MIKE11水動(dòng)力模塊在入河排污口設(shè)置計(jì)算中的應(yīng)用研究

李吉學(xué) 紀(jì)杰善 田在豐

（1山東省濟(jì)寧水文水資源勘測(cè)局 濟(jì)寧 272019 2山東省濟(jì)寧市任城區(qū)水務(wù)局 濟(jì)寧 272073）

MIKE11水動(dòng)力模塊在入河排污口設(shè)置計(jì)算中的應(yīng)用研究

李吉學(xué)1紀(jì)杰善1田在豐2

（1山東省濟(jì)寧水文水資源勘測(cè)局 濟(jì)寧 272019 2山東省濟(jì)寧市任城區(qū)水務(wù)局 濟(jì)寧 272073）

本文以王樓礦為研究區(qū)，在全面了解項(xiàng)目區(qū)取用水和污水排放情況的基礎(chǔ)上，采用DHI的MIKE11一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件建立了排污河段的水流、水質(zhì)數(shù)值模型，分析了入河排污口設(shè)置后污水排放對(duì)水功能區(qū)的影響范圍，對(duì)水質(zhì)、水生態(tài)、第三者權(quán)益的影響以及入河排污口設(shè)置的合理性，提出了入河排污口設(shè)置的位置和滿(mǎn)足水功能區(qū)水質(zhì)和南水北調(diào)沿線(xiàn)水質(zhì)要求的排放措施，為確保南水北調(diào)工程水質(zhì)安全，保護(hù)水環(huán)境，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

水文 入河排污口 設(shè)置 水質(zhì)模型

1 問(wèn)題的提出

開(kāi)展排污口設(shè)置及環(huán)境影響的技術(shù)研究是為更好地保護(hù)水資源，改善水環(huán)境，為促進(jìn)水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐，也是貫徹落實(shí)水利部22號(hào)令《入河排污口監(jiān)督管理辦法》和水利部水資源〔2005〕79號(hào)文《關(guān)于加強(qiáng)入河排污口監(jiān)督管理工作的通知》精神的重要體現(xiàn)。要按照水功能區(qū)的需求確定保護(hù)目標(biāo)，再核定水域納污能力，提出限制排污總量的意見(jiàn)，管理入河排污口，逐步使水域達(dá)標(biāo)。

本文以王樓礦井為項(xiàng)目區(qū)，利用丹麥DHI公司的水環(huán)境數(shù)值模擬軟件MIKE 11建立了模擬河段的水流水質(zhì)數(shù)值模擬系統(tǒng)，開(kāi)展排污口設(shè)置及環(huán)境影響的技術(shù)研究。為各級(jí)水行政主管部門(mén)審批入河排污口設(shè)置方案以及建設(shè)單位合理設(shè)置入河排污口提供科學(xué)依據(jù)。

2 水質(zhì)模型（MIKE 11）建立

水質(zhì)模型提供一種預(yù)測(cè)自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流水庫(kù)系統(tǒng)中水的物理特性、化學(xué)特性和生物特性影響的手段，廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)來(lái)自廢水處理的廢水負(fù)荷的影響，或者來(lái)自其他各種點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物負(fù)荷的影響。

通過(guò)深入分析研究區(qū)域水文氣象、自然地理、河道和水流特性以及水污染的特點(diǎn)，應(yīng)用DHI公司的水環(huán)境數(shù)值模擬軟件MIKE 11來(lái)建立模擬河段的一維水流水質(zhì)數(shù)值模擬系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)測(cè)河道大斷面資料及2004年、2005年實(shí)測(cè)水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)。應(yīng)用模型參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選方法率定水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型的參數(shù)值，進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證工作。

2.1 MIKE11軟件簡(jiǎn)介

目前，在世界上處理地表水問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)軟件中，Mike 11是最受歡迎的一個(gè)河流模擬系統(tǒng)。它是DHI20多年經(jīng)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)的結(jié)晶。以求解圣維南方程組作為理論基礎(chǔ)，并帶有對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)生態(tài)、泥沙傳輸、降雨徑流、洪水預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)操作及潰壩模擬等多種模塊。主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預(yù)報(bào)、水資源水量水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)論證均得到廣泛應(yīng)用。

主要模型有：水動(dòng)力學(xué)模型（HD model）、對(duì)流擴(kuò)散及粘性輸沙模型、非粘性沙傳導(dǎo)模型、NAM降雨徑流模型（NAMmodel）、單位線(xiàn)模型、洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型（FF）、地理信息系統(tǒng)。

2.2 建立模型

（1）水動(dòng)力模型。水動(dòng)力模型所用的描述一維非恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本方程為圣維南方程組，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

水質(zhì)方程中需要確定的參數(shù)有兩個(gè)：擴(kuò)散系數(shù)D和綜合衰減系數(shù)K。擴(kuò)散系數(shù)是反應(yīng)河流縱向混合特性的重要參數(shù)，它主要受水流條件、斷面特征及河道形態(tài)等因素的影響。污染物綜合衰減系數(shù)是對(duì)污染物在水體中物理、化學(xué)和生化反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)綜合描述，包括了河道自?xún)?、沉降、吸附等?fù)雜的反應(yīng)過(guò)程。

2.3 水流水質(zhì)模擬模型計(jì)算單元概化和模型輸入

一維水流、水質(zhì)基本方程加上實(shí)際河流的邊界情況，即構(gòu)成了研究河段的數(shù)值模擬系統(tǒng)。對(duì)于此次研究的洙趙新河梁山閘以下至南陽(yáng)湖入口河段，總長(zhǎng)度為24km，考慮到在入湖口上游500m處建有劉官屯控制閘，人為調(diào)控著洙趙新河與南陽(yáng)湖的水流連通關(guān)系，建立的一維水流水質(zhì)數(shù)值模擬模型的模擬范圍為梁山閘下至劉官屯閘位置，總模擬河段長(zhǎng)23.5km。利用收集到的26個(gè)實(shí)測(cè)大斷面資料（見(jiàn)圖1、圖2），對(duì)模擬河段進(jìn)行水下地形的數(shù)值概化，河道縱向空間計(jì)算步長(zhǎng)為500m；采用有限差分法，對(duì)水流、水質(zhì)基本方程進(jìn)行離散求解。

上邊界：采用梁山閘處實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)和梁山閘下泄流量。

糙率n也是水流數(shù)學(xué)模型中唯一需要確定的參數(shù)，它主要反映了水流、泥沙、河道特性等多種因素的綜合阻力作用。

（2）水質(zhì)模擬。描述物質(zhì)在水體中輸運(yùn)的一維非恒定流對(duì)流擴(kuò)散基本方程為：

3 模型參數(shù)率定

3.1 模型參數(shù)率定

使用2005年3月1日～11月30日實(shí)測(cè)水流資料和水質(zhì)資料進(jìn)行模型參數(shù)的率定工作。

通過(guò)模型試算，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型中的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)率定水質(zhì)模型中的參數(shù)，使兩者擬合最好，（見(jiàn)圖3～圖6）。通過(guò)參數(shù)率定，最終確定整個(gè)模擬河段內(nèi)糙率取值為n=0.028，擴(kuò)散系數(shù)D=525m2/s，BOD5綜合衰減系數(shù)K=0.003/h，CODCr綜合衰減系數(shù) K=0.0082/h。

3.2 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證計(jì)算是模型應(yīng)用前必須做的工作，它是驗(yàn)證模型可用性的重要環(huán)節(jié)。利用率定好的水流、水質(zhì)模型參數(shù)，進(jìn)行2004年水流、水質(zhì)的數(shù)值模擬，并對(duì)比分析模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。結(jié)合模型率定成果和驗(yàn)證情況，在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上，可以認(rèn)為水質(zhì)模型的參數(shù)取值還是比較合理，可以應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算。

4 水功能區(qū)水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬分析

4.1 水質(zhì)預(yù)測(cè)設(shè)定條件

預(yù)測(cè)河段上邊界來(lái)水流量受梁山閘調(diào)度控制，采用梁山閘1980～2005年26年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行頻率計(jì)算，求得頻率90%的枯水年放水量3535萬(wàn)m3，并選用最不利典型年

分別按洙趙新河現(xiàn)狀水質(zhì)條件下和規(guī)劃水質(zhì)條件下的水質(zhì)，進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，現(xiàn)狀水質(zhì)采用2004年和2005年實(shí)測(cè)水質(zhì)的平均值，規(guī)劃水質(zhì)為地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

4.2 水質(zhì)預(yù)測(cè)方法

考慮南水北調(diào)工程要求，分為調(diào)水期11月~翌年5月和汛期6~10月兩個(gè)水期。預(yù)測(cè)河段受梁山閘和劉官屯閘兩個(gè)節(jié)制閘運(yùn)用的影響，為受人控制河道，閘門(mén)調(diào)度使用對(duì)該河段水量影響較大。

在頻率90%枯水年中11月、12月和3月出現(xiàn)了上游梁山閘關(guān)閉沒(méi)有下泄水量的情況，同時(shí)考慮到冬季1月、2月存在的河道封冰情況，對(duì)調(diào)水期間11月~翌年3月采用完全混合水質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算，從偏安全角度出發(fā)，不考慮污染物降解作用。

調(diào)水期4月、5月，頻率90%枯水年中梁山閘有少量放水，同時(shí)存在農(nóng)業(yè)灌溉用水，模擬河段呈現(xiàn)一定流動(dòng)狀態(tài)，采用一維非恒定流水質(zhì)模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算。

汛期6～10月劉官屯閘開(kāi)啟泄洪放水，洙趙新河與南陽(yáng)湖連通，一維流動(dòng)特征比較明顯，采用一維非恒定流水質(zhì)模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算。

排污條件：排污口作為源項(xiàng)處理，考慮排污口布設(shè)在距離入湖口 1km、2km、3km、5km、10km、15km、20km等 7種情況；廢污水為連續(xù)均勻排放，排放濃度考慮經(jīng)處理后正常排放濃度和異常未處理污水濃度兩種情況。

4.3 計(jì)算工況

根據(jù)南水北調(diào)工程要求，水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算中分為調(diào)水期和汛期兩個(gè)水期。按照采用的水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算方法不同，將調(diào)水期分為11月～翌年3月、4～5月兩個(gè)時(shí)期。在不同計(jì)算水期水質(zhì)預(yù)測(cè)中，分別考慮河道本底水質(zhì)為現(xiàn)狀水質(zhì)和規(guī)劃水質(zhì)兩種狀態(tài)，排污口布設(shè)在距離入湖口1km、2km、3km、5km、10km、15km、20km位置，排污水平為正常排放和事故排放兩種情況，共有58種計(jì)算工況。

4.4 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)上述58種計(jì)算工況下，王樓礦井入河排污口設(shè)置從不同水期模擬計(jì)算結(jié)果分析，排污口設(shè)置后對(duì)洙趙新河水質(zhì)沒(méi)有明顯的影響。在正常排污條件下，污染物濃度貢獻(xiàn)率BOD5為0.03 mg/L左右，CODcr為0.06 mg/L左右。在上游來(lái)水符合功能區(qū)地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)時(shí)，在正常排污和事故排污條件下，洙趙新河CODcr和BOD5濃度值均不超過(guò)Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)洙趙新河水功能區(qū)（水域）水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和第三者權(quán)益不會(huì)造成影響。

5 結(jié)語(yǔ)

水污染防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面廣，治理難度大，為確保東線(xiàn)工程水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，必須加強(qiáng)入河排污口的監(jiān)督管理。要通過(guò)法律、行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和工程等綜合措施，實(shí)施以節(jié)水為本，清潔生產(chǎn)，治污為先，配套截污導(dǎo)流、污水資源化和流域綜合整治工程，形成“治理、截流、導(dǎo)流、回用、整治”一體化的治污工程體系，實(shí)現(xiàn)污水資源化。

MIKE11水動(dòng)力模塊在入河排污口設(shè)置計(jì)算中的應(yīng)用是采用MIKE11一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件，運(yùn)用有限差分法對(duì)圣維南方程組進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)模擬河段進(jìn)行水下地形的數(shù)值概化，對(duì)水流、水質(zhì)基本方程進(jìn)行離散求解。解決了南四湖湖西河道由于地形復(fù)雜，長(zhǎng)期無(wú)法率定參數(shù)建立水流水質(zhì)模型的難題，解決了投資2.635億元、設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力45萬(wàn)t的王樓礦井入河排污口設(shè)置的難題，既滿(mǎn)足了生產(chǎn)急需，又保護(hù)了南四湖的水環(huán)境，同時(shí)促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，為山東省排污口設(shè)置管理提供了科學(xué)的技術(shù)方法。MIKE11水動(dòng)力模塊為促進(jìn)入河排污口設(shè)置的規(guī)范化管理，優(yōu)化水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益巨大，具有重大的推廣應(yīng)用價(jià)值