基于MIKE11 的遼河流域一維水質(zhì)模型

朱茂森

(遼寧省水文水資源勘測局，遼寧沈陽 110003)

遼河流域位于中國東北地區(qū)，是我國七大流域之一，遼河流域總面積22.9 萬km2，河長1 390 km，地跨河北、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧等4 省(區(qū))，其中遼寧省境內(nèi)流域面積6.92 萬km2，是遼寧省最大的流域［1］。由于遼河流域的氣候極端，降水量少，水資源總量為235.11 億m3，水資源時(shí)空分布不均，其中遼河中下游的遼寧省水資源人均占有量為885 m3，僅為全國人均占有量的1/3。多年來該地區(qū)地下水超采，生態(tài)系統(tǒng)退化，流域的水質(zhì)污染嚴(yán)重，90%的排污控制斷面水質(zhì)超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，造成環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響人民生活和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展［2］。因此，保護(hù)好有限的水源水質(zhì)顯得尤為重要。

筆者利用MIKE11 軟件對遼河上游福德店到通江口段進(jìn)行水動力模擬，在驗(yàn)證用MIKE11 軟件建立遼河流域水動力模型的可行性的基礎(chǔ)上建立河流一維水質(zhì)模型。計(jì)算結(jié)果可應(yīng)用于遼河流域污染物排放限值的制定，并且對污染物遷移擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化的模擬、檢驗(yàn)水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)和水環(huán)境容量控制等均具有重要意義。

1 MIKE11 軟件簡介

MIKE 11 是一款多功能的一維水動力學(xué)軟件，以求解圣維南(Saint-Venant)方程組作為理論基礎(chǔ)［3］，帶有水文模型，含對流擴(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)操作等多種模塊，并可與丹麥水利研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)開發(fā)的其他分析模型交互運(yùn)用。MIKE 11 軟件中的水動力模型采用隱式有限差分格式模擬河流的非穩(wěn)定水流運(yùn)動，模型應(yīng)用能夠自適應(yīng)河道內(nèi)在時(shí)間和空間水流條件的數(shù)值計(jì)算方案，很好地描述河流的各種水流環(huán)境。水質(zhì)生態(tài)模型可用于描述水生態(tài)系統(tǒng)中多種物質(zhì)的相互作用和形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，該模型可以與水動力學(xué)模型、傳輸擴(kuò)散模型進(jìn)行耦合，將對流擴(kuò)散的傳輸激勵與生物化學(xué)反應(yīng)整合于水生態(tài)的模擬［4］。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)率定

2.1 河網(wǎng)文件及斷面形狀的建立

河網(wǎng)形狀根據(jù)GIS 數(shù)值地圖確定。模擬河段為福德店水文站到下游通江口水文站的遼河干流(圖1)。收集模擬河段斷面起始距x 與河床高程z 的數(shù)據(jù)［5-6］，按照特定格式編輯成文本文件，導(dǎo)入MIKE11，即可生成斷面文件。

圖1 模擬河段及水文測站分布

2.2 時(shí)間序列文件的建立

時(shí)間序列文件包括水位、流量、濃度、降雨、太陽輻射等。對于同樣的時(shí)間軸，也可以將不同類型的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)時(shí)間序列文件內(nèi)。按照枯水期、平水期和豐水期，將典型年的1—3 月、10—12 月定為枯水期，4—5 月定為平水期，6—9 月定為豐水期，分別建立時(shí)間序列文件。

2.3 邊界條件的建立

邊界條件包括外部邊界和內(nèi)部邊界條件，所謂外部邊界就是模型中那些不與其他河段相連的河段端點(diǎn)(即自由端點(diǎn))，物質(zhì)流出此處即意味著流出模型區(qū)域，流入也必然是從模型外部流入。這些地方必須給定某種水文條件(如流量、水位等)，否則模型無法計(jì)算。所謂內(nèi)部邊界是指從模型內(nèi)部河段某點(diǎn)或某段河長流入或流出模擬河段的地方，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。內(nèi)部邊界條件會影響模擬結(jié)果的可靠性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。此次模擬只設(shè)置了河段兩端的邊界條件，加入水質(zhì)生態(tài)模塊時(shí)在邊界條件加上污染物濃度，中間段的取水排水等因素暫不考慮。

2.4 模型參數(shù)文件的建立

需要設(shè)置的參數(shù)有初始水位、流量、河床糙率，選擇圣維南方程的簡化方程，附加輸出結(jié)構(gòu)和引擎程序的參數(shù)。原則上初始水位和流量的設(shè)定應(yīng)盡可能與模擬開始時(shí)刻的實(shí)際河網(wǎng)水動力條件一致。

2.5 水質(zhì)生態(tài)模塊的建立

遼河流域進(jìn)入河流的污染負(fù)荷主要來源于生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)，多采用4 級水質(zhì)模塊進(jìn)行基本水質(zhì)指標(biāo)的模擬和率定。4 級水質(zhì)模塊包含的狀態(tài)變量有DO、BOD5、溫度、NH3-N;主要常數(shù)有降解系數(shù)、溫度系數(shù)、沉降和再懸浮速率、沉降臨界速率、產(chǎn)氧速率、呼吸速率、底泥需氧量、耗氧速率、N/P 產(chǎn)率和被吸收速率、反應(yīng)級數(shù)、硝化/反硝化速率等。

2.6 模型參數(shù)的率定

在率定過程中，需要不斷調(diào)整各子流域的參數(shù)值，直到計(jì)算徑流與流域出口實(shí)測流量擬合較好，或者過程線的形狀大致吻合為止。表1 列出了模型主要率定參數(shù)及其取值范圍。

MIKE11 降雨徑流模型帶有一個(gè)自動率定程序，通常利用該模型參數(shù)自動優(yōu)選與人機(jī)交互相結(jié)合的方法，在自動優(yōu)選參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)過程線形狀和流域?qū)崨r對參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整。率定通常需要3 ～5 a 的長序列水文、氣象資料。

表1 模型主要率定參數(shù)及其取值范圍

河床糙率是反映河流阻力的一個(gè)綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的特征量，是水流與河床相互作用的產(chǎn)物［5］。如果選擇不當(dāng)會對計(jì)算結(jié)果造成很大的影響，本次模擬曼寧系數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)M=30。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于1—3 月、10—12 月枯水期處于東北河流冰凍期，模擬效果不直觀，故在此不作模擬。分別對2003 年4—5 月和6—9 月進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，模擬結(jié)果見圖3 ～4。

圖2 模擬河段俯視圖及中間28 076 m 處橫斷面示意圖

圖3 4—5 月、6—9 月模擬水位縱斷面示意圖

圖4 不同季節(jié)、不同距離處模擬河段水位、流量與實(shí)測水位、流量對比

根據(jù)模擬結(jié)果可見，不論是平水期還是豐水期，模擬的水位結(jié)果與實(shí)測值過程線都可以比較好的擬合。

在水動力模型的基礎(chǔ)上加入對流擴(kuò)散模塊和水質(zhì)4 級模塊后觀察各變量的沿程變化，水質(zhì)4 級模塊的狀態(tài)變量包括DO、BOD5、NH3-N、溫度。設(shè)定本底值為ρ(DO)=2 mg/L、ρ(BOD5)=10 mg/L，ρ(NH3-N)=2 mg/L，t4-5= 10℃，t6-9= 20℃。在模擬河段22430 m處假定有一處排污點(diǎn)源，Q=1 m3/s，v =1 m/s，ρ(DO)=0 mg/L、ρ(BOD5)=20 mg/L、ρ(NH3-N)=10 mg/L。計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 DO、NH3-N、BOD5 質(zhì)量濃度模擬結(jié)果

由圖5 可見，起初河流水質(zhì)DO 質(zhì)量濃度慢慢升高達(dá)到飽和，NH3-N 和BOD5質(zhì)量濃度也慢慢削減，在22 430 m，即排污口處，DO 質(zhì)量濃度急劇下降，BOD5和NH3-N 質(zhì)量濃度升高，之后隨著河流的自凈作用，又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。經(jīng)過計(jì)算，可提取任意斷面上各自定義狀態(tài)變量的濃度變化，并且MIKE11 軟件的模擬具有直觀、可視化和計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算的結(jié)果對污染物的自凈能力分析和決策管理都有一定的積極作用。

4 結(jié) 語

利用MIKE11 軟件建立了遼河上游福德店至通江口段的一維水質(zhì)模型，結(jié)果表明，只要在水文及地形數(shù)據(jù)充足的條件下，用MIKE11 軟件對遼河流域水動力和水質(zhì)變化情況的模擬是可行的。通過模擬計(jì)算BOD5、DO 和NH3-N 在河流中沿程的衰減過程，發(fā)現(xiàn)模型運(yùn)行良好，結(jié)果與理論相符，表明MIKE11 軟件一維模型用于遼河流域水體DO 濃度預(yù)測、污染物濃度衰減計(jì)算和預(yù)警是可行的。

［1］畢巖，孫作青. 淺談遼寧省遼河流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的建立［J］. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版，2010，12(4):424-428.(BI Yan，SUN Zuoqin. On the establishment of the Liao River basin ecological compensation mechanism in Liaoning Province［J］. Journal of Shenyang Jianzhu University:Social Science，2010，12 (4):424-428. (in Chinese))

［2］王耕，吳偉. 基于GIS 的遼河流域水安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47 (2):175-179.(WANG Gen，WU Wei. Design of an early warning system of water security for Liaohe River based on GIS［J］.Journal of Dalian University of Technology，2007，47(2):175-179. (in Chinese))

［3］王領(lǐng)元.應(yīng)用MIKE 對河流一、二維的數(shù)值模擬［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［4］Danish Hydraulic Institute(DHI). MIKE11:a modeling system for rivers and channels，reference manual［R］.Copenhagen:DHI，2007.

［5］藍(lán)俊康，郭純青.水文地質(zhì)勘察［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［6］向文英.工程水文學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2003.