一种改善水库滞温层溶解氧的优化方法

技术领域

本发明涉及水库溶解氧优化技术领域，具体涉及一种改善水库滞温层溶解氧的优化方法。

背景技术

水库滞温层溶解氧浓度控制着水库氮、磷等内源污染的释放量，对水库水质产生影响，改善滞温层缺氧是保障水库水质的关键。水库溶解氧的演化主要受水动力、热分层、生化过程的控制，在水库实际管理中水库水位、水库调度、硝酸盐浓度等变化是导致水库水动力、热分层、生化过程变化的主要因素。解决上述问题对改善热分层水库水质、保障供水安全方面具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种效果明显的水库滞温层溶解氧的优化方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种改善水库滞温层溶解氧的优化方法，其包括以下步骤：

S1：构建水库的水动力-水质模型，水动力-水质模型包括水动力基本控制方程、热量交换反应方程和水质反应方程，利用MIKE 3软件的水动力、水温和ECOlab模块对水动力-水质模型进行计算，进行下一步模拟溶解氧的变化特征；

S2：取水库设定年份段中的一年最大调度量和最小调度量作为变量，分别输入水库溶解氧模拟模型中，分别得到最大调度量和最小调度量条件下的溶解氧浓度垂向分布图；

S3：分别对比最大调度量和最小调度量条件下的滞温层溶解氧浓度；

S4：若最大调度量条件下的滞温层溶解氧浓度大于最小调度量条件下的滞温层溶解氧浓度，则证明调度水增加了水体的垂向扰动，抑制了滞温层缺氧，应通过增加水库水的调度量来优化水库滞温层的溶解氧；

S5：反之则应减少水库水的调度量；

S6：取水库在设定年份段中的低水位、高水位作为变量，分别将低水位、高水位分别输入水库溶解氧模拟模型中，得到两种水位条件下溶解氧浓度垂向分布图，其中，高水位和低水位分别为设定年份段中水库的最高水位和最低水位；

S7：对比两种水位条件下的溶解氧浓度，若高水位条件下滞温层溶解氧浓度最高，则水库应保持高水位来优化滞温层中的溶解氧；

S8：若低水位条件下的滞温层溶解氧浓度最高，则水库应常年保持低水位来优化滞温层中的溶解氧；

S9：取水库现阶段硝酸盐超标浓度和水质达标的硝酸盐浓度为变量，分别代入水库溶解氧模拟模型中，得到两种硝酸盐浓度条件下的溶解氧浓度垂向分布图，其中现阶段硝酸盐超标浓度为设定年份段实测硝酸盐浓度的平均值，水质达标硝酸盐浓度为水库TN达标为标准的硝酸盐浓度，现阶段硝酸盐超标浓度高于水质达标的硝酸盐浓度；

S10：对比两种硝酸盐浓度条件下的溶解氧浓度，若现阶段硝酸盐超标浓度条件下滞温层溶解氧浓度大于硝酸盐浓度条件下滞温层溶解氧浓度，则应增加上游硝酸盐的输入，来缓解水库滞温层底部缺氧，反之则应减少上游硝酸盐的输入。

本发明的有益效果为：本方案分别从水库水量调度、水库水位高度和水库水中硝酸盐浓度三个方向对水库滞温层中溶解氧浓度进行分析，提出水库改善滞温层溶解氧的对策建议。水库尽可能通过供水调度和抽水蓄能调度增大水体的垂向扰动、增加底部溶解氧的补给，水库保持水库高水位运行降低滞温层的耗氧率，水库应尽可能降低水库运行水位缩短热分层的持续时间。

本方案通过构水库的建水动力-水质模型，模拟了水库水动力、热分层及水质变化过程。充分考虑溶解的补给、消耗和缓冲等生化反应过程，来模拟水库溶解氧的演化过程，模拟精度较高，能够良好再现水库真实溶解氧的结构和变化过程。

综合考虑水库实际运行情况和供水安全保障，制定了优化常规水调度和控制入库硝酸盐浓度等改善水库滞温层溶解氧的对策，为水库滞温层缺氧有很好的防控作用。

附图说明

图1为改善水库滞温层溶解氧的优化方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本方案提供的改善水库滞温层溶解氧的优化方法包括以下步骤：

S1：构建水库的水动力-水质模型，水动力-水质模型包括水动力基本控制方程、热量交换反应方程和水质反应方程，利用MIKE 3软件的水动力、水温和ECOlab模块对水动力-水质模型进行计算，进行下一步模拟溶解氧的变化特征；

水动力基本控制方程为：

其中，t为时间，ρ为水的密度，u

热量交换反应方程为：

Δq＝q

其中，Δq为水面热交换总量，q

水质反应方程为：

其中，C为物质的浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速，D

S2：取水库设定年份段中的一年最大调度量和最小调度量作为变量，本实施例以潘家口水库为例，潘家口水库在2014～2018年之间，最大调度量为2018年抽泄水量11.27亿m

将最大调度量和最小调度量分别输入水库溶解氧模拟模型中，分别得到最大调度量和最小调度量条件下的溶解氧浓度垂向分布图，

S3：分别对比最大调度量和最小调度量条件下的滞温层溶解氧浓度；

S4：若最大调度量条件下的滞温层溶解氧浓度大于最小调度量条件下的滞温层溶解氧浓度，则证明调度水增加了水体的垂向扰动，抑制了滞温层缺氧，应通过增加水库水的调度量来优化水库滞温层的溶解氧；

S5：反之则应减少水库水的调度量；

根据溶解氧浓度垂向分布图列出不同调度量条件下溶解氧浓度特征表，如下表1所示，最大调度量对应工况1，最小调度量对应工况2，不同工况对应滞温层底部溶解氧特征指标。

表1

根据上表1分析，无抽水蓄对滞温层溶解氧浓度影响随着时间的推移显著增加。无抽水蓄能调度条件下，各条件下均存在严重缺氧，其中小水量、无抽水蓄能调度条件对应工况的缺氧时间最长。

所以通过大水量抽泄作用，增加了水体的垂向扰动，使得水库翻库时间提前，能较大程度抑制滞温层缺氧。若无抽水蓄能的作用，水库滞温层底部缺氧持续时间将成倍增加，缺氧严重程度加剧。

S6：取水库在设定年份段中的低水位和高水位作为变量，分别将低水位和高水位分别输入水库溶解氧模拟模型中，得到两种水位条件下溶解氧浓度垂向分布图，如表1所示，工况3对应高水位，工况4对应低水位。

S7：对比两种水位条件下的溶解氧浓度，若高水位条件下滞温层溶解氧浓度最高，则水库应保持高水位来优化滞温层中的溶解氧；

S8：若低水位条件下的滞温层溶解氧浓度最高，则水库应常年保持低水位来优化滞温层中的溶解氧。

本文以2017年为基准，2017年水库高水位运行，年均水位216m，且全年下泄水量小，仅为3.2亿m

根据两种水位条件下溶解氧浓度垂向分布图得到溶解氧特征表，如上表1所示。

对不同水位滞温层严重缺氧持续时间的分析发现，水库的低水位运行严重缺氧持续时间更长、缺氧更严重。潘家口水库水位越低，滞温层溶解氧浓度越低，但低水位运行将使得滞温层底部缺氧程度加剧。

S9：取水库现阶段硝酸盐超标浓度和水质达标的硝酸盐浓度为变量，分别代入水库溶解氧模拟模型中，得到两种硝酸盐浓度条件下的溶解氧浓度垂向分布图，其中现阶段硝酸盐超标浓度为设定年份段实测硝酸盐浓度的平均值，水质达标硝酸盐浓度为水库TN达标为标准的硝酸盐浓度，现阶段硝酸盐超标浓度高于水质达标的硝酸盐浓度。现状参考潘家口水库实测来水和库区硝酸盐浓度，设定来水和库区初始硝酸盐浓度为4mg/L；达标情景考虑水库TN达标的要求，将来水和库区初始硝酸盐浓度均设定为0.6mg/L。

S10：对比两种硝酸盐浓度条件下的溶解氧浓度，若现阶段硝酸盐浓度条件下的滞温层溶解氧浓度大于达标硝酸盐浓度条件下的滞温层溶解氧浓度，则应增加上游硝酸盐的输入，来缓解水库滞温层底部缺氧，反之则应减少上游硝酸盐的输入。

根据两种硝酸盐浓度条件下溶解氧浓度垂向分布图，列出标准硝酸盐浓度条件下的溶解氧浓度上表1所示，工况5对应现阶段硝酸盐高浓度，工况6对应水质达标硝酸盐低浓度。对比分析表1，现状沉积物耗氧的作用下，水库硝酸盐浓度降低至达标水平，滞温层底部缺氧和严重缺氧持续时间将大幅度增加，各工况严重缺氧时间平均增加。

潘家口水库现状沉积物有机污染严重，沉积物耗氧量大，滞温层底部硝酸盐反硝化反应对溶解氧的缓冲作用对滞温层底部保持有氧状态至关重要。当前沉积物污染状态下，水库硝酸盐的大幅度降低将导致热分层期间滞温层缺氧持续时间成倍增加，缺氧严重程度显著加剧。

本方案分别从水库水量调度、水库水位高度和水库水中硝酸盐浓度三个方向对水库滞温层中氧浓度进行分析，提出水库改善滞温层溶解氧的对策建议。

水库应尽可能通过供水调度和抽水蓄能调度增大水体的垂向扰动、增加底部溶解氧的补给；热分层初期和中期水库保持水库高水位运行降低滞温层的耗氧率，在热分层末期水库应尽可能降低水库运行水位缩短热分层的持续时间；在沉积物污染较严重的水库应保持一定的硝酸盐浓度提高水体有效缓解滞温层溶解氧的消耗。

本方案通过构水库的建水动力-水质模型，模拟了水库水动力、热分层及水质变化过程。充分考虑溶解的补给、消耗和缓冲等生化反应过程，来模拟水库溶解氧的演化过程，模拟精度较高，能够良好再现水库真实溶解氧的结构和变化过程。

综合考虑水库实际运行情况和供水安全保障，制定了优化常规水调度和控制入库硝酸盐浓度等改善水库滞温层溶解氧的对策，为水库滞温层缺氧有很好的防控作用。