基于MIKE11模型構(gòu)建的流域現(xiàn)狀年水量水質(zhì)模擬

張美英

（遼寧江海水利工程有限公司，沈陽 110003）

1 概述

渾河是遼河流域的一條支流，流向為從東北流向西南，經(jīng)過撫順市、沈陽市、遼陽市和鞍山市，河流總長415.5km，流域面積11480km2，在海城市附近，由三岔河和太子河匯合并匯入大回河，向南通過營口市，進入遼東灣［1］。渾河流域丘陵區(qū)占總流域面積65%，平原占總流域面積的35%，渾河是一個非對稱水系，東側(cè)支流密集，水量豐富，西側(cè)支流較少，水量較少。渾河流域上游為山區(qū)，山地高程一般在410～850m之間，從中部到撫順的地勢呈逐漸上升趨勢，與沈陽附近的遼河平原相連形成丘陵地區(qū)。

2 水質(zhì)模型構(gòu)建

MIKE11（AD）模型用于模擬渾河流域的水質(zhì)，受數(shù)據(jù)、模型、技術(shù)等不確定因素限制，該模擬結(jié)果的準確性存在一定偏差。然而，從變化趨勢看出，模擬結(jié)果可代表河流水質(zhì)隨時間和河段的變化特征［1］，結(jié)果可靠合理。

河段所在的渾太水系流經(jīng)遼寧省中心城區(qū)，主要污染包括工業(yè)廢水和生活污水排放［2］，因此，建立了一維點源污染水質(zhì)模型用于河段研究。

2.1 水質(zhì)模擬與參數(shù)率定

2.1.1 污染源概化

污染源概化是目前河網(wǎng)水質(zhì)計算中相對復(fù)雜課題，基于排污口和污染物負荷的概化［2］，包括污水排放、排放濃度及污染物類型。根據(jù)環(huán)保部門提供的調(diào)查資料來看，渾河流域的大多數(shù)企業(yè)都位于撫順市至沈陽市的區(qū)域內(nèi)，使用集中式管道或溝渠對污染物進行排放，沿河小型排污口與相鄰的大型排污口合并，形成29個排污口。

2.1.2 污染物特征確定

根據(jù)渾河流域沿線企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，結(jié)合流域水污染防治現(xiàn)狀，選擇影響水功能區(qū)域的主要污染物計算水污染能力［2］。

據(jù)2015～2018年沿線各水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析，渾河干流段水質(zhì)污染已達重污染或重度污染水平，尤其沈陽下游區(qū)域污染最為嚴重，其COD平均濃度已達41.60mg/L，而枯水期COD平均濃度58.80mg/L，氨氮平均濃度5.89mg/L，而枯水期氨氮平均濃度可達15.70mg/L。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準，其COD濃度、氨氮濃度均屬于劣V類水質(zhì)，是影響水質(zhì)的主要污染物［2］，因而選擇COD和氨氮代表水質(zhì)有機物的容量［3］。

2.2 參數(shù)率定

MIKE11對流擴散模型的主要參數(shù)包括衰減系數(shù)和擴散系數(shù)，分別表示自凈和稀釋作用的大?。?］，使用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測值確定參數(shù)值。由于2015～2018年實測監(jiān)測數(shù)據(jù)和水質(zhì)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性良好，做為選擇水質(zhì)參數(shù)的率定年。

2.2.1 擴散系數(shù)

擴散系數(shù)計算如式（1） ：

式中 D為擴散系數(shù)；a為擴散系數(shù)常數(shù)；b為擴散系數(shù)指數(shù)；u為流速（m/s）。

Fischer半經(jīng)驗公式對擴散系數(shù)的值進行分析率定，如式（2）：

式中 u為流速（m/s）；B為河寬（m）；H為水深（m）；I為坡降；u*為摩阻流速（m/s）。

從式（1）可知影響擴散系數(shù)的主要因素，其坡度I和河流寬度B是恒定的。由于上游來水量的不同，其流量和水深也隨之變化，為了使其更接近實際情況，擴散系數(shù)常數(shù)a是按照不同時間段分開率定的［3］，并根據(jù)來水量的不同分別建立擴散系數(shù)極限，擴散系數(shù)指標(biāo)值b恒定等于2，且恒定系數(shù)值a在上限和下限之間確定，同時，在AD參數(shù)設(shè)定時，河流D經(jīng)驗系數(shù)為5.0～20.0。

選擇2018年水動力模型流速模擬結(jié)果進行計算，可得擴散系數(shù)如表1。

表1 2018年渾河擴散系數(shù)計算成果 單位：m2/s

2.2.2 衰減系數(shù)

衰減系數(shù)是計算水體水質(zhì)吸收污染物能力的非常重要的參數(shù)［3］，與河流的水文要素狀況密切相關(guān)，計算如式（3）：

式中 k為衰減系數(shù)（d-1）；u為河段平均流速（m/s）；x為上下斷面的間距（km）。

由于污染物衰減的機理相對較復(fù)雜，衰減系數(shù)受河道多種因素的影響，變化較大，隨機性也相對較大，很難獲得反映真實河道水質(zhì)污染物衰減的定量值［4］，因此，參考經(jīng)驗值，該模型僅模擬衰減系數(shù)的綜成值。在水庫中，水流幾乎是處于靜態(tài)的，其衰減特性與河流不同，因此，應(yīng)分別對河流和水庫設(shè)置衰減系數(shù)［5］。計算結(jié)果如表2。

表2 渾河衰減系數(shù)k率定結(jié)果 單位：（d-1）

2.2.3 模擬結(jié)果及合理性分析

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)以月為單位，故模型以月為單位進行輸出，選取2018年撫順、黃臘坨水質(zhì)監(jiān)測站擬合結(jié)果進行分析。率定期水質(zhì)模擬的擬合情況如圖1～圖4。

圖1 撫順站氨氮模擬結(jié)果與實測值

圖2 撫順站COD模擬結(jié)果與實測值

圖3 黃臘坨站氨氮模擬結(jié)果與實測值

圖4 黃臘坨站COD模擬結(jié)果與實測值

由圖1～圖4可知，水質(zhì)模擬結(jié)果與測量值之間仍然存在一定誤差，汛期水質(zhì)模擬精度高，而非汛期水質(zhì)模擬精度相對較低，從水質(zhì)模擬效果的總體趨勢不難看出，非汛期特征水質(zhì)污染物的濃度較高，汛期特征水質(zhì)污染物濃度偏低，與季節(jié)性變化的實際河流水質(zhì)相符，可代表河流污染物擴散和衰減的過程［5］，模擬效果是理想的。

3 現(xiàn)狀年渾河水量水質(zhì)模擬

3.1 現(xiàn)狀年選取

統(tǒng)計大伙房水庫1959～2018年天然來水量資料，并用皮爾遜III型曲線進行頻率分析，2015年屬于正常偏枯水年，水質(zhì)監(jiān)測資料齊全、排污口相關(guān)數(shù)據(jù)完整。將2015年作為現(xiàn)狀年，數(shù)據(jù)具有代表性和時效性。

3.2 水動力模擬結(jié)果

將水量水質(zhì)模型應(yīng)用于現(xiàn)狀年。以年徑流量為目標(biāo)值，將模擬值與實際監(jiān)測值進行對比，結(jié)果如表3。

表3 渾河各測站年徑流量 單位：億m3

由表3可知，撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站年徑流總量誤差分別為21.59%，4.06%，4.19%，模擬效果良好。繪制了2015年撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站的實測月均流量和模擬流量結(jié)果對比圖，如圖5～圖7。

圖5 撫順站實測徑流與模擬結(jié)果

圖6 黃臘坨站實測徑流與模擬結(jié)果

圖7 邢家窩棚站實測徑流與模擬結(jié)果

圖5～圖7結(jié)果顯示：

（1）撫順站流量模擬值與實測值相差較大，但整體變化趨勢趨于一致，4，5月份模擬結(jié)果較實測值明顯偏高。分析可知，渾河閘上游5月份為農(nóng)業(yè)供水，導(dǎo)致河道徑流量偏小，由于資料所限，模型中并未加入農(nóng)業(yè)供水取水口，導(dǎo)致模擬值偏高。

（2）黃臘坨、邢家窩棚站模擬結(jié)果與實際監(jiān)測值整體趨勢一致，由于閘壩模擬存在計算不穩(wěn)定等因素致使結(jié)果有偏差，在已有監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，該模型的計算結(jié)果可進一步用于水質(zhì)模擬［6］。

3.3 水質(zhì)模擬結(jié)果

2015 年全年撫順站特征污染物濃度模擬結(jié)果如圖8，圖9，可以看出水質(zhì)整體模擬效果較理想。

圖8 撫順站氨氮模擬結(jié)果與實測值

圖9 撫順站COD模擬結(jié)果與實測值

由圖8，圖9可以看出，渾河干流特征污染物汛期濃度明顯低于枯水期，可見河道徑流量是制約枯水期水質(zhì)提高的重要原因［7-8］； 撫順站與邢家窩棚站COD濃度高于其他區(qū)間，沈陽站和邢家窩棚站氨氮濃度高于其他區(qū)間，這與沈撫區(qū)間聚集大量排污口有關(guān)，致使該區(qū)段及其下游水質(zhì)級別逐漸下降。

4 結(jié)語

（1）進一步完善建立渾河水動力水質(zhì)模型，最終整合成渾太流域河流水系水質(zhì)及水利工程數(shù)值模型［9］。

（2）分析水庫現(xiàn)行調(diào)度運行方案特點，在防洪安全保障基礎(chǔ)上，提出水庫運用方式調(diào)整方案，在滿足社會經(jīng)濟發(fā)展用水要求基礎(chǔ)上，研究增加或調(diào)整下泄生態(tài)環(huán)境用水的調(diào)度運行方式［10］，制定基于農(nóng)業(yè)供水耦合與考慮生態(tài)環(huán)境改善的渾太河流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度方案。