風(fēng)險(xiǎn)較豐水年次之。在枯水年條件下，水庫入庫出庫流量相對較小，水力停留時(shí)間長，整體水齡也相應(yīng)增加，入庫河流進(jìn)入水庫的污染物在水庫中的停留時(shí)間長，降解時(shí)間長，其氨氮衰減到達(dá)標(biāo)距壩前最短距離為3 464 m，總磷為4 944 m，風(fēng)險(xiǎn)最小。豐水年、平水年、枯水年的氨氮衰減達(dá)標(biāo)距壩前最近距離分別為0，1 887和3 464 m，總磷衰減達(dá)標(biāo)距壩前最近距離分別為2 632，3 150和4 944 m。

3 基于模擬結(jié)果的保護(hù)區(qū)劃分合理性評價(jià)

基于以上情況進(jìn)行模擬，豐、平、枯3種典型年條件下，僅豐水年氨氮在取水口處超標(biāo)，超標(biāo)情況見圖5，取水口處氨氮最高濃度為0.58 mg/L，超標(biāo)16%，超標(biāo)天數(shù)為56 d，原因是2012年為白石水庫50年一遇洪水年，年徑流量大，達(dá)863.13×106m3，是平水年的2.95倍，水庫中水流流速快，水齡短，使庫中的氨氮來不及消解便到取水口附近，一直持續(xù)到2013年年初取水口處水質(zhì)才達(dá)標(biāo)。2013年汛期氨氮濃度略有升高，但未超過Ⅱ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)，表示正常豐水年氨氮隨著水流可以消解達(dá)標(biāo)。

圖 5 3種典型年取水口處氨氮、總磷濃度Fig. 5 Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration at water intake under three hydrodynamic conditions

將116 m水位對應(yīng)高程線以下全部水域劃分為一級水域保護(hù)區(qū)，是對取水口水質(zhì)保障的最大水域保護(hù)區(qū)范圍，最大程度減少水庫沿岸的村落、農(nóng)田等對水庫造成的污染。但在50年一遇洪水年仍有水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。為提高洪水年取水口水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，應(yīng)對上游入庫河流水質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，降低河流入庫污染物濃度，使其在入庫口處污染物濃度盡量達(dá)到二類水水質(zhì)要求，尤其是徑流量較大的汛期。

針對白石水庫模擬結(jié)果，采用《規(guī)范》中類比經(jīng)驗(yàn)法劃定一級水域保護(hù)區(qū)是合理的。由模擬結(jié)果可知，在遭遇50年一遇洪水年時(shí)，水庫水質(zhì)雖然存在不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，但在正常豐水年、平水年、枯水年條件下，取水口處水質(zhì)仍能保持達(dá)標(biāo)狀態(tài)。飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分不僅涉及水資源保護(hù)，還與當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。現(xiàn)階段，將多年平均水位對應(yīng)高程線以下全部水域劃分為一級水域保護(hù)區(qū)，是權(quán)衡水資源保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展后，所能實(shí)現(xiàn)的最大保護(hù)區(qū)。

4 結(jié) 語

作為遼西北調(diào)水中轉(zhuǎn)站，白石水庫飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分工作具有重要意義，為了研究白石水庫的水動力和水質(zhì)特征，本文對其在豐、平、枯3種典型年情境下進(jìn)行模擬計(jì)算，建立平面二維水動力及水質(zhì)模型，探究白石水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的合理性。

（1）通過對庫區(qū)水動力進(jìn)行模擬，白石水庫的水齡較長，其中，豐水年壩前平均水齡為304.4 d，平水年為656.4 d，枯水年為673.2 d。水力交換周期長，一旦發(fā)生污染事故，對阜新市的生產(chǎn)生活影響較大。在劃定保護(hù)區(qū)之后，應(yīng)對水齡時(shí)間較長水域的水質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，減少或阻斷岸邊污染物進(jìn)入河流。

（2）氨氮在豐、平、枯3種典型年條件下，衰減至Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)界限到壩前最短距離分別為0，1 887和3 464 m；總磷為2 632，3 150和4 944 m。豐水年、平水年、枯水年的水動力條件下，氨氮都降解達(dá)標(biāo)，總磷濃度在豐、平、枯3種典型年也都衰減達(dá)標(biāo)，水質(zhì)保證率較高。

（3）根據(jù)《規(guī)范》中規(guī)定采用類比經(jīng)驗(yàn)法，將116 m水位對應(yīng)高程線以下全部水域劃為一級保護(hù)區(qū)。在模擬污染物結(jié)果中，除洪水年取水口處氨氮超標(biāo)外，其他模擬情況均達(dá)標(biāo)，而白石水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2012年是白石水庫50年一遇洪水年，該情況并不常見，所造成的水質(zhì)超標(biāo)在可接受范圍內(nèi)，白石水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分合理。