基于MIKE11 的引排水改善平原河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量模擬研究

丁鈺童，莫李娟，黃冬菁，葛詩(shī)陽(yáng)，鞠 琴，顧鶴南

（1. 河海大學(xué)水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué)水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210098；3. 太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江蘇 無(wú)錫 214024； 4. 浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310000；5. 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

寧波市是我國(guó)東南沿海重要的港口城市，承擔(dān)著長(zhǎng)江三角洲南部經(jīng)濟(jì)中心的重要角色。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水環(huán)境質(zhì)量下降以及水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞等問(wèn)題也隨之而來(lái)。雖然寧波市政府積極采取各項(xiàng)措施來(lái)改善水環(huán)境面貌，以推進(jìn)“五水共治”戰(zhàn)略決策，但是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的污染排放與水環(huán)境承載力之間仍存在較大矛盾。水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控是平衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)的重要舉措［1，2］，江濤等［3］在已建立的水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，以COD 為水質(zhì)模擬因子，模擬分析了枯水期閘泵站聯(lián)合調(diào)度引水情景下佛山水道的水質(zhì)改善效果；周芬等［4］認(rèn)為原調(diào)水引流是增加海平原河網(wǎng)水源補(bǔ)給不足、水質(zhì)較差地區(qū)水資源補(bǔ)給、促進(jìn)水體有序流動(dòng)、改善河網(wǎng)水質(zhì)的有效措施；胡鑫等［5］提出水資源水量水質(zhì)保護(hù)的多目標(biāo)耦合模型設(shè)計(jì)方法，驗(yàn)證了所提方法的有效性；Salla 等［6］將水量模型和水質(zhì)模型集成建模，并應(yīng)用于巴西Araguari 河流域的綜合管理，對(duì)微生物沉降進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證；Avogadro 等［7］在水資源規(guī)劃中考慮構(gòu)建了水質(zhì)約束條件；Azevedo等［8］提出了水質(zhì)水量一體化的管理的思想，并在巴西皮拉西卡巴河流域水資源管理中得到成功應(yīng)用。目前的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控研究多側(cè)重于在河網(wǎng)概化的基礎(chǔ)上對(duì)局部區(qū)域的水環(huán)境進(jìn)行治理，尚未綜合考慮下游邊界條件變化來(lái)改善流域水動(dòng)力水質(zhì)的情況?；诖?，本文以寧波市江北鎮(zhèn)海平原為例，根據(jù)江北鎮(zhèn)海平原的水系分布、水利現(xiàn)狀，建立MIKE11 水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，使用綜合流速評(píng)價(jià)方法，對(duì)一定引水條件下通過(guò)閘站調(diào)控等措施實(shí)現(xiàn)的不同出流方案進(jìn)行比選，分析邊界條件變化下的河道水動(dòng)力水質(zhì)改善效果，得到流速和水質(zhì)最佳的出流方案。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究范圍

本文選取寧波市江北鎮(zhèn)海區(qū)為研究區(qū)域，研究區(qū)域圖如圖1所示。鎮(zhèn)海區(qū)位于寧波市東北部，江北區(qū)位于寧波市西北部，江北鎮(zhèn)海區(qū)地勢(shì)是西北高東南低，地面高程基本在1.7～2.5 m之間。全市河流眾多，甬江和象山港三門(mén)灣入海組成寧波市的主要河網(wǎng)水系［9］。其主要的供水水源為十字路、嵐山、三圣殿、郎家坪等水庫(kù)、澥浦大河、清排大河、前大河。江北鎮(zhèn)海域的引調(diào)水和配水主要依靠姚江北岸的調(diào)水站，將姚江干流的水轉(zhuǎn)化為江北市的海河河網(wǎng)，通過(guò)平原上的脊?fàn)詈拥烙赡舷虮薄⒂蓶|向西進(jìn)行輸水，江北鎮(zhèn)海平原主要發(fā)展第二、第三產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用水居多，引配水應(yīng)多滿(mǎn)足工農(nóng)業(yè)需求，在環(huán)境需求方面，也應(yīng)保持河流正常水位和維護(hù)河網(wǎng)環(huán)境。

圖1 研究區(qū)水系圖Fig.1 Map of the water system in the study area

1.2 流域水質(zhì)現(xiàn)狀

由于江北鎮(zhèn)海平原水污染治理強(qiáng)度滯后于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，部分地區(qū)點(diǎn)源、面源入河污染物量仍大幅超過(guò)限排總量，并且河網(wǎng)水源補(bǔ)給不足、水流滯緩、流動(dòng)性較差，江北鎮(zhèn)海平原水質(zhì)大多處于Ⅴ類(lèi)與劣Ⅴ類(lèi)之間，平原中部江北河段水質(zhì)最差［10］。從氨氮指標(biāo)來(lái)看，江北鎮(zhèn)海河網(wǎng)水質(zhì)總體上處于劣V 類(lèi)水平，慈城監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值從0.82～3.32 mg/L 不等，水質(zhì)年內(nèi)變化從III 類(lèi)到劣V 類(lèi)不等，年內(nèi)平均值為1.98 mg/L，總體處于V 類(lèi)水平；駱駝橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值從0.39～5.78 mg/L 不等，水質(zhì)年內(nèi)變化從II類(lèi)到劣V類(lèi)不等，年內(nèi)平均值為2.50 mg/L，總體處于劣V類(lèi)水平；江北大河監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值從1.79～12.20 mg/L 不等，年內(nèi)平均值為5.58 mg/L，總體處于劣V類(lèi)水平。近10年來(lái)，以“污水處理”為首的“五水共治”重大戰(zhàn)略決策進(jìn)一步推進(jìn)。寧波市各級(jí)政府積極采取措施，不斷加強(qiáng)水環(huán)境治理和水資源保護(hù)的力度，主要通過(guò)生態(tài)清水河道建設(shè)和城鄉(xiāng)水環(huán)境集中整治等具體方式對(duì)平原河網(wǎng)進(jìn)行水環(huán)境的綜合整治，河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量面貌有了顯著的效果。

2 水動(dòng)力水質(zhì)模型

2.1 模型構(gòu)建

MIKE11 水動(dòng)力模型主要是根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際條件和參數(shù)生成河網(wǎng)文件、斷面文件、設(shè)置邊界條件并形成邊界文件，利用水文計(jì)算結(jié)果形成時(shí)間序列文件、設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)形成模擬文件，對(duì)一維河道和潰口的進(jìn)行概化演算。MIKE 11 軟件的水動(dòng)力模型采用隱式有限差分格式模擬不穩(wěn)定河流的運(yùn)動(dòng)［11］，為更好地描述各種河流不同的流動(dòng)環(huán)境，采用能夠適應(yīng)河流時(shí)空流動(dòng)內(nèi)部條件的數(shù)值計(jì)算格式。其包括動(dòng)量方程（1）和連續(xù)性方程（2）。

式中：Q為流量，m3/s；x為沿河距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間，s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；q為旁側(cè)入流，m3/s；α為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度，m3/s；h為水深，m；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m。

污染物進(jìn)入水體后，其與水體之間的物理、化學(xué)和生物等作用改變了污染物遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化等運(yùn)動(dòng)過(guò)程［12］。水質(zhì)模型自動(dòng)提取HD 模塊產(chǎn)成的水動(dòng)力條件，將對(duì)流擴(kuò)散和生化反應(yīng)的輸運(yùn)激發(fā)融入到水生態(tài)模擬中，用來(lái)表征水生態(tài)系統(tǒng)中不同物質(zhì)之間的相互作用和各自的形態(tài)變化。該模型用來(lái)模擬污染物在水體中的擴(kuò)散過(guò)程中，因污染物濃度急速增高而發(fā)生突發(fā)性水污染事故。MIKE 11 對(duì)流擴(kuò)散模型（AD）能夠?qū)ξ廴疚镞w移過(guò)程進(jìn)行模擬，并能對(duì)突發(fā)性水污染事故進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)分析。AD 模塊也可模擬由于對(duì)流和擴(kuò)散而在水中運(yùn)輸溶解物質(zhì)的過(guò)程，還可以計(jì)算每個(gè)模塊的線性衰減和散熱。水動(dòng)力模型建立之后，將所有文件在模擬文件中整合并輸出結(jié)果文件，在水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立MIKE11水質(zhì)模型，基本方程為一維對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：A1為橫截面面積，m2；C1為污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；C2為源匯項(xiàng)，mg/L；K為線性衰減系數(shù)，1/d。

2.2 河網(wǎng)概化

江北鎮(zhèn)海平原概化的河道包括慈江、沿山大河、江北大河、莊橋河、中大河等骨干河道48 條，計(jì)算斷面282 個(gè)，計(jì)算邊界6個(gè)。關(guān)于研究區(qū)域污染物概化，主要入河污染源包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖及地表徑流污染等，參考《寧波市水資源綜合規(guī)劃》進(jìn)行估算，將MIKE11水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合構(gòu)建江北鎮(zhèn)海平原水動(dòng)力水質(zhì)模型，通過(guò)控制上下邊界的入流與出流口的啟閉，來(lái)模擬河網(wǎng)中水流運(yùn)動(dòng)與污染物的遷移過(guò)程。構(gòu)建的河網(wǎng)概化圖如圖2研究區(qū)域河網(wǎng)概化圖所示。

圖2 研究區(qū)域河網(wǎng)概化圖Fig.2 The generalizability of river network in the study area

2.3 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)HD parameter對(duì)江北鎮(zhèn)海平原初始河道條件和河床糙率進(jìn)行設(shè)定，初始條件應(yīng)盡量與河網(wǎng)模擬初期的實(shí)際水動(dòng)力條件相符，其中參數(shù)主要由模型的初始水位、流量、河道糙率組成，模擬期初始水位1.11 m，實(shí)際的河床糙率因?yàn)樘烊坏貏?shì)、下墊面的不同而復(fù)雜多變，根據(jù)以往寧波市三江平原河床糙率研究成果［13］，設(shè)置河床糙率n=0.03。在水質(zhì)模塊中，衰減系數(shù)可以反映河流中污染物降解的程度，以主要污染物氨氮指數(shù)為主要模擬指標(biāo)，衰減系數(shù)設(shè)置為0.08～0.10。

3 研究區(qū)模擬方案擬定

3.1 模擬方案

江北鎮(zhèn)海區(qū)域海域的調(diào)水和配水主要依靠姚江北岸的調(diào)水站，將姚江干流的水引入江北鎮(zhèn)海區(qū)海河河網(wǎng)，通過(guò)平原上的脊?fàn)詈拥烙赡舷虮?、自東向西輸水，用以滿(mǎn)足該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求，維持河流景觀和正常水位［14］，江北鎮(zhèn)海片河網(wǎng)退水主要經(jīng)由孔浦閘、澥浦大閘、新泓口閘等排入甬江和東海，其中新泓口閘泵站流量為40 m3/s。利用慈江閘站、姚江大閘、孔浦站引姚江水進(jìn)入流域，自西北向東南在慈江、新泓口河、中大河出流處上游分別設(shè)置澥浦大閘為出流口①新泓口閘為出流口②漲鑒碶閘為出流口③用來(lái)模擬泵站排水，通過(guò)控制3 個(gè)邊界出流口流量的變化，改變出流口流量大小。根據(jù)泵站排水能力，通過(guò)控制各出流口閘站的啟閉，設(shè)計(jì)模擬出口流量分別為9、18、24、36 m3/s 的28 種方案（見(jiàn)表1-4）。利用已建立的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型與水質(zhì)模型進(jìn)行耦合，設(shè)定本底值ρ（NH3-N）=2 mg/L，模擬28 種計(jì)算方案對(duì)江北鎮(zhèn)海平原水質(zhì)的改善情況，得到各個(gè)方案在研究區(qū)的流速、NH3-N 濃度變化，最后綜合判斷最優(yōu)方案。

表1 出流量為9 m3/s調(diào)度方案Tab.1 Outflow of 9 m3/s scheduling scheme

表2 出流量為18 m3/s調(diào)度方案Tab.2 Outflow of 18 m3/s scheduling scheme

表3 出流量為24 m3/s調(diào)度方案Tab.3 Outflow of 24 m3/s scheduling scheme

表4 出流量為36 m3/s調(diào)度方案Tab.4 Outflow of 36 m3/s scheduling scheme

3.2 模擬結(jié)果

本文引入K為流速與污染物濃度的比值，K值越大代表流速越大，污染物濃度越低，方案更優(yōu)；反之相反。28個(gè)方案條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果以及各個(gè)方案下流域的平均流速和水質(zhì)改善情況見(jiàn)表5～表8。28 種方案對(duì)流域的水動(dòng)力、水質(zhì)情況都有不同程度的改善。當(dāng)出流量為9 m3/s 時(shí)，NH3-N 濃度最低可降至1.560 mg/L；當(dāng)出流量為18 m3/s 時(shí)，NH3-N 濃度最低可降至1.648 mg/L；當(dāng)出流量為24 m3/s 時(shí)，NH3-N 濃度最低可降至1.709 mg/L；當(dāng)出流量為36 m3/s 時(shí)，NH3-N 濃度最低可降至1.718 mg/L。表明在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨著出流量的增大，水速明顯增大，但水質(zhì)改善不明顯。

表5 出流量為9 m3/s各方案下流域的平均流速及水質(zhì)改善情況Tab.5 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 9 m3/s

表6 出流量為18 m3/s各方案下流域的平均流速及水質(zhì)改善情況Tab.6 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 18 m3/s

表7 出流量為24 m3/s各方案下流域的平均流速及水質(zhì)改善情況Tab.7 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 24 m3/s

表8 出流量為36 m3/s各方案下流域的平均流速及水質(zhì)改善情況Tab.8 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 36 m3/s

4 模擬效果分析評(píng)價(jià)

根據(jù)表5-8，可以得出，方案都能有效改善河道的水動(dòng)力情況。參考國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)研究成果和省內(nèi)有關(guān)引配水工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［15］，認(rèn)為引配水工程實(shí)施后主要河道流速不低于0.05 m/s，力爭(zhēng)達(dá)到0.1 m/s。

通過(guò)調(diào)控邊界條件可以達(dá)到提高流速、改善水質(zhì)的效果。流域河網(wǎng)水質(zhì)自北向南逐步得到改善，當(dāng)增大入流口流量時(shí)，流域流速改善明顯，但水質(zhì)改善率較低，且存在的溢流情況不容忽視。28個(gè)方案水質(zhì)改善率為11.9%～21.9%，其中方案12改善流域水動(dòng)力水質(zhì)情況最佳，模擬的最大流速為0.056 m/s，水質(zhì)降為1.66 mg/L，水質(zhì)改善率為17%，K值為0.034。其次為方案1，模擬的最大流速接近0.05 m/s，水質(zhì)降為1.56 mg/L，水質(zhì)改善率為22%，K值為0.026。由此可見(jiàn)，江北鎮(zhèn)海區(qū)利用慈江閘站、姚江大閘、孔浦站引姚江水進(jìn)入流域，通過(guò)澥浦大閘的單獨(dú)排水和與漲鑒碶閘的聯(lián)合排水，可提升水質(zhì)到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

綜合所述，考慮水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控，方案12為最優(yōu)方案，推薦引水流量為18 m3/s，流域平均流速可達(dá)0.056 m/s，流域平均氨氮濃度為1.660 mg/L，濃度下降17.0%，可將水質(zhì)提高到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水平。方案12 的水質(zhì)水量?jī)?yōu)化情況相對(duì)于方案1 提升了30.8%，這是由于流向出流口1 的支流過(guò)多、相互阻礙，造成河道水流移動(dòng)受阻，從而削弱了開(kāi)放出流口1 對(duì)于江北鎮(zhèn)海平原的水環(huán)境改善效果。

圖3 最優(yōu)方案流域水質(zhì)分布圖Fig.3 Water quality distribution map of the catchment for the optimal solution

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）利用構(gòu)建的江北鎮(zhèn)海平原水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，考慮水動(dòng)力條件和污染物削減2 個(gè)方面因素，通過(guò)控制邊界出流口流量提出28 套計(jì)算方案，流量為9 m3/s 時(shí)水質(zhì)改善情況最佳，但河網(wǎng)水動(dòng)力情況達(dá)不到0.05 m/s 的標(biāo)準(zhǔn)；流量為24 和36 m3/s 時(shí)，流域內(nèi)出現(xiàn)溢流情況。綜合考慮水動(dòng)力水質(zhì)的聯(lián)合調(diào)控，設(shè)定出流量為18 m3/s 的研究方案在改善流域水動(dòng)力與水質(zhì)情況方面相對(duì)較優(yōu)。

（2）在入流量為18 m3/s時(shí)，開(kāi)新泓口閘與漲鑒碶閘（出流口2、3）的方案最優(yōu)，模擬后NH3-N的平均濃度為1.660 mg/L，流域平均流速為0.056 m/s，主要污染物NH3-N 濃度下降明顯。K值為0.034，相比較于方案1提升了30.8%。

（3）本文通過(guò)對(duì)河網(wǎng)上下游邊界的控制，結(jié)合地勢(shì)合理配置出入口的水量，達(dá)到了加大河網(wǎng)水動(dòng)力，提高河網(wǎng)自?xún)裟芰Γ纳屏饔蛩|(zhì)的效果。水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控是改善流域環(huán)境的有效手段，未來(lái)需要在枯水年、豐水年的條件下，對(duì)流域?qū)嶋H的引排水能力進(jìn)行進(jìn)一步研究。