基于MIKE11的毛河流域水環(huán)境容量計(jì)算研究

王嘯天，逄 勇，2，吳昌淦，柴霽森

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

引 言

毛河發(fā)源于四川省眉山市彭山區(qū)保勝鄉(xiāng)，流經(jīng)彭山區(qū)謝家鎮(zhèn)、義和鄉(xiāng)、鳳鳴街道和東坡區(qū)太和鎮(zhèn)鎮(zhèn)江街道，最終于太和鎮(zhèn)獅子灣村匯入岷江。毛河全長(zhǎng)42km，流域面積162km2，是四川省眉山市重要河流之一。眉山市毛河流域多年來(lái)水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，阻礙區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展[1]。因此，為了眉山市后續(xù)發(fā)展規(guī)劃以及指定相應(yīng)污染物控制措施，有效確定責(zé)任主體，保障毛河流域水質(zhì)改善以及可持續(xù)發(fā)展，對(duì)毛河流域水環(huán)境容量進(jìn)行分期計(jì)算，有利于為區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)入河污染物影響的研究，目前一般采用數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬研究?，F(xiàn)如今有多種商業(yè)模型軟件能夠?qū)θ牒游廴疚镞M(jìn)行影響分析計(jì)算，目前較為廣泛的有MIKE系列、EFDC、SWAT、Delft 3D等[2～5]。MIKE水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)模型構(gòu)建過(guò)程中結(jié)合水動(dòng)力模型與水質(zhì)變化模型，結(jié)合有數(shù)據(jù)處理分析以及模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示等多種功能，能夠?qū)Χ喾N不同情況的水文水質(zhì)條件進(jìn)行模擬計(jì)算，是目前應(yīng)用較廣較為可信的模型預(yù)測(cè)軟件之一[6-7]。 水環(huán)境容量指在規(guī)定的水環(huán)境保護(hù)指標(biāo)情況下水體所能接收的污染物的最大負(fù)荷量，具有資源性、時(shí)空性、系統(tǒng)性和動(dòng)態(tài)性四個(gè)基本特征[8]。對(duì)于水環(huán)境容量的計(jì)算通常采用固定水文條件通過(guò)計(jì)算得到全年水體的最大污染物負(fù)荷量，具有一定局限性，容易造成過(guò)度削減排放指標(biāo)造成過(guò)度管控從而影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。本文采取利用模型模擬結(jié)果與實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境結(jié)合，掌握流域水體不同時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，對(duì)河流水環(huán)境容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，為水環(huán)境污染管理措施提供幫助。本研究利用MIKE11模型中的水動(dòng)力及水質(zhì)模型，建立四川省眉山市毛河流域的一維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬不同時(shí)期毛河流域入河污染物進(jìn)入毛河水體后污染分布以及擴(kuò)散情況，分析其對(duì)毛河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果掌握不同時(shí)期毛河流域水質(zhì)情況，為水環(huán)境容量計(jì)算提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

本文研究區(qū)域?yàn)樗拇ㄊ∶忌绞忻恿饔颍尤L(zhǎng)42km，流域面積162km2。毛河流域流經(jīng)山地、林地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)，具有多種不同的污染物入河情況。城鎮(zhèn)區(qū)域彭山區(qū)以雨污合流制為主，降雨期間雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)，造成生活污水溢流入河現(xiàn)象。根據(jù)《眉山市市級(jí)水功能區(qū)區(qū)劃》(2018年),毛河干流分為四個(gè)水功能區(qū)，從源頭到毛河橋段為毛河彭山保留區(qū)，從毛河橋至鎮(zhèn)江段為毛河彭山工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，從鎮(zhèn)江至太和大道為毛河?xùn)|坡排污控制區(qū)，從太和大道至河口段為毛河?xùn)|坡過(guò)渡區(qū)，毛河上唯一的重點(diǎn)考核斷面為橋江橋省考斷面，位于東坡過(guò)渡區(qū)。除排污控制區(qū)外各水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)均為Ⅲ類。水功能區(qū)信息見(jiàn)表1。

表1 毛河水功能區(qū)劃信息Tab.1 Functional zoning of water of Maohe River (km)

毛河流域控制斷面多為行政交界斷面，各控制斷面信息詳見(jiàn)表2。

表2 控制斷面信息一覽Tab.2 Schedule of control sections

2 研究方法及資料來(lái)源

2.1 一維水動(dòng)力模型基本方程

水量計(jì)算的微分方程是建立在質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組，以流量Q(x，t)和水位Z(x，t)為未知變量，并補(bǔ)充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為：

(1)

式(1)中：Q為流量；x為沿水流方向空間坐標(biāo)；BW為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；Z為水位；t為時(shí)間坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；u為斷面平均流速；g為重力加速度；A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；B為主流斷面寬度；n為糙率；R為水力半徑。

對(duì)上述方程組以Preissmann四點(diǎn)線性隱式差分格式將其離散，輔以連接條件，形成河道方程，以微段、河段、汊點(diǎn)三級(jí)聯(lián)解的方法求解，三級(jí)聯(lián)合解法求解平原河網(wǎng)水力特性的基本思路可概括為：“單一河道—連接節(jié)點(diǎn)—單一河道”。即將整個(gè)河網(wǎng)看成是由河道及節(jié)點(diǎn)組成，先將各單一河道劃分為若干計(jì)算斷面，在計(jì)算斷面上對(duì)Saint-Venant方程組進(jìn)行有限差分運(yùn)算，得到以各斷面水位及流量為自變量的單一河道差分方程組；然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件輔以邊界條件形成封閉的各節(jié)點(diǎn)水位方程，求解此方程組的各節(jié)點(diǎn)水位，再將各節(jié)點(diǎn)水位回代至單一河道方程，最終求得各單一河道各微斷面水位及流量。另外采用Muler法給出的嵌套迭代法提高計(jì)算精度。

2.2 水質(zhì)模型基本方程

河網(wǎng)對(duì)流傳輸移動(dòng)問(wèn)題的基本方程表達(dá)如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程,式(3)是河道叉點(diǎn)方程。式中Q、Z是流量及水位;A是河道面積;Ex是縱向分散系數(shù);C是水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω是河道叉點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積;j是節(jié)點(diǎn)編號(hào);I是與節(jié)點(diǎn)j相聯(lián)接的河道編號(hào);Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng),Sc=KdAC;Kd是衰減因子;S是外部的源或匯項(xiàng)。對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用向前差分,對(duì)流項(xiàng)采用上風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。

2.3 水環(huán)境容量計(jì)算方法

根據(jù)水環(huán)境容量的基本概念,利用科學(xué)公式計(jì)算水環(huán)境容量成為了計(jì)算水環(huán)境容量的基本方法。隨著研究人員對(duì)水環(huán)境容量的深入研究,結(jié)合水動(dòng)力水質(zhì)模型的搭建,公式法逐漸完善。公式法主要分為總標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法和控制斷面達(dá)標(biāo)法。本文水環(huán)境容量計(jì)算采用控制斷面達(dá)標(biāo)法。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀污染物入河量分析以及模型模擬計(jì)算結(jié)果,計(jì)算得到考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)各概化排口最大允許排放量。[10]

(4)

選取90%保證率作為設(shè)計(jì)水文條件。采用P-Ⅲ型曲線對(duì)近年雨量站逐月降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行頻率分析,得到不同時(shí)期降雨情況的典型年份。結(jié)合典型年份中不同月份的降雨情況,設(shè)定水動(dòng)力模型中的邊界條件。結(jié)合Mike11模型模擬結(jié)果利用控制斷面達(dá)標(biāo)法計(jì)算水環(huán)境容量。

2.4 資料來(lái)源

2.4.1 水文資料來(lái)源

毛河流域內(nèi)有彭山、謝家、江漁等雨量站，但除彭山站外均為近年新建，無(wú)長(zhǎng)期降雨資料，因此分析毛河流域的徑流量主要依據(jù)彭山站2001～2021年降雨資料。通過(guò)對(duì)2001～2021年彭山站年降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析，繪制得到年降雨量頻率曲線見(jiàn)圖1，分析計(jì)算成果見(jiàn)表3。

由計(jì)算結(jié)果可知，毛河流域50%水文保證率下的年降雨量為936.84 mm，其典型年為2012年，流域地表徑流水資源量為6131萬(wàn)m3；90%保證率下的年降雨量為784.46 mm，其典型年為2009年，流域地表徑流水資源量為5134萬(wàn)m3。

表3 毛河流域多年降雨量分析計(jì)算成果Tab.3 Analysis and calculation results of annual rainfall in Maohe River Basin

圖1 彭山站2001～2021年降雨量頻率曲線Fig.1 Curve of rainfall frequency obtained at Pengshan station from 2001 to 2021

基于典型年降雨條件，設(shè)定水動(dòng)力模型邊界條件。

按照2021年匯入毛河流域的彭山舊城區(qū)生活污水接管率情況，結(jié)合表4典型年逐月降雨量情況可知，6～9月降雨量較高，屬于降雨明顯期；而10、11月降雨量處于中等水平，且接管率較低，因此屬于溢流影響期；結(jié)合新津站近三年逐月平均引水流量情況(表4)可知，3～6月引水流量較大，且施肥集中，因此屬于灌溉退水期。

表4 典型年逐月降雨量及新津站近三年逐月平均引水量信息Tab.4 Typical monthly rainfall and average monthly water diversion obtained at Xinjin Station in the last three years

2.4.2 水質(zhì)資料來(lái)源

水質(zhì)資料來(lái)源于眉山市彭山生態(tài)環(huán)境局，所提供水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為毛河、毛河各支流、通濟(jì)堰以及各灌溉渠道逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，其中毛河干流、通濟(jì)堰及湄洲河的水質(zhì)資料時(shí)間為2018～2021年，張溝、白馬河、紅塔寺泄洪渠等支流及向筒支渠等灌溉渠道的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作于2021年剛起步，因此支流及灌溉支渠的水質(zhì)資料僅為2021年。

污染源數(shù)據(jù)根據(jù)彭山區(qū)、東坡區(qū)2019年統(tǒng)計(jì)人口、耕地面積、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況等相關(guān)資料，以及環(huán)保部門提供的近年污染源普查資料、環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料，得到毛河流域2街道2個(gè)鎮(zhèn)工業(yè)、污水處理廠、人口、養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)等信息。

3 模型及計(jì)算結(jié)果

3.1 模型河網(wǎng)構(gòu)建及污染源概化

毛河流域內(nèi)排水溝、灌溉渠眾多，互相交織，考慮到模型模擬的簡(jiǎn)潔性，需要對(duì)該區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行概化。保留主要河道，對(duì)次要的河道則根據(jù)等效原理歸并為單一河道和節(jié)點(diǎn)，使概化前后河道的輸水能力、調(diào)蓄能力不變。概化后河道為水平底坡，橫截面為梯形；概化河道為斷面及高程參考《四川省眉山市毛河彭山區(qū)河段河湖管理范圍劃定報(bào)告(2018年)》中的地形及控制斷面測(cè)量結(jié)果。模型構(gòu)建范圍內(nèi)毛河流域河網(wǎng)概化結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 毛河流域河網(wǎng)概化圖Fig.2 Sketch map of river network in Maohe River Basin

基于研究區(qū)域污染源分析結(jié)果，并結(jié)合毛河流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件、入河污染源空間分布等情況，對(duì)毛河流域污染源進(jìn)行概化。概化遵循傳統(tǒng)污染源概化原則，考慮了人口聚集地、工業(yè)及污水處理廠入河排污口、農(nóng)業(yè)面源污染源。最終得到一級(jí)概化排污口25個(gè)以及二級(jí)概化排污口14個(gè)，概化排污口具體信息見(jiàn)表5及表6，位置分布見(jiàn)圖3。

圖3 毛河流域河網(wǎng)模型概化排口位置分布圖Fig.3 Location map of drainage outlet in river network model for Maohe River Basin

表5 毛河流域一級(jí)概化排口排污信息Tab.5 Pollution discharge at Level I general discharge outlets of Maohe River Basin

表6 毛河流域二級(jí)概化排口排污信息Tab.6 Pollution discharge at Level II general discharge outlets of Maohe River Basin

3.2 模型率定結(jié)果

在設(shè)定的水文條件及污染源條件下，2020年降雨情況與典型年2009年相近且2020年資料時(shí)效性強(qiáng)，因此選取2020年上半年橋江橋省考斷面的逐月流量資料進(jìn)行模型水動(dòng)力模塊的參數(shù)率定，運(yùn)用該點(diǎn)下半年流量資料進(jìn)行驗(yàn)證，率定得到毛河河道糙率為0.033～0.035。率定期橋江橋斷面流量實(shí)測(cè)值與模擬值的平均相對(duì)誤差為11.6%，驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為13.2%，說(shuō)明模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，參數(shù)設(shè)置較為合理，能夠較好地模擬毛河流域的水動(dòng)力特性。

選取2020年上半年橋江橋、謝家-鳳鳴斷面、彭山-東坡斷面的逐月水質(zhì)資料進(jìn)行模型物質(zhì)傳輸模塊的參數(shù)率定，并運(yùn)用這3個(gè)斷面下半年水質(zhì)資料進(jìn)行驗(yàn)證，率定得到COD、氨氮及總磷的降解系數(shù)分別為0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各斷面水質(zhì)因子模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，其中橋江橋斷面COD最大相對(duì)誤差為17.0%，氨氮為22.8%，總磷24.2%；謝家-鳳鳴斷面COD最大相對(duì)誤差為10.7%，氨氮23.3%，總磷19.3%；彭山-東坡斷面COD最大相對(duì)誤差為18.6%，氨氮23.4%，總磷14.9%。驗(yàn)證情況表明本次構(gòu)建的毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能夠較好模擬流域水質(zhì)變化情況。模型誤差情況見(jiàn)表7，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況見(jiàn)圖4～6。

表7 模型水質(zhì)率定結(jié)果Tab.7 Calibrated water quality results indicated by model

圖4 橋江橋斷面模型計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比圖Fig.4 Comparison between calculated and actual values of model for Qiaojiangqiao section

圖5 謝家-鳳鳴斷面模型計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比圖Fig.5 Comparison between calculated and actual values of model for Xiejia-Fengming section

圖6 彭山-東坡斷面模型計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比圖Fig.6 Comparison between calculated and actual values of model for Pengshan-Dongpo section

3.3 水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.3節(jié)計(jì)算方法、計(jì)算條件及污染源削減潛力分析，利用毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型試算得到典型年2009年各月滿足各控制斷面水質(zhì)目標(biāo)的最大允許排污量，詳見(jiàn)表8。

表8 基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation results of environment capacity of water of Maohe River Basin with acceptable water quality at main control sections (t)

根據(jù)表8可知，基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量為COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、總磷22.2 t/a，現(xiàn)狀COD、氨氮及總磷分別需要削減22.8 t/a、4.9 t/a、4.8 t/a，總體最大削減率為17.8%，其中3～5月及10～11月削減率相對(duì)較高。由于3～6月為施肥較集中的時(shí)期，農(nóng)田退水污染負(fù)荷較大，因此所需削減量較高，但6月降雨量較高，削減率相對(duì)低于灌溉退水期其他月份；10～11月由于城區(qū)溢流導(dǎo)致現(xiàn)狀排放量較大，所需削減量較高。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)利用Mike11模型計(jì)算毛河流域不同時(shí)期水環(huán)境容量的研究，主要得出如下結(jié)論：

(1)率定得到毛河河道糙率為0.033～0.035。率定期橋江橋斷面流量實(shí)測(cè)值與模擬值的平均相對(duì)誤差為11.6%，驗(yàn)證期平均相對(duì)誤差為13.2%，說(shuō)明模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高，參數(shù)設(shè)置較為合理，能夠較好地模擬毛河流域的水動(dòng)力特性。率定得到COD、氨氮及總磷的降解系數(shù)分別為0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各斷面水質(zhì)因子模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，其中橋江橋斷面COD最大相對(duì)誤差為17.0%，氨氮為22.8%，總磷24.2%；謝家-鳳鳴斷面COD最大相對(duì)誤差為10.7%，氨氮23.3%，總磷19.3%；彭山-東坡斷面COD最大相對(duì)誤差為18.6%，氨氮23.4%，總磷14.9%。驗(yàn)證情況表明本次構(gòu)建的毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能夠較好模擬流域水質(zhì)變化情況。

(2)根據(jù)模型模擬結(jié)果，利用控制斷面達(dá)標(biāo)法計(jì)算毛河流域水環(huán)境容量，計(jì)算得到基于主要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的毛河流域水環(huán)境容量為COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、總磷22.2 t/a。結(jié)果可為對(duì)毛河流域的水污染治理和制定未來(lái)水環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)。