MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型在北方某水源地治理工程的應(yīng)用

俞云飛　趙文婧　李云霞　張　揚(yáng)

MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型在北方某水源地治理工程的應(yīng)用

俞云飛趙文婧李云霞張揚(yáng)

針對(duì)近年來(lái)水源地周邊污染源威脅到供水安全的問(wèn)題，采用MIKE11模型軟件建立水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，以我國(guó)北方某水源地為例進(jìn)行了水質(zhì)趨勢(shì)變化模擬，并對(duì)治理方案實(shí)施后的效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為論證實(shí)施的水源地綜合整治措施有效可行提供技術(shù)支撐。

水源地水動(dòng)力水質(zhì)模型應(yīng)用

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展、國(guó)家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市水源地周邊的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，給供水水質(zhì)安全帶來(lái)較大的潛在威脅，水源地綜合治理已經(jīng)迫在眉睫。治理方案的規(guī)模及效果論證是工程論證的必要條件，目前，運(yùn)用成熟的MIKE、QUAL和WASP綜合水質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件已成為研究該類(lèi)問(wèn)題的主要手段。本文采用MIKE11模型建立水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型并對(duì)水質(zhì)污染問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，為論證實(shí)施的水源地綜合整治措施有效可行提供技術(shù)支撐。

1　研究區(qū)域概況

本次重點(diǎn)研究我國(guó)北方重要水源地潘家口、大黑汀水庫(kù)水源地 （以下簡(jiǎn)稱(chēng) “潘、大水源地”），它是引灤工程的主體水源工程，擔(dān)負(fù)著天津、唐山兩市的城市生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，因此，保護(hù)好水庫(kù)的水質(zhì)，做好水污染防治工作，對(duì)津、唐兩地人民的生產(chǎn)和生活具有深遠(yuǎn)的影響。水庫(kù)位于河北省遷西縣的灤河干流上，水源地地跨河北省興隆、寬城、承德、遷西4縣，控制流域面積33 700 km2，占灤河流域總面積的75% ，總庫(kù)容為2 913億m3，多年平均庫(kù)容為24.5億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、灌溉及養(yǎng)殖。汛期主要集中在6～9月，汛期水量占全年總水量的70%～80%。

2　水動(dòng)力及水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1模型原理

本次治理范圍涉及自烏龍磯至潘家口大壩之間河道和庫(kù)區(qū)、下池調(diào)蓄庫(kù)區(qū)、下池壩下至大黑汀大壩之間下池庫(kù)區(qū)，通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)區(qū)間進(jìn)行分析和對(duì)潘、大水源地的水流特性分析的基礎(chǔ)上，采用一維非恒定流水流模型 （Saint-Venant方程組），首先對(duì)河段水流進(jìn)行模擬。描述河流一維非恒定流的基本控制方程如下：

水質(zhì)控制方程如下：

式中，t為時(shí)間；x為距離；Q為流量；h為水位；C為謝才系數(shù)；A為過(guò)流斷面面積；R為水力半徑；q為旁側(cè)單位長(zhǎng)度入流流量；α為斷面不均勻系數(shù)；c為物質(zhì)組份的濃度；D為彌散 （擴(kuò)散）系數(shù)；v為水流速度；K為物質(zhì)組份的線性衰減系數(shù)；q為側(cè)向流量；C2為源匯項(xiàng)濃度。

2.2河道概化

依據(jù)本次治理工程范圍，按照相關(guān)河道概化基本原則，并根據(jù)河道所處位置及地形、地勢(shì)、河勢(shì)等具體情況對(duì)計(jì)算河道進(jìn)行概化，確定本次模型計(jì)算起始點(diǎn)為烏龍磯斷面，終點(diǎn)為大黑汀大壩?？紤]到各支流的位置因素，本模型計(jì)算主要考慮支流為柳河、瀑河、灑河，作為旁側(cè)入流參與河道的水力、水質(zhì)計(jì)算，武烈河等支流已在烏龍磯以上河段匯入，不在計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)。

2.3模型邊界條件的確定

本次模擬時(shí)段選取全年時(shí)段，模型計(jì)算起點(diǎn)為烏龍磯斷面，該斷面的水文測(cè)量的流量數(shù)據(jù)作為模型上邊界，其輸入逐日流量邊界條件，其余支流作為點(diǎn)源入流考慮，即柳河、瀑河、灑河均作為點(diǎn)源匯入，監(jiān)測(cè)代表斷面分別為柳河石佛站、瀑河寬城站、灑河漢兒莊站。水質(zhì)邊界分別考慮點(diǎn)源分布、面源污染以及各支流的污染物貢獻(xiàn)。

2.4模型參數(shù)的選取

水質(zhì)模型的起止邊界與水動(dòng)力學(xué)模型的起止邊界相同，本次計(jì)算預(yù)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)為總磷、氨氮。本次計(jì)算河段剖分單元為500 m，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30 s。水動(dòng)力的主要參數(shù)選取如下，曼寧系數(shù)取值為0.033。

考慮到TP、NH3-N的降解系數(shù)與水流的速度、溫度、水深有密切關(guān)系，本次建模過(guò)程根據(jù)水深分別設(shè)置降解系數(shù)decay值， decay值設(shè)置情況詳見(jiàn)表1。

表1　降解系數(shù)decay值設(shè)置表

2.5模型率定及驗(yàn)證

河道植被、坡降、河床地質(zhì)、河道斷面形式及河道上的建筑物等都會(huì)對(duì)河道流態(tài)產(chǎn)生影響，因而河道的概化以及參數(shù)的選定會(huì)影響到計(jì)算成果。在本次水動(dòng)力計(jì)算模型率定計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)河道河床情況，河道的糙率取值范圍在0.033，驗(yàn)證特征點(diǎn)壩前斷面實(shí)測(cè)值。模型率定資料采用2012年全年逐日數(shù)據(jù)。由于實(shí)測(cè)的水質(zhì)序列數(shù)據(jù)較少，很難做到精確率定參數(shù)，通過(guò)率定結(jié)果分析看，TP、NH3-N模擬值與實(shí)測(cè)值總體上趨勢(shì)基本一致，庫(kù)區(qū)水位率定和驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　庫(kù)區(qū)模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖

3　治理工程實(shí)施效果預(yù)測(cè)

治理的工程措施主要包括入庫(kù)水質(zhì)凈化處理、河口環(huán)境綜合整治、庫(kù)區(qū)廢棄物處置工程、生態(tài)修復(fù)及小島生態(tài)重建工程等部分，非工程措施主要包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)及應(yīng)急安全保障能力建設(shè)、水源地管理等。

對(duì)本次治理工程情景方案進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并對(duì)重點(diǎn)斷面大黑汀庫(kù)區(qū)治理前后水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照分析，對(duì)照結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　工程實(shí)施前后TP、NH3-N濃度對(duì)比圖

從對(duì)照結(jié)果可以看出，工程措施對(duì)庫(kù)區(qū)上游斷面水質(zhì)凈化效果明顯，該斷面水質(zhì)最大消解時(shí)刻值TP減少0.02 mg/L、NH3-N減少0.15 mg/L。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）將MIKE11模型應(yīng)用于我國(guó)北方水庫(kù)水源地綜合治理工程中，通過(guò)詳實(shí)的水文資料和水質(zhì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了參數(shù)率定與模型檢驗(yàn)。模型在率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果均良好，所確定的參數(shù)基本能反映水庫(kù)型水源地的水力特征和環(huán)境特點(diǎn)。

（2）應(yīng)用MIKE11模型對(duì)水源地水質(zhì)污染問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，入庫(kù)支流治理工程以及生態(tài)修復(fù)工程治理效果較為明顯，可使入庫(kù)污染負(fù)荷實(shí)現(xiàn)較大幅度削減，特別是對(duì)NH3-N等污染物的削減效果顯著，從而使水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)得到基本控制，使水源地水質(zhì)得到一定程度改善。

（3）由于監(jiān)測(cè)設(shè)施和管理的不完善，全時(shí)段水質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取難度較大，以及面源、點(diǎn)源污染物的估算不準(zhǔn)確，一些非法排污點(diǎn)未納入計(jì)算范圍，導(dǎo)致模擬值與實(shí)際值有一定偏差，建議在工程的下一步實(shí)施中通過(guò)補(bǔ)充斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及污染源數(shù)據(jù)來(lái)更新模型。

［1］伍遠(yuǎn)康，盧衛(wèi)，應(yīng)聰惠，等.數(shù)值模擬在配水改善河道水質(zhì)中的應(yīng)用 ［J］.水文， 2006，31（3）：56-59.

俞云飛男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

趙文婧女工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

張揚(yáng)女工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

李云霞女工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

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