基于MIKE11的城市河網(wǎng)雨水徑流污染模擬研究

王晨婉 李笑晉 （天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院 天津 300384)

張會 高丹 （山東省濟南市排水管理服務(wù)中心 山東濟南 250100)

雨水徑流污染是城市河道水環(huán)境污染的重要因素。在降雨過程中，雨水及所形成的徑流排入河流，對地表水乃至地下水造成污染。污染的發(fā)生具有隨機性、污染物排放不確定性、污染負荷的時空差異性以及監(jiān)測、控制、管理難度大等特點。目前，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型研究流體水量水質(zhì)特性成為各種研究機構(gòu)和管理部門的重要方式，通過建立河道污染數(shù)學(xué)模型，了解流體的紊動輸移規(guī)律和污染物在水體中的輸移擴散規(guī)律，從而進行合理的污染物濃度預(yù)測。我國在城市雨水徑流污染模型研究方面己經(jīng)取得了一定有價值的研究成果。[1，2]

本文旨在通過監(jiān)測雨水徑流及受納水體的水量水質(zhì)，基于河道模擬軟件MIKE11，模擬河道水量水質(zhì)的變化規(guī)律，探究建立排入雨水情況與受納水體之間的內(nèi)在關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合雨水水質(zhì)水量，對降雨形成的污染物遷移擴散進行預(yù)測預(yù)報。該研究能夠為水污染預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，可提高城市主管部門應(yīng)對轄區(qū)內(nèi)水環(huán)境各類風(fēng)險預(yù)警和水污染防治的科學(xué)決策能力。

1 研究河網(wǎng)概況

研究河網(wǎng)位于濟南市老城區(qū)內(nèi)，所在河系是一條南北向貫通的河道，上游為羊頭峪東溝，中游為歷山路邊溝，下游為研究河網(wǎng)。上游羊頭峪東溝起源于濟南千佛山山脈，下游匯入小清河。研究河網(wǎng)現(xiàn)狀河形比較規(guī)整，斷面為矩形河床，全長為13.2km，河系匯水面積17.78km2。研究河網(wǎng)屬于典型的城市河流，它是濟南市中心城區(qū)主要排洪河道，近年來受河道侵占、棚蓋及雨污混流的影響，河水流動性差，河道污染嚴(yán)重，行洪斷面嚴(yán)重不足，防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為20年一遇。[3]

研究河網(wǎng)由一條主干流及左右兩條分支組成，如圖1所示，主干流長約8400m，左支流長約2200m，右支流長約3000m。研究河網(wǎng)兩側(cè)居民區(qū)較多，排污口較多，水流動性差，且相對集中，非常具有代表性。

圖1 研究河段的河網(wǎng)形狀

2 研究河網(wǎng)水力水質(zhì)模型（MIKE11）的建立

MIKE11是由DHI公司研究和開發(fā)的用于水體模擬的軟件，并帶有對流擴散、水質(zhì)生態(tài)、泥沙傳輸、降雨徑流、洪水預(yù)報、實時操作及潰壩模擬等模塊。

2.1 水動力模型

2.1.1 HD水動力模型簡介 河網(wǎng)水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息，并模擬泵站和閘門調(diào)度規(guī)則對河道水文條件的影響，為水質(zhì)模型提供基礎(chǔ)信息。水動力學(xué)模型采用的是MIKE11HD模型，[4]基本原理為圣維南方程組。其差分格式采用了六點中心隱式格式，數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的追趕法，即雙掃算法。計算網(wǎng)格由水位點和流量點交叉組成，[5,6]圣維南方程組為：

式中：Q為流量；A為斷面面積；q為旁側(cè)入流；h為水深；C為謝才阻力系數(shù)；R為水力半徑；α為動量系數(shù)，一般取值為1。

2.1.2 水動力模型的構(gòu)建 根據(jù)實測的水文要素信息進行流域描述、河道斷面形狀定義、模型邊界的水文數(shù)據(jù)輸入及填加水工構(gòu)筑物，完成水動力模型構(gòu)建。首先依據(jù)現(xiàn)有地形圖進行河網(wǎng)概化，其原則是能基本反映天然河網(wǎng)的水力特性，即概化后河網(wǎng)、湖泊的輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致。[7]其次，定義河網(wǎng)斷面文件，確定河道相關(guān)參數(shù)。本文中進行河道形狀定義主要考慮以下因素：河道形狀定義為梯形；參照資料文獻定義河底高程。通過河網(wǎng)斷面文件的輸入，結(jié)合河網(wǎng)文件，完成模擬河網(wǎng)的物理形狀。本文中河道形狀較規(guī)則，坡度變化不大。河流初始條件和河床糙率n，也是水流數(shù)學(xué)模型中需要確定的參數(shù)。河床糙率主要反應(yīng)了水流、泥沙、河道特性等多種因素的綜合阻力作用，[8]依據(jù)相關(guān)參考文獻，河網(wǎng)初始水深設(shè)為0.3m，由于河流底部比較均勻，設(shè)置糙率值（n）為0.025。再次，設(shè)定邊界條件及模擬時間。結(jié)合研究河網(wǎng)的河道斷面資料、2011年實測水文數(shù)據(jù)及相關(guān)研究資料，確定研究河網(wǎng)的水位與流量。設(shè)定模擬時間為24h，其中排放雨水前模擬時間9h，排放雨水模擬時間2h，排放雨水后模擬時間13h。時間步長為1min，即每分鐘記錄一次模擬結(jié)果。到此就完成水動力模擬文件的輸入。最后，結(jié)合模擬結(jié)果及實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定并調(diào)整水動力模型的參數(shù)值，完成水動力模型的構(gòu)建。

2.1.3 水動力模擬結(jié)果 水動力模擬結(jié)果可以觀察河網(wǎng)水位流量、斷面水位等水力參數(shù)的變化情況。圖2和圖3分別為研究河網(wǎng)的水位和流量動態(tài)模擬結(jié)果。

圖2 研究河網(wǎng)水位動態(tài)模擬

圖3 研究河網(wǎng)流量動態(tài)模擬

圖4為研究河網(wǎng)某一時刻的縱截面水位圖，藍綠色部分代表河道此刻的水位情況，紅色間斷線表示模擬區(qū)間水位最大值。研究河網(wǎng)流量較穩(wěn)定，因此水位模擬結(jié)果隨時間變化不大，藍綠色部分的最大值與紅色間斷線的距離很近。

圖4 研究河網(wǎng)主干流水位動態(tài)模擬

2.2 水質(zhì)模型的構(gòu)建

2.2.1 AD水質(zhì)模型的簡介 MIKE11AD可對水體中的可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)對流擴散過程進行模擬，根據(jù)HD模塊產(chǎn)生的水動力條件，應(yīng)用對流擴散方程進行計算。一維河流水質(zhì)模型的基本方程為：

式中：C為模擬水質(zhì)指標(biāo)濃度；D為擴散系數(shù)；Q為流量；A為斷面面積；K為綜合衰減系數(shù)；C2為源匯項濃度；q為旁側(cè)入流。

水質(zhì)方程中需要確定的參數(shù)有兩個：擴散系數(shù)D和綜合衰減系數(shù)K。

2.2.2 水質(zhì)模型建立 擴散系數(shù)D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，這里采用經(jīng)驗值5m2/s。

污染物綜合衰減系數(shù)K是對污染物在水體中物理、化學(xué)和生化反應(yīng)過程的一個綜合描述，包括了河道自凈、沉降及吸附等復(fù)雜的反應(yīng)過程。本文中分別在黃臺南路邊溝西口南岸、柳行河中斷四號橋北河西側(cè)、南全福大街、柳行河北頭一號橋北河西側(cè)這4個站點，進行表面取水的實測數(shù)據(jù)，運用DRB200反應(yīng)器、分光光度計等儀器監(jiān)測。依據(jù)實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于MIKE11軟件的數(shù)學(xué)原理，確定COD的衰減系數(shù)為0.12/d，NH3-N的衰減系數(shù)為0.08/d。

2.2.3 水質(zhì)模擬結(jié)果 將基于MIKE11模型的模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值進行對比。從圖5、圖6可以看出：隨著研究河網(wǎng)主河道長度的增加，COD值和NH3-N值整體是呈緩慢下降的趨勢，在主河道2400m和4000m左右COD值和NH3-N值驟然上升是由于左右支流匯入的緣故。模擬結(jié)果表明，模擬值與實測值基本吻合，可為河網(wǎng)水質(zhì)模型和暴雨模擬計算提供準(zhǔn)確的水質(zhì)條件。

圖5 研究河網(wǎng)的COD率定結(jié)果

圖6 研究河網(wǎng)的NH3-N率定結(jié)果

3 暴雨模擬與分析

3.1 暴雨模擬

研究河網(wǎng)上游主河道西側(cè)2400m處（膠濟鐵路南邊）設(shè)有雨水排水口，該排水口建有雨水泵站，雨水排放量較大。本文針對夏季暴雨模擬研究河網(wǎng)水量變化及污染物的遷移規(guī)律。模擬暴雨由上午9點開始歷時2小時，至11時結(jié)束，基于MIKE 11軟件構(gòu)建的河網(wǎng)模型，預(yù)測暴雨事件造成的河道污染的危害范圍、時間與程度。

3.2 模擬結(jié)果與分析

圖7 研究河網(wǎng)主河道COD的變化情況，高線與低線分別代表河道擬時段內(nèi)COD濃度最大值與最小值，中間線為模擬時刻的COD濃度情況

圖8 研究河網(wǎng)主河道NH3-N的變化情況，高線與低線分別代表河道擬時段內(nèi)NH3-N濃度最大值與最小值，中間線為模擬時刻的NH3-N濃度情況

由圖7、圖8可以看出：在降雨開始初期，雨水及所形成的徑流流經(jīng)城市地面等沖刷、聚集了一系列污染物，研究河網(wǎng)在雨水口處污染物急劇增加并向下游擴散達到縱坐標(biāo)最高線，見圖7（b）及圖8（b）；在11:00降雨停止后，污染物繼續(xù)向中下游擴散，研究河網(wǎng)主河道中下游的COD、NH3-N含量持續(xù)增加，見圖7（c）與圖8（c）；隨著時間的推移和左右支流流量的匯入，由于河流本身的自凈和納污能力，研究河網(wǎng)中下游河道污染物的濃度逐漸下降，在15:00左右研究河網(wǎng)河道污染物濃度達到穩(wěn)定，之后基本保持穩(wěn)定，見圖7（d）與圖8（d）。模擬結(jié)果顯示，暴雨結(jié)束4個小時后，暴雨引起的河網(wǎng)水質(zhì)惡化影響逐漸消除，河網(wǎng)水質(zhì)恢復(fù)到暴雨前的狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)研究河網(wǎng)實測資料與歷史數(shù)據(jù)，基于MIKE11軟件構(gòu)建了河流水動力與主要水質(zhì)指標(biāo)COD、NH3-N遷移規(guī)律模型；并利用實測數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證，模擬值和實測值吻合良好，該模型能夠準(zhǔn)確模擬研究河網(wǎng)水量水質(zhì)情況。

在模型基礎(chǔ)上，進一步模擬城市暴雨對研究河網(wǎng)河道的影響規(guī)律，模型結(jié)果顯示：受降雨影響河道水環(huán)境質(zhì)量惡化，相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)劇增，在位于膠濟鐵路南邊河西側(cè)的雨水口處，NH3-N值由 1.3mg/L增加到最高達 4.4mg/L，COD值由21mg/L增加到最高達46.2mg/L，由于前期雨水的污染物含量較大，因此排入河網(wǎng)雨水后，河網(wǎng)污染物的含量迅速增高；后期雨水帶來的污染物較少，此刻河網(wǎng)整體的污染物濃度逐漸降低，暴雨影響持續(xù)4個小時之后，在河道自凈作用下水質(zhì)質(zhì)量恢復(fù)正常；模擬結(jié)果與實測值相符。該模型能夠用于降雨徑流對研究河網(wǎng)水量水質(zhì)影響的預(yù)測。

城市水環(huán)境系統(tǒng)預(yù)測是城市水環(huán)境管理的重要手段和決策依據(jù)，它是利用先進的信息技術(shù)，建立城市河道信息發(fā)布系統(tǒng)和應(yīng)急處置體系，以有效支撐城市水環(huán)境的科學(xué)保護。針對突發(fā)的暴雨，預(yù)測的時間越短，就越能提高應(yīng)急處置的主動性和及時性，減少災(zāi)害損失。此外，河道水環(huán)境預(yù)測河道水污染控制系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)分析、截流前期雨水方案制定及河網(wǎng)污染控制管理具有重要意義?！?/p>

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