青草沙水库生态动力学模型与富营养化趋势预测

2.5.2.1 青草沙水库富营养化预测模型

富营养化模型主要模拟污染物的输入、排出和转化动力学，溶解氧、营养物质和浮游植物、浮游生物动态变化，磷循环、氮循环和溶解氧平衡，水体流动特性等对富营养化的影响，微生物、浮游植物的生长、死亡动力学，浮游植物沉积以及浓度分布，根据风速、阳光、温度等环境因子对系统的影响等，预测及评价水库的富营养化趋势。生态动力学模型模拟以下变量：浮游植物、叶绿素a、浮游动物、碎屑碳、碎屑、碎屑磷、无机氮、无机磷、溶解氧、底栖植物。

1）富营养化模型率定

青草沙水库2009年2月龙口截流，至2009年9月与长江口无水量交换。2009年4—9月对青草沙库区进行水质实测（图2-26），利用该资料进行富营养化模型关键参数率定，主要站位模拟结果和实测值比较见图2-27。

图2-26 库区水质监测点位图

图2-27 主要水质指标模拟结果与实测结果比较图

2）模型关键参数取值

根据水质模型率定结果，并参考相关研究文献，主要参数取值见表2-17。

表2-17 模型关键参数取值

（续表）

3）施工期库区富营养化模拟分析

施工期（水库封闭期，4—9月）库区叶绿素a模拟结果见图2-28、图2-29。

图2-28 叶绿素最大值平面分布图

图2-29 库区叶绿素a模拟结果

由于库区完全封闭，在合适气象条件下，库区藻类生长旺盛，分别在5月和9月形成两个峰值，5月藻类以褐藻和绿藻为主，9月以蓝藻和绿藻为主。夏季盛行东南风，在风生流的作用下，库首段水域藻类密度高于库尾，南部水域藻类密度高于北部水域，尤其集中在库首段的南水道水域。

4）库区富营养化趋势预测分析

（1）非咸潮期富营养化预测结果。根据非咸潮期水库正常调度工况，库区非咸潮期营养化模拟结果见图2-30（主要给出叶绿素a模拟结果）。

图2-30 非咸潮期无风工况下库区各层叶绿素a最大值

无风条件下，库区水体垂向混合程度较低，在整个中央沙库区和青草沙库区的头部、尾部等局部小范围水域存在滞留区，富营养化程度明显高于其他水域，达到富营养化水平，如图2-30所示。以中央沙库区为例，库区表层水体叶绿素a浓度超过0.03mg／L，明显高于中层（最高值约0.025mg／L）和底层（最高值约0.02mg／L）。

在东南风情况下，在整个中央沙库区和青草沙库区的头部、尾部等局部小范围水域仍存在滞留区，富营养化程度明显高于其他水域，达到富营养化水平，见图2-31。在东南风作用下，库区水体垂向混合程度较高，以中央沙库区为例，库区表层、中层、底层水体富营养化指标浓度垂向分层不明显，叶绿素a平均浓度为0.015～0.021mg／L，TN平均浓度为2.20～2.30mg／L，TP平均浓度为0.15～0.16mg／L。

图2-31 非咸潮期东南风条件下库区各层叶绿素a最大值

青草沙水库在非咸潮期（5—9月）按正常调度方案进行调度，库区整体平均水力停留时间为15～20d。青草沙主库区整体上处于中营养水平，库区TN浓度范围为1.7～2.6mg／L，TP浓度为60～166ug／L，叶绿素a的浓度范围为6～50ug／L。

由于受到长江口季风和库区地形的综合影响，中央沙等局部库区仍存在水体滞流区，由于水域水流不畅，尤其是在无风条件下，该水域水体整体混合程度较小，仍不可避免地存在局部范围的滞流区，藻类易聚集生长，可能发生局部“水华”。受到夏季东南风的作用，中央沙库区的藻类“水华”直接影响到的水库取水口的概率比较小，青草沙水库输水泵闸口的叶绿素a的浓度低于0.015mg／L，营养程度处于中贫营养化水平。

为应对库区局部水体富营养化和中央沙库区“水华”风险，仍需要对库区局部水域采取生物控制、疏浚引流等措施，进行库区库型设计。

（2）咸潮期富营养化预测结果。为应对长江口咸潮入侵，避咸蓄淡，10月初起，上、下游水闸只引不排，在水闸不能引水的时段启用水泵提水，将库内水位抬升至水泵设计运行水位6.2m，至12月30日19时之前一直维持在该水位运行。

尽管此阶段水力停留时间很长，但由于10月至次年4月该区域平均温度一般不高于20℃，因此根据藻类生长曲线与温度和水力停留时间的关系，气候正常时青草沙水库暴发大面积“水华”的可能性较小。

咸潮期（10月初至次年4月底）的库区富营养化预测结果表明，推荐调度方案和季风共同作用下，青草沙库区在咸潮期的整体富营养化水平较低，见图2-32。叶绿素a浓度最高的水域仍是在中央沙库区，但最大值一般不高于0.015mg／L，平均值一般不高于0.005mg／L，青草沙库区整体营养化程度处于中-贫营养化水平。(www.xing528.com)

图2-32 咸潮期季风作用下库区各层叶绿素a模拟结果（最大值）

该区域10月份多年平均最高气温22.3℃，平均气温18.3℃。因此，从10月初青草沙水库开始蓄水，到10月20日左右蓄到设计水位6.2m，此时水库的平均水力停留时间较长，如果此时气温仍维持在20℃以上并持续1～2周以上，青草沙水库仍可能面临暴发大面积“水华”的风险。

2.5.2.2 青草沙水库疏浚引流

初拟库区开挖库型方案见图2-33a，优化库区开挖库型方案见图2-33b。在对方案EU2-1和EU2-2的富营养化模拟分析的基础上，研究提出优化方案EU2-3，开挖总土方量约为1050万m3，见表2-18。

图2-33 库区开挖库型方案

表2-18 库区开挖方案

非咸潮期，在正常调度运行条件下（方案EU2-1），见图2-34，库区将出现3个明显的缓流区，缓流区水体同整个水库的混合稀释程度较小，利于藻类生长并于此富集，叶绿素a浓度明显高于其他水域，缓流水域达到富营养化水平。

图2-34 EU2-1夏季叶绿素a均值

水库实施局部疏浚引流后（方案EU2-2），见图2-35，库区3个缓流区范围明显减少，夏季叶绿素a高于16ug／L的面积为3.34km2，见表2-19，整个水库的混合稀释程度相对较好，叶绿素a浓度明显低于方案EU2-1，整个库区可以控制在中-富营养化水平。

图2-35 EU2-2夏季叶绿素a均值

进一步实施疏浚引流优化方案后（方案EU2-3），见图2-36，水库原有的3个明显滞留区基本消失，夏季叶绿素a高于16ug／L的面积仅为0.9km2，见表2-19，无论面积和浓度值都远远低于前面两个方案，全库区整体可以控制在贫-中营养化水平。

图2-36 EU2-3夏季叶绿素a均值

表2-19 各方案叶绿素a平均值（夏季）统计结果

表2-20为方案EU2-1、EU2-2、EU2-3下非咸潮期水库整体营养化趋势预测及评估结果。对于EU2-1方案，以水库中总氮和总磷的浓度作为水库营养化评估标准，水库处于富营养化标准，而在该方案下水库中叶绿素a浓度也达到了中-富营养化程度。而对于EU2-2和EU2-3方案而言，其库区水体中叶绿素a浓度分别处于中营养和贫-中营养程度，均低于EU2-1方案。

表2-20 非咸潮期水库整体营养化趋势预测及评价结果

（续表）

根据以上叶绿素a浓度空间分布、叶绿素a浓度的阈值面积统计以及营养化趋势评估结果分析，可以得出EU2-3开挖方案之后，水库中叶绿素a浓度无论是在阈值面积，还是在营养化趋势评估结果上都优于其他两种方案，因此，青草沙水库疏浚引流方案采用EU2-3方案。

2.5.2.3 生物调控措施的水质改善效果分析

非咸潮期的富营养化模拟结果表明，正常调度方案和正常气象条件下，中央沙水域水力停留时间过长而导致水体富营养化程度远高于青草沙库区，因此，发生“水华”的风险也远远高于其他库区。借鉴陈行水库和宝钢水库的经验，通过构筑“浮游植物→浮游动物→鱼类→人工捕捞的食物链关系”的生物控制措施来防治中央沙库区和青草沙局部滞流水域的富营养化问题。

利用生态动力学模型，进行各种鱼类放养密度和沉水植物种植密度方案的模拟（表2-21），叶绿素a的模拟结果见图2-37、图2-38。

表2-21 中央沙库区和青草沙局部水域生物控制方案

图2-37 EU3-1叶绿素a模拟结果

图2-38 EU3-2叶绿素a模拟结果

方案EU3-1和EU3-2中，库区的叶绿素a的最大浓度均不超过0.010mg／L，叶绿素a的平均浓度不超过0.005mg／L，两个方案都可以大大降低中央沙库区的富营养化水平，将库区的富营养程度控制在中营养水平，见表2-22。

表2-22 各方案中央沙水域主要指标模拟结果