基于水質(zhì)水量耦合模型的渾河沈撫段水質(zhì)分析

王雅峰，于 躍，馬甜甜

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

隨著近年來渾河沈撫段城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，其區(qū)域內(nèi)干流以及支流的水質(zhì)水量均發(fā)生了不同程度的變化，由原本處于自然或原生態(tài)的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袃?nèi)河的同時，水質(zhì)污染也在不斷加劇。為掌握渾河沈撫段水質(zhì)變化規(guī)律，以便采取經(jīng)濟(jì)有效的調(diào)度方式或進(jìn)行截污調(diào)控治理，通過建立符合渾河沈撫段干流情況的水質(zhì)水量耦合數(shù)值模型，對其水質(zhì)情況進(jìn)行分析。

以渾河干流的沈陽段以及撫順段作為研究對象，通過DHI公司的MIKE11軟件的HD（水動力）、AD（水質(zhì)）模塊建立符合渾河沈撫段特征的水質(zhì)水量耦合模型，以研究不同條件對干流水質(zhì)濃度的影響規(guī)律。針對干流上閘壩、橋梁等構(gòu)筑物對河水流量及水質(zhì)模擬精度產(chǎn)生的影響，在一維模擬中采用概化的方式進(jìn)行處理，對于干流兩岸的工業(yè)、生活排污口以及匯入干流的劣質(zhì)水支流口（如仁鏡河、舊站河）等污染源概化為點源進(jìn)行處理。

1 研究區(qū)域概況

渾河又名小遼河，因水色渾濁且水流湍急而得名，歷史上曾經(jīng)是遼河最大的支流，現(xiàn)為獨立入海的河流、同時也是遼寧省水資源最豐富的內(nèi)河。其發(fā)源于遼寧省撫順市清源縣滾馬嶺，流經(jīng)撫順、沈陽、鞍山營口等市，在海城古城子附近納入太子河，匯合之后稱為大遼河。全長415km，流域面積約為2.5萬km2，年徑流量約在50~70億m3。本研究區(qū)段從遼寧省撫順市新?lián)釁^(qū)貴德街（大伙房水庫壩下）連接到沈陽市蘇家屯區(qū)渾河閘大橋（渾河閘壩下）之間的渾河干流流域，沿途包括章黨河、仁鏡河等在內(nèi)的19條支流，以及高陽、下伯官、長青橋三個主要干流排污口。研究區(qū)域地理坐標(biāo)為北緯41°39"~41°53"，東經(jīng)123°19"~123°57"，海拔在60~70m之間。占地總面積為605km2，其中沈陽市轄區(qū)約占總面積的55%，撫順市轄區(qū)約占總面積的45%。

圖1 渾河流域沈撫段水系概化圖

2 模型建立

丹麥水資源環(huán)境研究所（DHI）基于馬斯京根模型、圣維南方程組以及追趕法[1-2]等原理開發(fā)的MIKE11模型是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的河流水文模擬軟件，其功能強(qiáng)大，具有可靠性強(qiáng)、計算精度高等特點，能無限模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流情況以及閘門等水工構(gòu)筑物的運營靈活調(diào)度。本文通過將MIKE11的水動力（HD）及水質(zhì)（AD）模型耦合不僅可以模擬渾河流域沈撫段河道流量及水質(zhì)情況變化，亦可以對水質(zhì)產(chǎn)生影響的各個因素進(jìn)行分析，以期更好的對河流進(jìn)行管理，為改善渾河沈撫段水質(zhì)污染情況提供可靠的方法及建議。

2.1 水動力模型

2.1.1 理論背景

MIKE11水動力模型基于以下幾個假定：不可壓縮、均質(zhì)流體；基本是一維流態(tài)；坡降小、縱向斷面變化幅度小；靜水壓力分布。通過連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）以及動量方程（牛頓第二定律），得到的圣維南方程就是模型反映有關(guān)物理定律的微分方程：

式中：A—過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；Q—過流流量（m3/s）；R—水力半徑（m）；

h—水位（m）；q—旁側(cè)入流（m3/s）；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度；

α—動量校正系數(shù)；x、t—計算點空間坐標(biāo)、計算點時間坐標(biāo)。

MIKE11水動力模型采用明渠不穩(wěn)定流隱式格式有限差分解,所用的有限差分格式為6點Abbott-Ionescu格式。

2.1.2 河網(wǎng)構(gòu)建

建立的河網(wǎng)應(yīng)符合渾河沈撫段的實際水利特征等，通過導(dǎo)入沈撫段GIS圖像進(jìn)行繪制干流以及相應(yīng)支流，并輸入沿途相應(yīng)閘壩、橋梁的數(shù)據(jù)參數(shù)及里程。根據(jù)實測的渾河各個斷面數(shù)據(jù)，確定各個斷面的河床高程Z和起始距x，繪制出斷面文件。

2.1.3 邊界條件與時間序列

邊界條件包括外邊界和內(nèi)邊界條件，外邊界條件是指模型中河流的起始和終止的河段端點（上、下邊界），控制著物質(zhì)流入或流出模型所在區(qū)域，須設(shè)定為開邊界即給定端點流量或水位等水文條件，亦可設(shè)置為closed即閉合邊界，河流到此即斷流，沒有物質(zhì)的進(jìn)出，方可進(jìn)行模型的計算。內(nèi)邊界條件是指內(nèi)部河段受到點源或者面源的影響，有物質(zhì)的沿途流入或者流出，典型的例子包括降雨徑流的入流、工廠排水、自來水廠取水等[3]。為方便研究計算，在此將沿途對模型河段流量產(chǎn)生影響的支流口、排污口等設(shè)定為點源輸入邊界條件。

時間序列是通過實測資料設(shè)定各支流、排污口及上、下邊界的水位和流量在不同時刻的不同數(shù)值，將其輸入至邊界條件中。模型選擇以大伙房水庫的出流量和渾河閘壩下水位作為渾河水動力模型的上游及下游的控制條件。

2.1.4 參數(shù)與率定

河床糙率是表征河道底部和岸壁影響水流阻力的各種因素的綜合系數(shù)[4]，是影響水動力模擬結(jié)果的主要因素。本文根據(jù)渾河沈撫段河段特征，通過天然河道經(jīng)驗取值確定河床糙率的取值范圍，并不斷對河床糙率進(jìn)行修改，最終確定渾河撫順段平均糙率系數(shù)為0.03，沈陽段平均糙率系數(shù)為0.035。

根據(jù)已有的實測數(shù)據(jù)，采用2014年10月1日~ 2015年4月30日進(jìn)行沈陽（三）水文站的實測流量和水位的率定，采用2013年10月1日~ 2014年4月30日的實測流量和水位進(jìn)行驗證，其結(jié)果如圖：

圖1 沈陽（三）站流量率定、驗證圖

圖2 沈陽（三）站水位率定、驗證圖

由沈陽（三）站的水位流量率定和驗證圖可知：渾河沈撫段的水動力模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定誤差，整體誤差在5%~10%之間，由于非汛期某些天數(shù)閘壩維修而造成了水位突然升高或降低，導(dǎo)致局部模擬值與實測值相差較大，但實測值與模擬值總體變化趨勢基本一致，故可以反映渾河沈撫段水動力變化規(guī)律。

2.2 水質(zhì)模型

2.2.1 理論背景

MIKE11水質(zhì)（AD）模塊利用對流擴(kuò)散方程，模擬水體中溶解或懸浮物質(zhì)的運輸。其基本方程公式（2）如下：

式中：c-污染物濃度（mg/L）；u-水流速度（m/s）；Ex-離散系數(shù)；Kc-綜合衰減系數(shù)；S-源匯項（例如支流的影響）。

2.2.2 水質(zhì)邊界條件

在水動力邊界條件的基礎(chǔ)上，加入各排污口、支流的實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得到渾河沈撫段的主要污染物為COD、氨氮，故通過水質(zhì)模型對兩種污染物進(jìn)行模擬。本文將渾河干流分著的排污口、支流以點源的形式輸入模型的邊界條件，通過對水質(zhì)參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)行水質(zhì)模型的率定和驗證。

2.2.3 水質(zhì)參數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)為率定參數(shù)，它表示河流對污染物的稀釋作用，與河流的水文條件有關(guān)，如水深、流量、流速、水溫等[5]。通過已有的經(jīng)驗取值（河流為5~20m2/s），經(jīng)過率定確定渾河沈撫段擴(kuò)散系數(shù)為10m2/s。

衰減系數(shù)（即降解系數(shù)）是進(jìn)行水質(zhì)模擬的重要基礎(chǔ)參數(shù)，它影響污染物在河流中的可降解能力，并反映河流的一部分自凈能力。在計算的基礎(chǔ)上，COD和氨氮降解速率參考《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點》[6]內(nèi)容進(jìn)行取值，結(jié)果如表1所示：

表1 衰減系數(shù)取值結(jié)果 單位：（d-1）

2.2.4 參數(shù)率定和驗證

以水動力模型的流量、水位為基礎(chǔ)，輸入相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)，采用2014年10月1日~ 2015年4月30日的實測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，采用2015年10月1日~ 2016年4月30日的實測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。取沈陽長青橋兩斷面的率定和驗證結(jié)果如圖所示：

圖3 長青橋COD率定、驗證圖

圖4 長青橋氨氮率定、驗證圖

由圖3、圖4可知，長青橋斷面的COD實測值與模擬值最大相對誤差不超過10%，氨氮實測值與模擬值十分接近，且隨時間變化趨勢基本一致，表明模擬結(jié)果較好，可以較好地反映渾河沈撫段水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和降解特征。

3 水質(zhì)模擬結(jié)果分析

通過復(fù)核渾河沈撫段水質(zhì)水量耦合模型，采用干流排污口截流、支流河水質(zhì)控制為地表五類水要求（COD《40mg/L，氨氮《2mg/L）分析排污口、支流對干流水質(zhì)產(chǎn)生影響的大小。由于東陵大橋斷面位于渾河沈撫段中下游，匯集撫順沈陽多處排污口和支流河流量的綜合作用，能夠比較全面的反應(yīng)各支流河、排污口對干流水質(zhì)的綜合影響，故以東陵大橋斷面水質(zhì)濃度前后變化為例進(jìn)行分析。經(jīng)過模型模擬三種情況，即不改變?nèi)魏螚l件的現(xiàn)狀、所有干流直排排污口取締、支流河水質(zhì)控制在地表水五類水的情況進(jìn)行對比，其結(jié)果如下圖所示：

圖5 東陵大橋斷面COD濃度對比圖

圖6 東陵大橋斷面氨氮濃度對比圖

由圖5、圖6可知，在干流排污口截流、支流水水質(zhì)控制在五類水后東陵大橋斷面的COD、氨氮濃度均有不同程度的降低。干流排污口截流相對于現(xiàn)狀條件下COD的濃度整體降低了10%，氨氮的濃度整體降低了11%；支流水調(diào)控相對于現(xiàn)狀條件下COD的濃度整體降低了28%、氨氮的濃度整體降低了30%。

由此可知，支流水污染對干流水質(zhì)的影響相對于干流排污口對干流水質(zhì)的影響要高，這是由于渾河不僅支流眾多，各支流也匯集了沿途各大小排污口排出的工業(yè)廢水以及生活污水，例如撫順的章黨河不僅流量較大，水質(zhì)也十分差，其COD和氨氮濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地表五類水質(zhì)，COD濃度有時甚至高達(dá)100mg/L以上，對渾河干流水質(zhì)污染造成了嚴(yán)重的影響。因此，加大支流河的整治，可以有效地改善干流水質(zhì)，使渾河沈撫段河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，提升流域水生態(tài)環(huán)境的健康與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過已有的水文數(shù)據(jù)，以MIKE 11軟件的水動力和水質(zhì)模塊建立的渾河沈撫段的水質(zhì)水量耦合模型，由于缺乏流域部分降雨、蒸發(fā)資料使模型徑流總量和污染物濃度的模擬結(jié)果存在一定誤差，但基本變化趨勢較一致，可以較好地反映渾河沈撫段水動力、水質(zhì)變化情況。并通過建立好的模型進(jìn)行了干流排污口、支流河對干流水質(zhì)影響的模擬，得到了現(xiàn)狀、干流排污口截流、支流河控制為地表五類水三種條件下，對干流東陵大橋斷面水質(zhì)濃度產(chǎn)生的影響，可以看出支流河對干流水質(zhì)影響要高于干流排污口，對于了解干流排污口及支流河對渾河沈撫段水質(zhì)造成的污染提供了一定的信息，具有一定的借鑒意義。