劉小華，魏炳乾，黃 磊，劉 星，李杰偉，劉艷梅

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.安康市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，陜西 安康 725000)

1 研究背景

水是人類生存的重要資源，與人類生活有著密切的聯(lián)系[1-2]，水質(zhì)安全關(guān)系著居民的健康。保障居民的用水安全，關(guān)鍵在于保護(hù)水源地[3]。隨著社會(huì)的快速發(fā)展及社會(huì)需求的日益提升，越來(lái)越多的水電站處于在建或待建狀態(tài)，但水電站的修建會(huì)影響天然河道原本的水文情勢(shì)和水環(huán)境[4]。如三峽水庫(kù)的興建、蓄水導(dǎo)致污染帶逐漸趨向岸邊分布，使得重慶市岸邊水源地，尤其是大型水源地的水質(zhì)受到了威脅[5]。因此，在修建之前對(duì)水電站庫(kù)區(qū)影響范圍內(nèi)水源地的水力特性及水環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)分析是極其必要的。

由于水庫(kù)建成后對(duì)河段內(nèi)水質(zhì)及水資源會(huì)產(chǎn)生影響，諸多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究，得到了較好的研究成果。楊晨等[6]對(duì)山西省最大的飲用水源地汾河水庫(kù)不同情景下的突發(fā)性水污染事件進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了污染物的遷移規(guī)律，并得到了水庫(kù)影響下發(fā)生污染后水源地的水質(zhì)變化過(guò)程；劉江等[7]對(duì)鴨子蕩水庫(kù)周圍的水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出在水庫(kù)影響下該河段水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間及空間的分布規(guī)律，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)條件；Feng等[8]通過(guò)對(duì)中國(guó)北方高寒地區(qū)某水庫(kù)源水水質(zhì)指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測(cè)，研究了水庫(kù)建立后對(duì)供水水質(zhì)的影響；馮慧春[9]對(duì)汾河水庫(kù)及其河段內(nèi)水源地的水環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)并提出了針對(duì)性的保護(hù)對(duì)策和修復(fù)方案，為保護(hù)該河段水源地的水環(huán)境奠定了基礎(chǔ)；Jeznach等[10]使用數(shù)學(xué)模型對(duì)Wachusett水庫(kù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)水源地的水質(zhì)進(jìn)行了模擬計(jì)算得到了各種工況下的水源地水質(zhì)情況；田志靜等[11]研究了坪上水庫(kù)蓄水后對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)水質(zhì)的影響，采用現(xiàn)狀的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有污染源預(yù)測(cè)水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)內(nèi)水流水質(zhì)的變化情況，為保護(hù)庫(kù)區(qū)內(nèi)水環(huán)境提供了保障；卓海華等[12]采用多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了三峽水庫(kù)蓄水前至蓄水175m間的水質(zhì)變化過(guò)程，討論三峽水庫(kù)建成前后對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)水質(zhì)的影響變化，得到了水庫(kù)蓄水后水質(zhì)指標(biāo)之間的相互變化關(guān)系；Woldeab等[13]使用理化水質(zhì)參數(shù)研究了埃塞俄比亞吉爾吉·吉貝水庫(kù)內(nèi)水流水質(zhì)隨時(shí)間和空間的變化；王兆波[14]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新立城水庫(kù)、石頭門水庫(kù)、星星哨水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析了不同水庫(kù)的水污染情況，并對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行不同工況下的預(yù)測(cè)。雖然前人在針對(duì)水安全方面做了大量的研究，但都是基于現(xiàn)狀的水環(huán)境進(jìn)行分析，對(duì)即將修建或正在修建的水利工程對(duì)水環(huán)境的影響研究較少，無(wú)法為待建或在建的水利工程提供更為充分的理論依據(jù)。

為解決上述問(wèn)題，本文以擬建的旬陽(yáng)水電站工程為例，采用MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型耦合ECOLab水質(zhì)模型的方式，對(duì)建庫(kù)前后6種不同水力條件下的水動(dòng)力及水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比建庫(kù)前后取水口流場(chǎng)分布以及化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3—N)等水質(zhì)指標(biāo)濃度分布，并找出最不利風(fēng)險(xiǎn)工況且對(duì)該工況進(jìn)行水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為水電站修建后庫(kù)區(qū)內(nèi)水源地水環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的研究提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

旬陽(yáng)水電站位于安康市旬陽(yáng)縣，距上游安康水庫(kù)壩址約63.4 km。旬陽(yáng)水庫(kù)屬日調(diào)節(jié)水庫(kù)，相應(yīng)庫(kù)容為2.6×108m3。旬陽(yáng)水庫(kù)壩址上游約48 km處的漢江南岸為安康市主城區(qū)，安康城區(qū)馬坡嶺水源地位于旬陽(yáng)水庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)，距安康城區(qū)以西3 km處，取水口位置在漢江南岸邊，取水口高程為233.7 m，取水量0.3472 m3/s。取水口的對(duì)岸上游有月河匯入，其匯入口位于安康水電站壩址下游約14.2 km處，河口處多年平均流量為26.2 m3/s。研究區(qū)域示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域示意圖

據(jù)馬坡嶺2007-2017年取水口水質(zhì)監(jiān)測(cè)顯示，其現(xiàn)狀水質(zhì)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[15]Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。漢江干流為水源地保護(hù)區(qū)，其來(lái)水水質(zhì)滿足要求，但位于馬坡嶺取水口對(duì)岸的月河支流，由于其沿岸生活污水及工業(yè)廢水的排放，以及旬陽(yáng)水庫(kù)修建后水流流速減緩、水體自凈能力降低，使得馬坡嶺取水口處的水質(zhì)無(wú)法達(dá)到Ⅱ類取水標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)威脅到居民的飲用水安全。因此探討旬陽(yáng)水庫(kù)建成后對(duì)馬坡嶺水源地水質(zhì)的影響以及月河突發(fā)污染后馬坡嶺水源地的水質(zhì)情況極為必要。

3 模型的建立

現(xiàn)行采用的水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型可以用于簡(jiǎn)單的河流流域研究，模擬后分別得出河流的水力要素及水質(zhì)狀況，水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型可實(shí)現(xiàn)模擬復(fù)雜河流的水文變化過(guò)程及水環(huán)境的解析與模擬。多模型耦合的優(yōu)勢(shì)在于可以充分發(fā)揮各個(gè)模型的優(yōu)勢(shì)，模擬得出完整且較為精確的模擬結(jié)果。耦合的關(guān)鍵在于各個(gè)模型計(jì)算結(jié)果間的信息傳遞與交互，以下具體介紹二維水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型。

3.1 二維水動(dòng)力模型

二維水動(dòng)力模型采用有限體積法將計(jì)算區(qū)域劃分成三角形網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)三角形網(wǎng)格分別進(jìn)行水量和動(dòng)量平衡計(jì)算，得出每個(gè)三角形網(wǎng)格邊界沿法向輸入或輸出的流量和動(dòng)量通量，然后計(jì)算出時(shí)段末各三角形網(wǎng)格的平均水深和流速。該模型的控制方程由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，即：

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向動(dòng)量方程：

(2)

y方向動(dòng)量方程：

(3)

式中：h為水深，m；ζ為水位，m；p、q分別為x、y方向上的流通通量，mol/(m2·s)；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Ω為科氏力系數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)，Pa；ρ為水的密度，kg/m3；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；f為風(fēng)阻力系數(shù)；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量，N/m2；S、Six、Siy為源匯項(xiàng)。

3.2 水質(zhì)模型

ECOLab模型可以用來(lái)進(jìn)行水質(zhì)模擬、水質(zhì)預(yù)測(cè)、水環(huán)境影響評(píng)價(jià)、水環(huán)境修復(fù)與水環(huán)境規(guī)劃等工作[16]，可以用于描述水生態(tài)系統(tǒng)中多種物質(zhì)的相互作用和形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程[17]。該水質(zhì)模型考慮了污染物在水體中的降解、擴(kuò)散、遷移等過(guò)程，模型包含了水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的基本方程和吸附過(guò)程的描述方程[18]。本文的水質(zhì)指標(biāo)有化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3—N)、葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總氮(TN)。在計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)的流域中主要考慮生活污水及工業(yè)廢水的排放，COD、DO、NH3—N、TP、TN作為溶解相，碳、氮、磷的沉積物作為底泥相，Chla作為生物相。模型內(nèi)各水質(zhì)指標(biāo)的基本方程如下所示：

溶解相水質(zhì)指標(biāo)基本方程：

(4)

底泥相水質(zhì)指標(biāo)基本方程：

(5)

生物相水質(zhì)指標(biāo)基本方程：

(6)

式中：Cd為溶解相水質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；Cb為換算后底泥相水質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；Ce為生物相水質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；Nbd為解吸作用下底泥相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg；Ndb為溶解相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg；Nde為生物攝入作用下溶解相向生物相的轉(zhuǎn)化量，mg；Ned為生物死亡作用下生物相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg；Neb為生物死亡與沉降作用下生物相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg；N1、N2為由于各種化學(xué)反應(yīng)引起的物質(zhì)損失量，mg。

3.3 模型初始及邊界條件

數(shù)學(xué)模型依據(jù)實(shí)測(cè)的地形圖建立，模型采用月河上游2 km與匯入口漢江上游1 km至下游2.2 km為計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其最大網(wǎng)格面積為100 m2，網(wǎng)格單元數(shù)為28 666個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 849個(gè)。

初始流場(chǎng)為靜止?fàn)顟B(tài)，初始水質(zhì)濃度為現(xiàn)狀水質(zhì)，其COD、DO、Chla、NH3—N、TN、TP濃度分別為3.79 mg/L、9.2 mg/L、0.15 μg/L、0.27 mg/L、7.81 mg/L、未檢出。將水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在漢江上游1 km處、月河2 km處、馬坡嶺取水口處以及取水口下游2 km處，對(duì)該4個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集了多組水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)作為實(shí)測(cè)資料。計(jì)算區(qū)域河道兩岸邊為固邊界，上下游進(jìn)出口為開邊界。上游開邊界包含兩個(gè)，分別是月河匯入口上游2 km處和漢江上游1 km處；下游開邊界設(shè)置在月河匯入口下游2.2 km處。兩個(gè)上游開邊界均采用流量邊界，下游邊界則采用水位邊界。天然河道情況下，下游開邊界的水位由安康市水文站提供的水文資料推算得出；建庫(kù)后下游開邊界則采用典型的水庫(kù)運(yùn)行水位，即水庫(kù)正常運(yùn)行水位241 m以及水庫(kù)死水位239 m。月河上游2 km處的開邊界采用流量邊界，整理月河長(zhǎng)槍鋪水文站1959-2017年共58 a的水文資料，可得月河多年逐月平均流量,如表1所示。汛期采用多年9月份平均流量69 m3/s，非汛期采用多年1月份平均流量5.8 m3/s，除此之外計(jì)算域內(nèi)包含區(qū)間產(chǎn)流。由于月河流域面積為2 830 km2，漢江干流安康大壩至月河河口段的流域面積約為291 km2，采用水文比擬法可得漢江干流安康大壩至月河河口段區(qū)間的逐月產(chǎn)流量，其結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算河段多年逐月平均匯流量 m3/s

3.4 模型參數(shù)率定及設(shè)置

結(jié)合計(jì)算水域已有的水文和水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，選取安康水庫(kù)壩址斷面至安康水文站斷面作為參數(shù)率定河段，該河段包括取水口在內(nèi)。采用手動(dòng)調(diào)參的方式對(duì)水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定。按照兩個(gè)斷面的水位流量關(guān)系進(jìn)行參數(shù)率定，以安康水文站給出的流量所對(duì)應(yīng)的水位作為下游邊界條件，通過(guò)調(diào)整使得計(jì)算的水位與實(shí)測(cè)水位相近，率定后的河道糙率為0.03，運(yùn)動(dòng)方程的渦黏系數(shù)CS是由湍流運(yùn)動(dòng)自身確定的[19]，模型的水平渦黏系數(shù)采用Samgorinsky公式計(jì)算，其中系數(shù)CS取0.28。

河道水質(zhì)模型的建立及驗(yàn)證：經(jīng)過(guò)參數(shù)敏感性分析后可知COD的降解速率系數(shù)對(duì)于狀態(tài)變量COD、DO和NH3—N來(lái)說(shuō)是敏感參數(shù)；總氮的一階線性降解系數(shù)對(duì)于TN來(lái)說(shuō)是敏感參數(shù)；總磷的一階線性降解系數(shù)對(duì)于TP來(lái)說(shuō)是敏感參數(shù)，所以率定的參數(shù)主要為COD、TN、TP的降解系數(shù)。天然河道的水質(zhì)降解系數(shù)采用2018年10月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的各水質(zhì)濃度為率定資料進(jìn)行率定，率定后的水質(zhì)降解系數(shù)取值如表2所示；由于前人在漢江做過(guò)相應(yīng)的研究，所以成庫(kù)河段的水質(zhì)降解系數(shù)根據(jù)已有的研究成果[20-21]取值，如表2所示。

表2 天然河道和成庫(kù)河段的水質(zhì)降解系數(shù)取值

4 模型計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 計(jì)算工況

為研究旬陽(yáng)水電站建成前后馬坡嶺取水口水文情勢(shì)及水質(zhì)的變化規(guī)律，依據(jù)漢江來(lái)水、區(qū)間產(chǎn)流及月河來(lái)水和水庫(kù)運(yùn)行水位在非汛期和汛期兩種條件下，設(shè)定6種計(jì)算工況，見表3。

表3 模型計(jì)算工況

4.2 結(jié)果與分析

采用水動(dòng)力學(xué)模型耦合水質(zhì)模型的方法對(duì)以上6種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果分述如下。

4.2.1 水流模擬結(jié)果與分析 水源地取水口處各工況下流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，模擬的水域流場(chǎng)平順，干、支流水流區(qū)分明顯，月河匯入漢江的江心島兩側(cè)水域流場(chǎng)穩(wěn)定，河叉分匯流銜接良好，能較好地反映本河段的水流運(yùn)動(dòng)特性。

由圖2(a)、2(b)可知，水庫(kù)建成前的工況1、2，江心島未被淹沒(méi)。月河在非汛期時(shí)，其流量相比于漢江較小，馬坡嶺取水口處的流場(chǎng)主要受漢江來(lái)流影響。在汛期時(shí)，月河來(lái)流量增大，對(duì)取水口處流場(chǎng)的影響逐漸增大。月河在汛期與非汛期對(duì)取水口處的流速影響均較小，說(shuō)明取水口處的流速大小主要受漢江來(lái)流影響。

水庫(kù)建成后的工況3～6均為上游安康水庫(kù)不泄水的情況。圖2(c)、2(d)顯示，工況3～4江心島被淹沒(méi)，由于下游水位抬高、水面上漲，使得取水口處的流速減小，取水口已經(jīng)受到月河來(lái)流的影響。月河在非汛期時(shí)，其流量與漢江來(lái)流量較為接近，使得整個(gè)流場(chǎng)流速均勻；汛期月河流量的增大使得取水口處的流速大于非汛期，說(shuō)明馬坡嶺取水口處的流速已經(jīng)受到月河來(lái)流的影響。

圖2(e)、2(f)顯示，工況5～6相對(duì)于天然河道工況1～2，水庫(kù)壅水致使取水口處的流速減小，取水口已經(jīng)受到月河來(lái)流的影響。月河非汛期時(shí)取水口處的流速較小，汛期月河流量增大，取水口處的流速隨之增大。

4.2.2 水質(zhì)模擬結(jié)果與分析 各工況下水源地取水口處以COD濃度為例的水質(zhì)模擬云圖見圖3。

圖2 各計(jì)算工況水源地取水口處流場(chǎng)分布

圖3 各計(jì)算工況水源地取水口處COD濃度分布

由圖3可知，所有工況中馬坡嶺取水口處的COD濃度均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明現(xiàn)狀水域邊界入流水質(zhì)均滿足要求，取水口處的水質(zhì)未受到污染。對(duì)于天然河道工況1、2，由圖3(a)、3(b)可知，馬坡嶺取水口處的水質(zhì)主要受漢江來(lái)流水質(zhì)的影響，而月河來(lái)流的COD濃度擴(kuò)散帶未擴(kuò)散到取水口處，所以建庫(kù)前月河來(lái)流的水質(zhì)不會(huì)對(duì)取水口水質(zhì)造成影響。對(duì)于成庫(kù)后的工況3～4，由于安康水庫(kù)未泄水，漢江來(lái)流只有區(qū)間產(chǎn)流，江心島被淹沒(méi)。由圖3(c)～3(d)可知，月河來(lái)流的COD濃度擴(kuò)散帶已經(jīng)對(duì)馬坡嶺取水口處的水質(zhì)造成了影響，且月河汛期時(shí)取水口的水質(zhì)主要受月河來(lái)流水質(zhì)的影響。對(duì)于工況5～6，圖3(e)～3(f)中江心島未被淹沒(méi)，月河非汛期擴(kuò)散帶部分已經(jīng)隨水流到達(dá)了取水口，相比之下，月河汛期時(shí)COD濃度擴(kuò)散帶更為靠近取水口。

各工況下水源地取水口處的各水質(zhì)指標(biāo)見表4。由表4可看出，由于現(xiàn)狀水質(zhì)條件下月河及漢江來(lái)水的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，現(xiàn)狀取水口處的各類水質(zhì)指標(biāo)均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，取水口可供居民安全取水。建庫(kù)前，月河非汛期與汛期的水質(zhì)指標(biāo)均相差很小，說(shuō)明馬坡嶺取水口的水質(zhì)主要受漢江來(lái)流水質(zhì)的影響。建庫(kù)后的工況3～6中，綜合比較所有水質(zhì)指標(biāo)可知，工況6的水質(zhì)相比其他工況更為良好。

表4 各計(jì)算工況水源地取水口處水質(zhì)指標(biāo) mg/L

綜合以上分析，因漢江屬于水源地保護(hù)區(qū)，其水質(zhì)必然是在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?，F(xiàn)狀水質(zhì)條件下，取水口處的各水質(zhì)指標(biāo)均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，但是建庫(kù)后若月河沿岸發(fā)生污染極易對(duì)取水口處的水源造成威脅，嚴(yán)重影響居民的正常用水，給居民的生活帶來(lái)不便，所以進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是極為必要的。

4.2.3 風(fēng)險(xiǎn)工況 依據(jù)以上馬坡嶺水源地取水口處流場(chǎng)及水質(zhì)分析結(jié)果可知，建庫(kù)后馬坡嶺取水口處水質(zhì)主要受月河來(lái)水水質(zhì)的影響。若是月河突發(fā)污染將會(huì)對(duì)馬坡嶺取水口的取水安全造成威脅，所以對(duì)建庫(kù)后的工況進(jìn)行以下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

假定突發(fā)污染源為月河沿岸的生活污水及工業(yè)廢水的混合污水排放，依此給定4種風(fēng)險(xiǎn)工況的模擬計(jì)算條件如表5。

表5 各風(fēng)險(xiǎn)工況模擬計(jì)算條件

結(jié)果分析以COD為例，圖4為各風(fēng)險(xiǎn)工況下馬坡嶺取水口處COD濃度隨時(shí)間的變化圖。從圖4中可以看出，在風(fēng)險(xiǎn)工況1、2和4下，取水口處COD濃度隨時(shí)間的增加而增大，一段時(shí)間后濃度超過(guò)了飲用水水源地限值。風(fēng)險(xiǎn)工況3取水口處COD濃度隨時(shí)間的變化先增大后減小，其COD濃度維持在限值內(nèi)。

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)工況1，0.5 d時(shí)取水口處COD濃度為3.79 mg/L，此時(shí)水質(zhì)滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，1 d擴(kuò)散帶邊緣已經(jīng)到達(dá)取水口，COD濃度為9.15 mg/L，2 d升至96.50 mg/L，此時(shí)取水口受到污染，取水安全已經(jīng)無(wú)法得到保障，所以其響應(yīng)時(shí)間在1 ～2 d之間，從圖4中可看出具體響應(yīng)時(shí)間為1.09 d；對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)工況2，1 d時(shí)取水口處濃度為3.6 mg/L，水質(zhì)滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；2 d取水口處COD濃度升至25.32 mg/L，這時(shí)取水口處水質(zhì)已不滿足取水標(biāo)準(zhǔn)，其響應(yīng)時(shí)間仍在1～2 d，具體時(shí)間為1.78 d；對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)工況3，0.5 d時(shí)取水口處COD濃度為5.70 mg/L，由于汛期月河流量為69 m3/s且下游水位較前兩個(gè)工況低2 m，1 d后取水口處COD濃度降為3.74 mg/L，隨時(shí)間的推移濃度均滿足地表環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)工況4，0.5 d取水口處COD濃度為138.67 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地表環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，所以其響應(yīng)時(shí)間在0 ～0.5 d之間，具體為0.04 d。

圖4 各風(fēng)險(xiǎn)工況下馬坡嶺取水口處COD濃度隨時(shí)間變化

表6給出在各風(fēng)險(xiǎn)工況下4 d馬坡嶺取水口處各水質(zhì)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果。由表6可知，風(fēng)險(xiǎn)工況1、2和4的各水質(zhì)指標(biāo)均不符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，取水口的取水安全均已無(wú)法得到保障。風(fēng)險(xiǎn)工況3的各水質(zhì)指標(biāo)均符合地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，即水力條件為安康大壩不泄水、月河為汛期、下游水位為239 m時(shí)，水質(zhì)滿足要求。從各指標(biāo)來(lái)看，風(fēng)險(xiǎn)工況2中月河為非汛期且下游水位抬高，水流流速減緩，污染物濃度擴(kuò)散較慢且水體自凈能力變差，其水質(zhì)條件最差，其次是風(fēng)險(xiǎn)工況1和4。

表6 各風(fēng)險(xiǎn)工況下4 d取水口水質(zhì)指標(biāo)濃度及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) mg/L

綜合以上風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果來(lái)看，在風(fēng)險(xiǎn)工況1、2和4下，水源地水域均受到了不同程度的污染，這3種工況下若不進(jìn)行相應(yīng)的處置，其取水口COD濃度將長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平，遠(yuǎn)超Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，將會(huì)危及居民飲水安全。針對(duì)以上3種情況給出以下對(duì)策：

風(fēng)險(xiǎn)工況1、風(fēng)險(xiǎn)工況2的風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)時(shí)間分別為1.09、1.78 d，風(fēng)險(xiǎn)工況4的響應(yīng)時(shí)間為0.04 d，應(yīng)當(dāng)在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)及時(shí)關(guān)停馬坡嶺取水口取水設(shè)施，啟用備用水源保障居民的正常用水。與此同時(shí)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門和電站應(yīng)當(dāng)相互協(xié)調(diào)合作，采取安康大壩和旬陽(yáng)大壩同時(shí)泄水的措施可及時(shí)緩解馬坡嶺取水口水質(zhì)突發(fā)污染的問(wèn)題。

對(duì)此針對(duì)該措施給出了相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)處置工況的模擬計(jì)算(風(fēng)險(xiǎn)處置工況1、2、3分別對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)工況1、2、4)。圖5為當(dāng)安康水電站泄流量為82 m3/s時(shí)各風(fēng)險(xiǎn)處置工況下取水口處的COD濃度隨時(shí)間變化圖，由圖5可知，3種風(fēng)險(xiǎn)處置工況基本穩(wěn)定后的COD濃度分別為3.67、3.59和3.62 mg/L，均可滿足Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)工況其水質(zhì)得到了改善，取水安全不受威脅。

圖5 各風(fēng)險(xiǎn)處置工況下取水口處COD濃度隨時(shí)間變化

表7為各風(fēng)險(xiǎn)處置工況下4 d馬坡嶺取水口各水質(zhì)指標(biāo)的模擬結(jié)果?？梢钥闯觯?種處置工況下各水質(zhì)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，滿足Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以作為安全取水口供居民取水使用，及時(shí)解決了月河受污染危及取水口水環(huán)境安全的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)建立馬坡嶺取水口水域的水動(dòng)力及水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了旬陽(yáng)水電站不同運(yùn)行工況下馬坡嶺取水口水域的水文及水質(zhì)變化趨勢(shì)。對(duì)比了建庫(kù)前后馬坡嶺水源地取水口的水質(zhì)變化情況，模擬了最不利的風(fēng)險(xiǎn)工況并對(duì)以上預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。取得了以下主要成果：

(1)從水流模擬的流場(chǎng)來(lái)看，水庫(kù)建成前，馬坡嶺取水口處的流場(chǎng)主要受漢江來(lái)流的影響。相比天然河道，建庫(kù)后馬坡嶺取水口處流速均有不同程度的下降且取水口處水流主要受月河來(lái)流的影響。

(2)現(xiàn)狀水質(zhì)條件下，所有計(jì)算工況下整個(gè)水源地河段水質(zhì)指標(biāo)均在Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，說(shuō)明在目前上游來(lái)水水質(zhì)條件下，取水口水域河段水質(zhì)良好。與天然河道相比，建庫(kù)后水源地取水口處的水質(zhì)主要受月河來(lái)水水質(zhì)的影響，但是水質(zhì)指標(biāo)未出現(xiàn)大的波動(dòng)且均在Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，也滿足取水要求。

(3)風(fēng)險(xiǎn)工況下，月河污染擴(kuò)散帶0.04～1.78 d內(nèi)即可影響到馬坡嶺取水口的水質(zhì)，4 d后取水口水質(zhì)基本達(dá)到穩(wěn)定值，整個(gè)水源地河段各類水質(zhì)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值，取水安全已無(wú)法得到保障。針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)工況的響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)當(dāng)在響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)關(guān)停取水口，啟用備用水源。除此之外，風(fēng)險(xiǎn)工況下若安康水庫(kù)及時(shí)泄水82 m3/s，可使取水口的水質(zhì)得到改善，能夠及時(shí)解決月河水突發(fā)污染危及馬坡嶺取水口水質(zhì)安全的問(wèn)題。