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user: 3. 调弦口引水对水质的模拟分析 3.1. 模型原理 水质模拟以水流为基础上进行水质输移扩散模拟。水流运动以圣维南方程建立河道一维非恒定流数学模型： { ∂ Q ∂ x + ∂ A ∂ t = q ∂ Q ∂ t + ∂ ( α Q 2 A ) ∂ x + g A ∂ h ∂ x + g Q | Q | C 2 A R = 0 h ( x ) | ζ = h 1 Q ( x ) | ζ = q 1 h ( t ) ，   Q ( t ) | t = 0 = h 0 ， Q 0         (1) 式中：Q为流量(m 3 /s)；A为断面面积(m 2 )；q为源汇项(m 2 /s)；α为流速垂向分布修正系数；h为水位(m)；C为谢才系数；R为水力半径(m)；g为重力加速度(m/s 2 )；h 1 、q 1 分别为边界水位(m)和流量(m 3 /s)；h 0 、q 0 分别为初始水位(m)和流量(m 3 /s)；ζ为边界。 谢才系数C与过水断面形状、壁面粗糙度以及雷诺数等因素有关，常用曼宁公式来表示： C = 1 n R 1 6 (2) 式中：n为糙率，是度量壁面粗糙对水流影响的无量纲系数。一般来说，糙率n是需要率定的模型参数，华容河缺少实测资料，经验采用0.033。 Table 2 Water quality of the Huarong Rive 站名 分类 丁家潭 华容河口 君山农业 湘沟 南堤拐 麻里泗 学惠 轭头湾 氨氮 实测 1.464 1.437 1.207 0.363 1.553 1.642 2.782 1.235 实达类别 IV IV IV II V V 劣V IV 砷 实测 0.0026 0.0016 0.0015 0.0004 0.0023 0.0019 0.0022 0.0011 实达类别 I I I I I I I I 汞 实测 0.00002 0.00001 <0.00001 0.00001 0.00002 0.00003 0.00001 0.00004 实达类别 I I I I I I I I 六价铬 实测 0.004 <0.004 0.006 0.011 0.017 0.009 0.006 0.007 实达类别 I I I II II I I I 铜 实测 0.009 0.013 0.005 0.004 0.004 0.009 0.009 0.008 实达类别 I II I I I I I I 锌 实测 0.1331 0.2624 0.1454 0.2909 0.2228 0.1826 0.2120 0.2259 实达类别 II II II II II II II II 铅 实测 0.010 0.010 <0.01 0.010 <0.01 0.010 0.010 0.010 实达类别 I I I I I I I I 镉 实测 <0.0005 0.0007 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0.0005 实达类别 I I I I I I I I 氟化物 实测 0.42 0.40 0.31 0.36 0.33 0.39 0.31 0.31 实达类别 I I I I I I I I 高锰酸盐指数 实测 4.2 4.4 3.8 5.2 4.4 5.6 4.9 4.3 实达类别 III III II III III III III III 总磷 实测 0.10 0.12 0.21 0.23 0.24 0.17 0.38 0.25 实达类别 II III IV IV IV III V IV 石油类 实测 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 实达类别 I I I I I I I I 五日生化需氧量 实测 1.0 2.3 0.4 0.8 0.2 1.0 1.3 1.2 实达类别 I I I I I I I I 表2. 华容河水质情况表 描述水质输移扩散的一维非恒定模型为： { ∂ C ∂ t = D ∂ 2 C ∂ x 2 − v ∂ C ∂ x − K C + S C ( x ) | ζ = c 1 C ( t ) | t = 0 = c 0 (3) 式中：C为污染物浓度；D为扩散系数；ν为断面平均流速；K为综合衰减系数；S为源汇项；C 1 、C 0 分别为边界和初始浓度。其中，本次预测的主要污染物指标为COD和氨氮，参考相关研究华容河预测污染物衰减系数COD为0.01 d −1 和氨氮0.08 d −1 。 3.2. 边界条件 3.2.1. 流量边界条件 考虑河道蓄水及六门闸排水条件，设定调弦口闸引水规模进行组合计算： ① 上游调弦口引水流量设计。拟定调弦口来流200、150、100、50、20、14.6、12.5和10 m 3 /s等8种上游引水来流工况。 ② 华容河初始水位设计。按华容河正常蓄水位28.06 m，以及27.06 m和26.06 m三种情景考虑。 ③ 下游六门闸抽排流量设计。六门闸按与调弦口来流同流量情景设计，出流条件与引水条件一一对应，共8种出流情景，即出流200、150、100、50、20、14.6、12.5和10 m 3 /s。 3.2.2. 水质边界条件 ① 调弦口引水水质浓度(长江干流水质浓度) 根据长江干流在调弦口附近有水质监测资料，长江段水质类别为III类。以宜昌南津关和岳阳城陵矶监测表明，长江COD Mn 和NH 3 -N的水质情况优良，水质类别为I~II类和II~III类。设定调弦口引水水质的情景II~III。本次研究拟以2016~2017年不同水期地表水自动监测结果平均作为调弦口引水水质。 ② 华容河水质浓度 在模型预测中，本次水质数值模拟和分析选择COD Mn 和NH 3 -N两个指标。根据华容河水环境质量监测结果，本次COD Mn 和NH 3 -N浓度分别设为4.6 mg/L和1.5 mg/L。 3.3. 模拟计算 3.3.1. 组合工况 在华容河水位上设计三种不同水位，即26.06 m、27.06 m和28.06 m。各种引水蓄水排水组合情况的计算工况如表3所示。 3.3.2. 结果分析 由于长江干流COD Mn 和NH 3 -N浓度值低于华容河，故从长江干流引水入华容河后，华容河的COD Mn 和 Table 3 Water quality simulation of the Huarong River with different diversion， storage and drainag 组合 引水流量 六门闸水位 六门闸排水 华容河本底浓度 引水浓度 COD Mn NH 3 -N COD Mn NH 3 -N 1 200 26.06 200 4.6 1.5 2.13 0.25 2 150 26.06 150 4.6 1.5 2.13 0.25 3 100 26.06 100 4.6 1.5 2.13 0.25 4 50 26.06 50 4.6 1.5 2.13 0.25 5 200 27.06 200 4.6 1.5 2.13 0.25 6 150 27.06 150 4.6 1.5 2.13 0.25 7 100 27.06 100 4.6 1.5 2.13 0.25 8 50 27.06 50 4.6 1.5 2.13 0.25 9 200 28.06 200 4.6 1.5 2.13 0.25 10 150 28.06 150 4.6 1.5 2.13 0.25 11 100 28.06 100 4.6 1.5 2.13 0.25 12 50 28.06 50 4.6 1.5 2.13 0.25 13 20 27.06 20 4.6 1.5 2.13 0.25 14 14.6 27.06 14.6 4.6 1.5 2.13 0.25 15 12.5 27.06 12.5 4.6 1.5 2.13 0.25 16 10 27.06 10 4.6 1.5 2.13 0.25 表3. 不同引水蓄水排水组合情况华容河水质模拟计算工况表 NH 3 -N的浓度值有较为明显的下降，水质有明显的改善。 在调弦口引调长江水后，华容河水质得到明显改善，水质逐渐达到长江水的水平。以华容县城为控制断面为例，当引水流量逐渐加大时，华容县城断面水质改善的效果更为明显：水质达到长江水质的时间更快。华容河不同水位下，在调弦口引水流量分别为200、150、100、50、20、14.6、12.5和10 m 3 /s时，华容县控制断面水质变化过程如图2~图9所示。 图2. 华容县城断面COD Mn 变化过程(Q = 200、150、100、50m 3 /s，水位Z = 26.06 m) 图3. 华容县城断面NH 3 -N变化过程(Q = 200、150、100、50 m 3 /s，水位Z = 26.06 m) 图4. 华容县城断面COD Mn 变化过程(Q = 200、150、100、50 m 3 /s，水位Z = 27.06 m) 图5. 华容县城断面NH 3 -N变化过程(Q = 200、150、100、50 m 3 /s，水位Z = 27.06 m) 图6. 华容县城断面COD Mn 变化过程(Q = 200、150、100、50 m 3 /s，水位Z = 28.06 m) 图7. 华容县城断面NH 3 -N变化过程(Q = 200、150、100、50 m 3 /s，水位Z = 28.06 m) 不同流量、不同水位下，华容县城达到长江水质的时间如图10所示。华容河水位越低、引水流量越大，华容县城断面水质改善时间越快，其中引水流量为200 m 3 /s、水位为26.06 m时，华容县城水质全断面达到长江水质时间为300 h；当华容河水位越高，河道内所存水量越大，在相同引调水水量下，流速越小、水体交换越慢，水质改善越慢；反之，当华容河水位越低，河道内所存水量越小，在相同引调水水量下，流速越大、水体交换 图8. 华容县城断面COD Mn 变化过程(Q = 20、14.6、12.50、10 m 3 /s， Z = 27.06 m) 图9. 华容县城断面NH 3 -N变化过程(Q = 20、14.6、12.50、10 m 3 /s， Z = 27.06 m) 图10. 不同水位及不同引水流量下华容县城水质达到长江水质所需时间 越快，水质改善越快。由不同水位下华容县城水质全断面达到长江水质所需时间随引水流量的变化趋势可知，水位越高，水质改善效果对于引水流量大小越敏感。因此，从改善华容河水质的角度考虑，宜在华容河较低水位下开展引调水，以最大程度改善华容河水环境质量。