伍中航，孙海龙，冯镜洁，李 然，任 爽，袁雨亮
(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)
随着河流上水工建筑物的兴建，库、闸等改变了河流的天然水文过程，河流内水质及分布也随之发生改变。在水工建筑物中，水闸应用十分广泛，常用于挡水或泄水，河流上闸坝工程的修建改变了水流的连通性，使河流水动力条件发生变化，进而影响了水体中污染物的降解、沉降和输运过程，导致河流水质发生改变。
闸坝的调度运行对河流水环境容量存在有利与不利的影响。三峡工程蓄水后，小江流域CODCr、氨氮、总磷水环境容量均有所降低[1]。三峡工程的运行使洞庭湖CODMn水环境容量在枯水期增大、丰水期降低[2]。南水北调工程的实施使汉江中下游河段的水环境容量减少，降低了水体自净能力[3]。河流梯级开发势必会带动周边社会经济发展，可能会使污染负荷提高，入河污染物增多，降低河流的水环境容量[4]。
闸坝的建设和运行不可避免会对水体自净能力及河流水质产生了影响。土耳其Kilickaya大坝建成后，库区水质有一定程度的改善，除Na+和Cl-之外，其余大部分水质因子的年平均浓度有所下降，研究者认为可能是由于污染物在水库的滞留时间长，污染物得到了有效沉降[5]。土耳其Kurtun大坝的运行后，下游河段亚硝酸盐、磷酸盐年平均浓度降低，而硝酸盐、氨氮、总氮及COD年平均浓度有所增加[6]。韩国Geum河口大坝建造后，库区和下游河口水质均有一定程度恶化，在丰水期，水库的流量对河口水质有较大影响，而在枯水期，开闸次数少，流量小，对河口水质影响不大[7]。闸坝泄水时流速较大的水流易使底泥发生扰动，底泥污染物释放造成二次污染，使水质恶化[8]，闸坝蓄水时，库区蓄水量较大，水体纳污能力强，一定程度上稀释了污染物浓度[9]。
降解系数的大小对于污染物降解过程和水环境容量计算至关重要。有研究指出，与静止水体相比，增大流速能增强水体污染物的自净能力，提高污染物降解速率[10]。水闸蓄水后，河流水动力条件发生改变，对污染物降解系数的影响较大。Wright等[11]利用美国多处河流监测资料，提出了BOD降解系数和河流水动力条件的关系式。Luo等[12]研究发现河流流速对污染物降解系数的影响最为显著，流速越高，降解系数越高。华祖林等[13]考虑了流速对湖泊中CODMn降解系数的影响，通过动态实验和静态实验提出了K动、K静及增量Δk，并建立了Δk与流速水深之比的关系式。李锦秀等[14]通过收集三峡库区段河道的历年水文数据，分析了该河段天然河道水流运动特征，对三峡库区段河道进行多次数值模拟，结合三峡水库建设后的水流条件变化趋势，将BOD5的降解系数表示为流速、水深和温度的函数。Huang等[15]通过环境水槽试验，模拟了典型污染水体中不同流速条件下COD和NH3-N的降解过程，建立了降解系数和流速的定量关系式。雒文生等[16]总结了国内外学者针对水力特征影响降解系数的研究，建议采用Bosko的公式对降解系数进行修正，该公式被应用于日本隅田川、我国长江中下游和北运河水质[17]研究。还有许多学者针对我国淮河-海河水系[18]、三峡库区重庆段[19]、浏阳河长沙段[20]等地的河流污染物降解系数作了研究，拟合得到了降解系数与流速有关的经验关系。
综合分析表明，闸坝的修建对河流水环境容量有一定影响，目前的研究多集中于天然河道水环境容量研究和大型水利工程对河流水环境容量的影响研究。许多城市或农村河段常修建中小型水闸用于拦蓄、调洪，或为营造宽阔的滨水景观，以改善居民生活环境，这类水闸具有数量较多、分布密集、布置连续的特点，上下游两个水闸间距较短，连续的隔断作用对河流的连通性影响较大，因而需要重视其对水环境的影响。为此本文选择拉萨河城区段为典型河段，结合水闸的布置，采用数学模型方法研究水闸运行前后河流水质和水环境容量变化，探讨水闸运行对水环境容量的影响。
研究河段位于拉萨河城区段，全长约11.0 km，研究范围见图1。近年来该河段陆续修建了3个水闸，自上游至下游分别为4#闸、3#闸与2#闸，3个水闸分别于2016年5月、2014年10月、2016年年底完工。4#闸与3#闸之间距离为3.4 km，3#闸与2#闸之间的距离为2.9 km。3个水闸正常蓄水深度在2.2～2.5 m之间，回水长度为1.7～2.6 km。
图1 研究河段示意图Fig.1 Schematic diagram of the study river reach
研究河段上游约90 km处建有直孔水电站，直孔水电站于2007年9月完工。按照《拉萨河流域综合规划环境影响报告书》[21]要求，直孔电站需保证下游唐家水文站生态基流37 m3/s，拉萨水文站生态基流39.2 m3/s。4#、3#和2#闸均无调节性能，可以认为水闸建成前后基本未改变河道流量。根据拉萨水文站资料，研究河段多年平均径流量为288 m3/s，枯水期平均流量为74 m3/s，本文水环境容量研究中采用90%保证率下最枯月平均流量42 m3/s作为设计流量条件。
研究河段污染负荷整体较低，污染物入河量较少，污染负荷以生活污水为主。根据当地水质监测资料，建闸前(2012-2013年)研究河段COD浓度范围为5.3～9.5 mg/L，平均浓度为7.2 mg/L，建闸后(2017-2020年)研究河段COD浓度范围为5.0～13.0 mg/L，平均浓度为7.6 mg/L。建闸前后研究河段年均水质未发生显著变化(图2)。
图2 研究河段2012-2020年年均水质变化Fig.2 Annual average water quality change in the study reach from 2012 to 2020
计算河段长约11.0 km，按照水功能区划要求执行Ⅱ类水质标准。该段修建3个水闸，共有2个生活污水排污口，本文对水环境容量的研究可为现有排污口允许负荷量的核算提供参考依据。为了分析水闸建设对水环境容量的影响，计算工况分为无闸和有闸两种情况。由于枯期上游来水流量较小，按照3个水闸的调度运行要求，枯水期3个水闸同时下闸蓄水。水闸运行可能会对河流自净容量产生影响，故水环境容量计算时，上游入流以水质标准(C0=15.00 mg/L)输入。
2.1 计算模型
根据《水域纳污能力计算规程》[22]，Q≥150 m3/s的大型河段宜采用河流二维模型计算水域水环境容量，故本文水环境容量计算采用平面二维模型，模型包括水动力方程和污染物输运方程[23]，已有研究者针对该模型对天然河流平面二维水动力学条件的模拟开展了模型验证[24]。模型求解借助MIKE 21软件实现。
本研究中水环境容量按下式计算：
(1)
式中，Cs为水质目标浓度值，mg/L；
C(x，y)为代表点的污染物浓度，通过二维水质模型计算得到，mg/L；
Q为水环境容量计算控制单元末断面流量，m3/s；
B为河宽，m。
2.2 降解系数的确定
考虑到建闸后水动力学特性对降解系数的影响，本文分别对天然河道和闸前蓄水区确定降解系数。
2.2.1 天然河道降解系数 靳甜甜等[25]利用2017年5月1日-2017年5月30日实测水质率定得到该河段COD降解系数为0.12 d-1，本研究采用该成果。
2.2.2 闸前蓄水区降解系数 水闸建成后，闸前蓄水区水深增加，流速减小，降解系数随之减小。综合分析国内外研究成果，参考研究者Bosko建立的降解系数与水温、流速之间的定量关系[16]：
(2)
式中，K为降解系数，d-1；
K′为未考虑流速影响的降解系数，d-1；
U为河流平均流速，m/s；
H为平均水深，m；
α为系数，与河流平均水面坡J降有关，取值参考表1。
表1 α取值参考Tab.1 α value reference
式(2)是基于天然动水条件和静水条件下的水流动力复氧作用差异建立的关系式，公式建立中考虑了3条不同类型的河流，流速范围为0～1.6 m/s，水深范围为0.35～10 m[26]。
研究河段3个水闸蓄水深度在2.2 m以内，闸前水深较浅，流速范围为0.03～0.13 m/s，属于河道型蓄水区，因此可以采用式(2)考虑闸前流速、水深对降解系数的影响。
降解系数计算时通过天然河道下的降解系数、流速、水深等反算确定K′的值，再通过蓄水区的流速、水深计算出水闸蓄水后的降解系数。
天然河道河段的平均水面坡降约为0.66‰，平均流速为0.34 m/s，平均水深约为0.6 m；
水闸蓄水区的平均水面坡降约为0.33‰，平均流速为0.10 m/s，平均水深约为2.0 m。计算得到蓄水区降解系数为0.04 d-1。与天然河道降解系数相比，蓄水区COD降解系数下降约67%。研究河段降解系数计算结果见表2。
表2 研究河段降解系数结果Tab.2 Correction results of degradation coefficient in water storage area
3.1 平面二维水质分布特征分析
从研究河段平面水质分布(图3)可以看出，水闸修建后，对排污口处的污染带产生了影响，污染带长度、宽度增加，污染物平均浓度上升。3#闸的修建产生了回水区，回水长度约2.6 km，使得上游一定范围内的河段水深增加，水流流速减缓，降低了污染物的降解速率。4#闸的修建阻碍了上游来水向下游流动，上游来水涌入4#闸北侧岔道，造成该岔道水流流速上升，与无水闸相比，该岔道平均流速从0.27 m/s上升至0.42 m/s，污水入河后，随水流进入3#闸蓄水区，污染带扩散范围更广。对比分析可以发现，有水闸时，较高污染物浓度的污染带有一定程度的扩大，岔道出口平均浓度由14.87 mg/L增加至14.96 mg/L。
图3 COD平面分布对比：(a) 无闸；
(b) 有闸Fig.3 Comparison diagram of COD plane distribution: (a) without sluices; (b) with sluices
选取3#闸前断面为典型断面，绘制污染物浓度横向分布图(图4)。从图4可以看出，无闸时污染物浓度范围为14.77～14.82 mg/L，有闸时污染物浓度范围为14.80～14.93 mg/L。有闸时污染物浓度自河流右岸向左岸递减，分析认为，3#闸上游有北侧岔道，污染物从河流右岸汇入，因水闸蓄水影响，流速减缓，污染物向河道中央扩散受阻，主要聚集于河流右岸。
图4 典型断面(3#闸前)COD浓度横向分布Fig.4 Transverse distribution of COD concentration in typical section:3# sluice
3.2 水质纵向沿程变化分析
以研究河段各断面平均污染物浓度来表征整个断面的水质状况，针对蓄水影响区进行污染物浓度沿程变化分析。据图5可知，水闸修建后，污染物若在库区汇入，将在库区滞留，会引起库区污染物浓度迅速上升，在3个水闸的共同作用下，研究河段COD浓度在末断面有所上升。
图5 水质沿程变化对比示意图Fig.5 Comparison diagram of water quality along the river
3.3 水环境容量计算与结果分析
根据水质模拟结果，利用平面二维水环境容量计算公式(式1)对研究河段进行水环境容量计算，各断面水环境容量计算值见图6。无水闸时，整个研究河段COD容量为594 t/a，建闸后，COD容量为521 t/a。4#闸使研究河段COD容量减少13 t/a，下降约2.2%；
4#闸与3#闸共同作用使COD容量减少59 t/a，下降约9.9%；
4#闸、3#闸与2#闸共同作用使COD容量减少73 t/a，下降约12.3%。故水闸建设使研究河段水环境容量有所下降，且水闸数量越多，对水环境容量影响越大。
图6 各断面水环境容量计算值Fig.6 Calculation values of water environmental capacity of each section
根据水环境容量计算结果，开展水闸建设对水环境容量的影响分析。污染物降解随时间的变化符合一级动力学反应，即：
Cx=C0e-Kt
(3)
式中，Cx为最终污染物浓度，mg/L；
C0为污染物初始浓度，mg/L；
K为降解系数，d-1；
t为时间，d。如图7所示，无水闸时，污染物在河段滞留时间为t1，河段末断面浓度为C1；
水闸修建后，污染物在河段滞留时间增加至t2，河段末断面浓度为C2。
图7 一级动力学反应示意图Fig.7 Diagram of first order kinetic reaction
分析认为，水闸修建后，河流中污染物降解系数(K)和降解时间(t)产生了变化，进而影响了污染物的降解，在增加一定的降解时间后，降解系数的降低程度将影响污染物浓度变化。
根据模型模拟结果，无水闸时河段流速范围为0.08～0.78 m/s，河段平均流速为0.38 m/s。有水闸时，流速范围为0.03～0.78 m/s，河段平均流速为0.24 m/s；
水闸蓄水区流速在0.03～0.13 m/s之间，蓄水区平均流速为0.10 m/s。与天然河道相比，蓄水后流速明显降低，蓄水河段平均水深由0.6 m增加至2.0 m，导致污染物降解系数下降。根据模型软件的水流示踪功能，无水闸时水流自上游断面运动至下游断面需要约6 h，有水闸时水流自上游断面运动至下游断面需要约18 h，建闸后污染物在河段滞留时间增大为原来的3倍。
从图6可以看出，与无水闸相比，4#闸蓄水后COD容量略有下降；
根据水动力模拟结果，该段蓄水后库区平均流速一定程度上减小，污染物降解速率下降，滞留时间增加，降解系数的影响大于降解时间的影响，在二者综合作用下该段水环境容量下降。
与4#闸相比，3#闸蓄水区有污水汇入，水闸蓄水后对水质影响较为明显。3#闸蓄水后污染物滞留时间稍有减小，对于COD，滞留时间减小后，降解系数的影响大于降解时间的影响，表现为COD容量较无水闸时下降，与4#闸蓄水影响相比，降幅明显增大。
2#闸蓄水影响区无排污口，水环境容量大小受河流自净能力与上游来水污染物浓度影响。对于COD，降解系数的影响仍大于降解时间的影响，加上污染物在3#闸蓄水区并未得到有效降解，因而与无水闸时相比污染物在2#断面时浓度更高，COD容量下降。
计算了整个河段不同条件下的水环境容量，其对比示意见图8。水闸修建后，污染物滞留时间变为原来的3倍左右，从图8可以看出，不改变降解系数，只增加污染物滞留时间，COD容量增加约10.2%；
蓄水后，水深增加流速降低，COD降解系数下降约67%，在一定的蓄水时间内，研究河段COD容量降低约20.4%；
最终降解系数的影响大于降解时间的影响，使COD自净降解受阻，故相较于无水闸时末断面COD浓度会更高，体现为不利于COD的降解，使研究河段COD容量降低约12.3%。
图8 不同条件下水环境容量对比示意图Fig.8 Comparison diagram of water environmental capacity under different conditions
综上，水闸的调度运行影响了河道的水文情势，改变了天然河道的连通性，形成蓄水区，水体由流动转变为相对静止状态，表现为水流流速减缓，水深增加，进而使污染物降解系数减小，降低了污染物的降解效率，减小了河流的水环境容量；
但库区回水还会影响污染物的扩散，使污染物在库区滞留，会增加污染物在库区的降解时间，使污染物降解量增大，一定程度上会增加河流的水环境容量。降解系数和降解时间共同影响河流中污染物的降解，进而使河流水环境容量发生改变。
以拉萨河城区段为研究区域，采用平面二维模型对该河段进行了水动力水质模拟，研究了连续水闸修建对COD水环境容量的影响，研究表明：水闸修建后对污染物降解的影响主要有两个方面：一是水闸蓄水使蓄水区水流流速放缓，水深增加，降低污染物降解系数，进而影响污染物降解速率；
二是水闸蓄水会使污染物在蓄水区滞留，导致污染物降解时间增加，提升污染物的自净降解量。拉萨河水闸修建后，蓄水区河段平均流速由0.34 m/s下降至约0.10 m/s，COD降解系数下降67%，污染物滞留时间增加为原来的3倍左右。在两种影响的综合作用下，4#闸使研究河段COD容量减少13 t/a，下降约2.2%；
4#闸与3#闸共同作用使COD容量减少59 t/a，下降约9.9%；
4#闸、3#闸与2#闸共同作用使COD容量减少73 t/a，下降约12.3%。
连续水闸上下游之间间隔较短，对河流的隔断作用大，研究表明连续水闸建设使研究河段水环境容量有所下降，且水闸数量越多，对水环境容量的影响程度越大。此外，水闸蓄水后回水会对污染物扩散产生影响，使污染带呈不均匀分布，污染物易在排污侧聚集。因此，今后河道水闸布置需考虑连续的隔断作用对河流水环境容量的影响，科学设计上下游之间水闸的间距，适当预留一定的天然河段用于污染物的充分降解。本文研究成果可以为准确评估水闸建设对河流水环境容量的影响提供理论方法和定量依据，对于河流水闸建设和运行调度具有重要指导价值。
本文研究河段COD浓度天然背景值较低，降解系数的选取趋于保守，对于背景浓度较高的河流，建议开展针对性研究，进一步丰富本文研究成果。本文仅对COD展开了水环境容量计算，由于不同水质参数在河道的降解特性不同，建议丰富不同水质参数的水环境容量计算结果，综合评估水闸建设对河流水环境容量的影响。
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