基于MIKE 11 HD河道水質(zhì)補(bǔ)水調(diào)度方案的應(yīng)用研究

張 雪，余勝男

(深圳市廣匯源水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518020)

端午節(jié)賽龍舟是中華民族傳統(tǒng)賽事，部分城市每年都會(huì)舉辦一次，而近年來(lái)，賽艇運(yùn)動(dòng)也越來(lái)越平民化，正逐漸走進(jìn)百姓生活，成為民眾的業(yè)余愛(ài)好，同時(shí)其比賽對(duì)塑造品牌效應(yīng)、提升城市形象有極大幫助。賽龍舟及賽艇運(yùn)動(dòng)要求長(zhǎng)、直賽道，隨著各城市河道整治工程的實(shí)施，在河道中進(jìn)行比賽已成為可能，因此，如何保障比賽期間河道的水量和水質(zhì)則變得尤為重要。

由于中國(guó)賽艇協(xié)會(huì)擬在深圳市大沙河下游河口段舉行賽艇比賽，為保證賽艇項(xiàng)目的順利開(kāi)展，需對(duì)深圳市大沙河進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)度，以提高河道水環(huán)境容量，改善河道水質(zhì)，確保河道水質(zhì)水量滿足比賽要求。本文將以大沙河為實(shí)例進(jìn)行研究，總結(jié)、提煉方法，為此類賽事的補(bǔ)水調(diào)度提供參考借鑒的理論依據(jù)。

1 計(jì)算原理和方法

結(jié)合流域內(nèi)引、調(diào)、擋、壅水工程，建立大沙河的水動(dòng)力模型；初步擬定幾種補(bǔ)水方案作為模型輸入邊界條件，將模型模擬結(jié)果代入河道水環(huán)境容量公式，計(jì)算補(bǔ)水后河道各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)含量；再基于模糊數(shù)學(xué)法，評(píng)價(jià)水質(zhì)情況，從而確定補(bǔ)水方案的可行性。

1.1 河網(wǎng)水動(dòng)力模型

MIKE 11 HD[1]的河網(wǎng)水動(dòng)力模型[2]基于一維非恒定流圣維南方程組：

式中，t—時(shí)間坐標(biāo)，s；x—空間坐標(biāo)，m；A—過(guò)流斷面面積，m2；Q—流量，m3/s；h—水位，m；q—旁側(cè)入流流量，m3/s；C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；α—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；g—重力加速度，m/s2。

1.2 水環(huán)境容量

水環(huán)境容量由兩部分組成：稀釋環(huán)境容量和自凈環(huán)境容量。由于引水在河網(wǎng)內(nèi)的停留時(shí)間較短，水體因自凈改善水質(zhì)的作用非常有限，稀釋成為水資源調(diào)度改善河道水質(zhì)最主要的機(jī)理之一[2]。

本文水資源調(diào)度污染物稀釋研究的思路如下：

第1步，分析確定水資源調(diào)度區(qū)污染物的主要種類和主要污染物濃度水平，調(diào)查污染物排放總量(污水量q污，主要污染物濃度C污)；第2步，根據(jù)MIKE水動(dòng)力模型模擬補(bǔ)水方案，確定河道的引補(bǔ)水量Q補(bǔ)、補(bǔ)水水質(zhì)C補(bǔ)；第3步，確定現(xiàn)有流量Q現(xiàn)、水質(zhì)本底濃度C現(xiàn)；第四步，忽略自凈作用的前提下，假定沉淀可忽略不計(jì)，計(jì)算水資源調(diào)度后稀釋水體的水質(zhì)C，則C=(C污·q污+C現(xiàn)·Q現(xiàn)+C補(bǔ)·Q補(bǔ))/(q污+Q現(xiàn)+Q補(bǔ))

圖1 水動(dòng)力計(jì)算的河網(wǎng)概化圖

1.3 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)法是計(jì)算水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)方法之一[3]，它引用了模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算方法，先對(duì)各單項(xiàng)參數(shù)的隸屬度進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后考慮各項(xiàng)參數(shù)在總體中的地位，配以適當(dāng)?shù)臋?quán)重[4]，再用模糊概念進(jìn)行推理，經(jīng)過(guò)模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算[5]，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 大沙河流域概況

大沙河為深圳灣水系入海河流，流域面積92.99km2，河長(zhǎng)13.83km。上游建有西麗、長(zhǎng)嶺皮2座水庫(kù)，控制集雨面積38.93km2；中游建有西麗再生水廠，設(shè)計(jì)規(guī)模5萬(wàn)m3/d；下游段為感潮河段，河口建有1座水閘。

2.2 河網(wǎng)概化

河網(wǎng)概化的基本原則是被概化后的河道能夠反映天然河道的基本水力特性，Mike模型中通過(guò)輸入河流走向、各橫斷面形式及河底高程，使得模型概化后的河道在輸水能力上與實(shí)際的河道基本保持一致。本次計(jì)算上邊界為長(zhǎng)嶺皮、西麗水庫(kù)壩下，下邊界為河口水閘下游100m處。

2.3 邊界條件

本模型將研究河道共劃分為2個(gè)計(jì)算河段，共456個(gè)斷面，3個(gè)流量上邊界(上游兩水庫(kù)下泄流量過(guò)程及中游西麗再生水廠排放水量)，1個(gè)水位下邊界(潮位過(guò)程線[6])，考慮河道中游2座壅水堰，橋梁20座，河口處閘門1座，其成果能夠滿足本次計(jì)算要求。水動(dòng)力計(jì)算的河網(wǎng)概化圖如圖1所示。

2.4 計(jì)算工況(補(bǔ)水方案)

根據(jù)大沙河河道周圍水源情況，擬定大沙河補(bǔ)水主要有以下4個(gè)方案。

方案1：本次賽艇比賽位于大沙河河口感潮河段，因此可以利用河口潮汐變化通過(guò)水閘的調(diào)度對(duì)河道進(jìn)行補(bǔ)水，在低潮時(shí)泄水、高潮時(shí)補(bǔ)水，當(dāng)高潮補(bǔ)水達(dá)不到要求水位時(shí)，利用泵站抽取海水補(bǔ)充不足水量。

方案2：部分水量利用潮汐變化補(bǔ)海水，部分水量通過(guò)上游水庫(kù)補(bǔ)水。

方案3：部分水量利用潮汐變化補(bǔ)海水，部分水量通過(guò)附近原水管和上游水庫(kù)補(bǔ)水。

方案4：全部水量由上游水庫(kù)補(bǔ)水。

2.5 計(jì)算參數(shù)

模型模擬效果好壞主要與模型參數(shù)取值是否合理有直接的關(guān)系。本研究建立的MIKE 11河道一維水動(dòng)力模型關(guān)鍵參數(shù)為河道糙率，即曼寧系數(shù)。大沙河多年來(lái)分上游段和中下游段分段治理，目前全河段已治理完成。選取典型年1966年6月份的潮位作為現(xiàn)狀水平年潮位變化，上游考慮兩水庫(kù)滲漏來(lái)水，利用現(xiàn)狀河口處實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試計(jì)算，河道曼寧系數(shù)中上游段可取為0.035，下游段取為0.03時(shí)，河道各個(gè)斷面水位過(guò)程模擬得較好，河口以上4km河道的水位為現(xiàn)狀實(shí)測(cè)水位2.1m。結(jié)果如圖2所示。

圖2 水動(dòng)力計(jì)算河道縱斷面水位圖

項(xiàng)目方案1方案2方案3方案4大潮小潮大潮小潮大潮小潮大潮小潮河道本底7.8810.927.8810.927.8810.927.8810.92補(bǔ)水水源水量/萬(wàn)m3海水43.4735.4221.7218.6811.158.11——原水————1010——再生水1.716.728.68.68.818.8110.149.46長(zhǎng)嶺皮水——14.8614.8615.2215.2235.0432.68補(bǔ)水時(shí)間8h12min1d8h16min41h17min41h17min42h17min42h17min48h40min45h24min

2.6 模型計(jì)算成果

利用潮汐變化的水位差，在低潮時(shí)泄水、高潮時(shí)補(bǔ)水，不足水量由各計(jì)算工況下補(bǔ)水水源及時(shí)補(bǔ)充，以河口處潮位、補(bǔ)水水源及為滿足比賽達(dá)到的賽道2.1m水位要求為邊界條件，通過(guò)模型可計(jì)算各工況下補(bǔ)水時(shí)間和各水源補(bǔ)水水量，模型計(jì)算成果見(jiàn)表1。以工況4為例可知，本次根據(jù)潮汐特征，分別選取1個(gè)大潮和1個(gè)小潮進(jìn)行模擬，大潮情況再生水補(bǔ)水量為10.14萬(wàn)m3，長(zhǎng)嶺皮水庫(kù)補(bǔ)水量為35.04萬(wàn)m3，補(bǔ)水時(shí)間需48h40min，小潮情況再生水補(bǔ)水量為9.46萬(wàn)m3，長(zhǎng)嶺皮水庫(kù)補(bǔ)水量為32.68萬(wàn)m3，補(bǔ)水時(shí)間需45h24min。

2.7 稀釋水體水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算

河道水質(zhì)本底值、再生水及長(zhǎng)嶺皮水庫(kù)水采用實(shí)際水質(zhì)檢測(cè)值，結(jié)合水動(dòng)力模型計(jì)算各補(bǔ)水方案的補(bǔ)水水量。以方案4為例，根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算方法計(jì)算不同潮型下河道補(bǔ)水后的水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)值，成果見(jiàn)表2。

表2 稀釋水體水質(zhì)指標(biāo)值計(jì)算成果表

2.8 模糊數(shù)學(xué)計(jì)算

根據(jù)GB3838- 2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的地表水水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》見(jiàn)表3。

表3 水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表 單位：mg/L

某項(xiàng)參數(shù)的隸屬度，用線性函數(shù)表示，由此根據(jù)稀釋水體水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值計(jì)算其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)得出一個(gè)4×5的模糊關(guān)系矩陣：

根據(jù)分指數(shù)超標(biāo)情況進(jìn)行加權(quán)，超標(biāo)越多，權(quán)重越大。根據(jù)公式計(jì)算出單項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重值Wi，并為進(jìn)行模糊運(yùn)算，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重值進(jìn)行歸一化運(yùn)算得出參數(shù)的權(quán)重Vi。可計(jì)算各參數(shù)指標(biāo)的權(quán)重值，見(jiàn)表4。

表4 各項(xiàng)水質(zhì)權(quán)重值計(jì)算表 單位：mg/L

然后進(jìn)行模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算，該算法與普遍矩陣類似，只將矩陣乘法運(yùn)算中的加號(hào)“+”改為“∨”，將乘號(hào)“·”改為“∧”?！啊拧钡囊饬x為取加數(shù)中最大者為“和”，“∧”的意義為取相乘兩數(shù)較小者為“積”，由此得到模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算：

B大潮= [0.31 0.18 0.24 0.27]

=[0 0.24 0.31 0 0]

B小潮=[0.33 0.18 0.22 0.27]

=[0 0.22 0.33 0.22 0]

計(jì)算得到的矩陣B表示該水質(zhì)的隸屬度評(píng)價(jià)結(jié)果，經(jīng)過(guò)歸一化后，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 大小潮工況下方案4的水質(zhì)隸屬度分析表

由表5可見(jiàn)，按方案4補(bǔ)水后大沙河下游段的水質(zhì)為地表水Ⅲ類。同理，另外3個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 大小潮工況下其它方案的水質(zhì)隸屬度分析

由表5、6可知，方案1水質(zhì)為V類，方案2、方案3水質(zhì)為Ⅳ類，方案4水質(zhì)為Ⅲ類，僅方案4能滿足賽艇比賽對(duì)河道水質(zhì)的要求，可采用此補(bǔ)水調(diào)度方案。

3 結(jié)語(yǔ)

在河道水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)法計(jì)算河道水環(huán)境容量，并應(yīng)用于實(shí)際賽艇比賽中，對(duì)補(bǔ)水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，方法簡(jiǎn)便易行，可為此類賽事的補(bǔ)水調(diào)度提供參考借鑒作用。