基于MIKE對(duì)流擴(kuò)散和生態(tài)耦合模型的鴨子蕩水庫水質(zhì)模擬研究

劉 江，陳國鼎，曾繼軍，李國棟

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水質(zhì)與水環(huán)境一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)目標(biāo)，人們對(duì)水質(zhì)模型的研究也日益深入。傳統(tǒng)的水質(zhì)分析往往通過連續(xù)的取樣、檢測(cè)的方式來監(jiān)測(cè)流域水質(zhì)的變化。然而污染物存在離散性和明顯的時(shí)空變化特征，當(dāng)測(cè)站不足時(shí)則無法充分覆蓋目標(biāo)流域，同時(shí)也無法準(zhǔn)確反應(yīng)區(qū)域的水質(zhì)狀況，并且存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、耗資大等問題。由于傳統(tǒng)分析方法存在上述弊端，開發(fā)水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型成為關(guān)鍵。目前，常用的水質(zhì)模型有WASP、QUAL、QUASAR、MIKE 等，并且已在河流［1－8］、湖泊［9－10］、水庫［11－12］、地下水［13］等得到了廣泛的應(yīng)用。水質(zhì)模型涉及變量繁多，物理化學(xué)過程復(fù)雜，常用到多個(gè)模型的耦合，因此，對(duì)水質(zhì)變量的準(zhǔn)確描述和模型參數(shù)的率定成為重要環(huán)節(jié)。周鵬程等［14］以深圳市原水系統(tǒng)中的多個(gè)水庫為例，建立了多參數(shù)最優(yōu)化估值模型，并基于粒子群算法對(duì)多庫水質(zhì)聯(lián)合模擬模型中的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，可為城市原水系統(tǒng)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控提供了參考依據(jù)。吳俊鋒等［15］采用了影響系數(shù)法，在二維水動(dòng)力水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)上，以下邊界上最大濃度點(diǎn)為控制點(diǎn)，計(jì)算區(qū)域的水環(huán)境容量，并對(duì)長(zhǎng)江儀征工業(yè)用水區(qū)的水環(huán)境容量進(jìn)行了計(jì)算，得出該河段環(huán)境容量。唐國平等［16］選用WASP模型的EUTRO模塊對(duì)氨氮（NH3－N）、化學(xué)需氧量（COD）和總磷（TP）進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。劉梅冰等［17］運(yùn)用流域日尺度分布式水文模型SWAT和二維垂向水動(dòng)力水質(zhì)模型CE－QUAL－W2，構(gòu)建了山美水庫流域水量水質(zhì)模擬聯(lián)合模型，并反映山美水庫流域及庫區(qū)水體的水動(dòng)力和污染過程。水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型可提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的效率，更直觀準(zhǔn)確的體現(xiàn)變量的時(shí)空分布特征。

鴨子蕩水庫作為寧東供水工程的核心，其水體污染物含量是評(píng)價(jià)水庫水質(zhì)情況的重要指標(biāo)，也是水庫能否正常調(diào)度運(yùn)行的重要依據(jù)，因此對(duì)鴨子蕩水庫水質(zhì)的模擬研究具有重要意義，也是為保證用水安全的迫切需求。本文基于MIKE生態(tài)模塊（Ecolab）與對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合，同時(shí)考慮污染物的對(duì)流擴(kuò)散與衰減，對(duì)鴨子蕩水庫進(jìn)行水質(zhì)模擬。計(jì)算結(jié)果可反映水庫水質(zhì)指標(biāo)變化過程，并表明水質(zhì)對(duì)高濃度污染物具備自凈能力。

1 材料與方法

1．1 區(qū)域概況

鴨子蕩水庫距寧夏自治區(qū)銀川市約60 km，地處靈武市，位于東經(jīng) 105．59°～ 106．37°，北緯 37．60°～38．01°，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。作為寧東供水工程的核心，鴨子蕩水庫也是寧東能源化工基地最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，承擔(dān)著為基地工業(yè)、生態(tài)、生活提供用水的大任，其安全與正常運(yùn)行關(guān)系著寧東乃至寧夏經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

1．2 數(shù)學(xué)的模型建立

1．2．1 對(duì)流擴(kuò)散模型

建立在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，污染物的輸移和擴(kuò)散采用二維對(duì)流擴(kuò)散方程，在MIKE中控制方程如下：

式中：Dx、Dy分別為x與y方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；C 為污染物濃度，mg／L；S 為源匯項(xiàng)，mg／（L·s）；Kp為呈線性的衰減率；h為水深，m；u，v分別為x，y方向上的流速，m／s；t為時(shí)間，s。

1．2．2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型主要考慮污染物的生化降解反應(yīng)，并與對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合。水質(zhì)中COD用于模擬有機(jī)質(zhì)含量，降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)規(guī)律：

式中：k1為 COD降解系數(shù)，ARRHENIUS20（tetadcod，temp）為溫度校正函數(shù)，tetadcod為溫度校正常數(shù)，temp為水溫，引入溫度校正函數(shù)的主要原因?yàn)镃OD降解系數(shù)與水溫有密切關(guān)系，使模型更加準(zhǔn)確。

DO的生化表達(dá)式為：

式中：reaera為大氣復(fù)氧，phtsyn為光合作用產(chǎn)氧，respT為呼吸作用耗氧，sod為底泥需氧量，nitriDO為硝化需氧量，mg／（L·d）。

NH＋4生化表達(dá)式為：

式中：plantn為植物攝取量，nitri為硝化損耗量，mg／（L·d）。

1．2．3 模型參數(shù)和定解條件

由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)只記錄水庫出口處的污染物濃度，因此，缺少水庫入流污染物濃度及水庫初始污染濃度。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，需對(duì)水庫的污染物濃度做合理性假設(shè)?？紤]水庫的入流為污染物主要來源，污染類型為點(diǎn)源污染。由于入口處污染物濃度未知，可采用假設(shè)試算，由于水庫水體自身具備溶解氧并且溶氧量存在飽和度，再考慮到溶解氧的生化方程式，DO濃度整體處于平衡狀態(tài)，因此入流水體溶解氧數(shù)值與出口相似，可采用出流的溶解氧。COD和氨氮為水體的主要污染物類型，在水庫中由于對(duì)流擴(kuò)散和衰減的作用使其濃度降低，因此將濃度提高至5倍，作為污染物入流條件進(jìn)行試算。由于水庫歷年入流污染物濃度變化不大，因此選用數(shù)據(jù)齊全的2012年作為模擬對(duì)象，并且可根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)其余年進(jìn)行類推，并對(duì)未來水質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 模擬結(jié)果

2．1 水質(zhì)概況

水質(zhì)測(cè)點(diǎn)位于水庫出水塔附近，主要測(cè)量指標(biāo)為水溫、濁度、pH值等。由于DO值部分缺失，無法完成完整統(tǒng)計(jì)，但就已有數(shù)據(jù)分析，其值基本處于區(qū)間（7，15），并且逐年變化甚微。主要污染物指標(biāo)COD和氨氮濃度如圖1所示。

圖1 氨氮（a）和有機(jī)物（COD）（b）污染物濃度年平均及月平均變化趨勢(shì)

由圖1可知，COD濃度值整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)，其值基本分布在2 mg／L～3 mg／L，從多年平均值圖中可以看出COD含量隨年際變化不大，趨于平穩(wěn)。從月平均圖中可以看出COD含量在夏季有輕微的上升，冬季比夏季低，呈現(xiàn)著季節(jié)規(guī)律性變化。推測(cè)其原因可能與水溫有關(guān)，夏季水溫為20℃左右，接近水生物最適宜活動(dòng)溫度，生物活動(dòng)較為活躍。水體氨氮含量在多年平均上表現(xiàn)較為穩(wěn)定，數(shù)值大小在0．80 mg／L ～ 0．18 mg／L。對(duì)于氨氮濃度月均值，在1、2、3月有顯著上升的趨勢(shì)，其原因尚不明確，原因可能為人類活動(dòng)有關(guān)。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（見表1），DO與COD濃度基本達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮濃度存在少數(shù)時(shí)間段處于Ⅱ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但是大部分時(shí)段仍達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以判斷鴨子蕩水庫水質(zhì)狀況良好，受污染程度較低。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg／L

2．2 水質(zhì)驗(yàn)證

在水庫出流處布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖 2（a）、圖 2（b）、圖 2（c）。

由圖2（a）DO實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比表明，兩者趨勢(shì)保持一致，數(shù)值上擬合較好，說明計(jì)算結(jié)果較為合理。DO濃度曲線較為平緩，無跳躍點(diǎn)和突變點(diǎn)，原因?yàn)橛捎诖髿鈴?fù)氧和光合作用的效應(yīng)，使水體中氧氣含量得到補(bǔ)充，因此可以維持氧氣濃度值處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。并且由于水庫水體溶氧量與入流水體溶氧量較為接近，因此受入流條件影響小，影響DO濃度值的主要因素為水溫、水生物活性等自然條件，與實(shí)際情況接近。水庫主要污染物COD和計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相似，計(jì)算值處于合理范圍，根據(jù)式（2）、式（4）得 COD 與濃度在沒有入流時(shí)呈衰減狀態(tài)，濃度值的增減主要取決于入流條件，因此兩者濃度受入流影響較大并且曲線震蕩較為明顯。

圖2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2．3 污染物區(qū)域分布

圖3 濃度區(qū)域分布

2．4 水庫污染物承載力分析

為驗(yàn)證水庫對(duì)水質(zhì)較差的入流是否具備自凈能力，模擬時(shí)采取放大入流污染物濃度的方法，記錄計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)水庫的自凈能力。模擬條件參數(shù)與之前保持一致，將入流污染物濃度提高至10倍，在出流處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖 2（a）、圖 2（b）、圖 2（c））。結(jié)果表明：將 COD和濃度增加10倍后，污染物濃度明顯上升，表明入流污染物濃度對(duì)計(jì)算水質(zhì)影響較大。DO計(jì)算結(jié)果顯示，入流污染物濃度增加后，DO值有較小的降幅，但趨勢(shì)保持不變，與正常入流接近。原因?yàn)槲廴疚餄舛壬仙?，其化學(xué)變化轉(zhuǎn)化量增加，導(dǎo)致需氧量也增加。從COD計(jì)算結(jié)果來看，出口處COD濃度有較為明顯的增幅，但根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其值依然在Ⅰ類水質(zhì)范圍內(nèi)，水質(zhì)狀況良好。值入流濃度增大10倍后，出口處的濃度在時(shí)間序列前期明顯增加，在后期變化不大，與實(shí)測(cè)資料接近。氨氮濃度在3、4月份出現(xiàn)大于0．5的值，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬于第Ⅲ類水。在其余月份濃度小于0．5，屬于第Ⅱ類水質(zhì)，表明水庫具備自我凈化功能，對(duì)于入口處的污染物具備承載力。

3 結(jié) 論

（1）鴨子蕩水庫水質(zhì)屬于Ⅰ類水質(zhì)，水質(zhì)狀況良好，受污染程度較低，可滿足寧東工業(yè)生產(chǎn)及居民用水需求。

（3）對(duì)于高濃度污染物的入流條件，鴨子蕩水庫仍能維持Ⅰ類水質(zhì)或Ⅱ類水質(zhì)，水庫具備一定的自我凈化功能和環(huán)境承載力。

（4）耦合的MIKE對(duì)流擴(kuò)散模型和生態(tài)模型可用于水庫水質(zhì)的模擬研究，計(jì)算結(jié)果較為理想，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近，可用于水庫的水質(zhì)評(píng)價(jià)及未來水質(zhì)預(yù)測(cè)。

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