基于MIKE21模型的甘龍河水質(zhì)改善分析

張偉超 馬士謙

摘 ?要：針對甘龍河水環(huán)境存在的諸多問題，提出了“一河一策”河流水環(huán)境優(yōu)化方案。基于MIKE21模型定量評價(jià)該方案的效果，選取COD、NH3-N為特征性指標(biāo)，考慮了豐水期、平水期、枯水期3種模擬工況。模型結(jié)果表明，該調(diào)控方案能有效降低甘龍河的污染負(fù)荷量，與預(yù)測污染負(fù)荷情況相比，COD削減量約14.50t/a（削減率約8.70%），NH3-N削減量約2.82t/a（削減率約17.39%），為甘龍河水環(huán)境治理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：甘龍河MIKE21水質(zhì)預(yù)測水環(huán)境優(yōu)化

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Abstract： In view of the problems existing in the water environment of Ganlong River， the optimization scheme of "one river， one policy" is proposed.The effect of the scheme was quantitatively evaluated based on the MIKE21 model， COD、NH3-N was selected as the characteristic index， three simulation conditions are considered： high-water period， normal water season and low-water season.The model results show that the regulation scheme can effectively reduce the pollution load of Ganlong River.Compared to the predicted pollution load situation，the COD reduction is 14.50t/a （cut-rate about 8.70%），and the NH3-N reduction is 2.82t/a （cut-rate is about 17.39%）， providing a theoretical basis for the environmental treatment of Ganlong River.

Key Words： Ganlong River; MIKE21; Water quality prediction; Water environment optimization

我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，給流域水環(huán)境帶來了前所未有的壓力，流域水環(huán)境治理成為我國水利發(fā)展的迫切需求。近年來，隨著水環(huán)境數(shù)值模擬定量化、可視化的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的水質(zhì)分析數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)應(yīng)用較為成熟的數(shù)學(xué)模型主要有WASP、QUAL2、QUASAR及MIKE等[1]。張葉等[2]等運(yùn)用MIKE21模型，定量分析了潮白河在優(yōu)化方案下的水質(zhì)改善情況，證明了MIKE21模型能有效運(yùn)用在水環(huán)境治理中。李大鳴[3]等運(yùn)用MIKE21模型對洋河水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化進(jìn)行模擬，指出當(dāng)水體溫度較高、流速較低時(shí)易發(fā)生富營養(yǎng)化，這與本文枯水位下污染物濃度升高的結(jié)論相吻合。宮學(xué)亮[4]等基于MIKE21對南四湖上級湖的水量水質(zhì)進(jìn)行模擬研究，為南四湖水質(zhì)的改善提供了理論依據(jù)，并在文中介紹了COD在水體中的降解速度很快。簡而言之，水質(zhì)模型已應(yīng)用于排污口設(shè)計(jì)、污染物水環(huán)境過程模擬、水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、污染物水環(huán)境行為預(yù)測等水環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面[5-6]。

1 研究區(qū)域概況

甘龍河是烏江東岸一級支流，地跨貴州省松桃縣、沿河縣和重慶市酉陽縣。研究主要針對甘龍河酉陽縣境內(nèi)河段，起于南腰界鄉(xiāng)紅巖村花口，止于小河鎮(zhèn)小河村騾子口。甘龍河干流水量較大、污徑比小，流域內(nèi)主要是城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)面源等污染源，不存在大型的高污染工礦企業(yè)，未發(fā)現(xiàn)甘龍河流域存在黑臭水體及劣質(zhì)類水體。

2 模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分和選擇區(qū)域

計(jì)算河段流域面積1563.5km2，河長60.6km。模型采用三角網(wǎng)格劃分研究區(qū)域，將邊界文件、地形文件導(dǎo)入MIKE21的網(wǎng)格生成器，設(shè)置網(wǎng)格的生成參數(shù)即可生成計(jì)算網(wǎng)格，圖1為在MIKE21中導(dǎo)入了地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)格模型圖。

2.2 排污口設(shè)置

根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，將甘龍河流域各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)排污口簡化合并為3個(gè)排污口。從上游到下游依次為南腰界鄉(xiāng)入河口、李溪鎮(zhèn)入河口和官清鄉(xiāng)入河口，排污口具體位置見圖2。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型模擬時(shí)長為341d，計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件自適應(yīng)調(diào)整，CFL設(shè)置為0.8，河床底部糙率通過將實(shí)測水位、流速與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比后設(shè)置為曼寧數(shù)=28。

源匯項(xiàng)主要是經(jīng)概化的3個(gè)排污口，水動(dòng)力模塊源匯項(xiàng)考慮不同模擬工況的流量;水質(zhì)模塊源匯項(xiàng)設(shè)置3個(gè)排污口的入河污染量，根據(jù)實(shí)測資料依次賦值，COD為22.59mg/L、26.38mg/L、14.65mg/L;NH3-N為4.58mg/L、4.62mg/L、3.06mg/L。

衰減系數(shù)：為簡化計(jì)算，將污染物在水環(huán)境中的物理降解、化學(xué)降解和生物降解概化為綜合衰減系數(shù)。根據(jù)相關(guān)資料，COD、NH3-N的綜合衰減系數(shù)分別取2.315×10-6s-1、2.894×10-6s-1。

由于模擬時(shí)間跨度比較大，因此根據(jù)給定的水文資料將本次模擬分為豐水期、平水期和枯水期3種工況，各工況對應(yīng)的流量分別為77.9m3/s、44.3m3/s、15.2m3/s。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)流域情況在研究河段各位置處設(shè)置監(jiān)測斷面，其中T1為上游進(jìn)口斷面，T18為下游出口斷面。

3.1 現(xiàn)狀水質(zhì)模擬驗(yàn)證

模擬結(jié)果與水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)基本相同，表明了MIKE21模型對于研究河段水質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性。根據(jù)模擬結(jié)果，上、下游現(xiàn)狀水質(zhì)COD濃度最大相差2.103mg/L、氨氮濃度最大相差0.044mg/L，各特征指標(biāo)濃度值從上游到下游呈降低趨勢，這說明研究河段內(nèi)水質(zhì)受污染物入河的影響范圍和影響強(qiáng)度較小。模擬過程中COD、NH3-N在研究河段內(nèi)的濃度值變化較小，在河道排污口處存在波動(dòng)，且發(fā)現(xiàn)枯水期時(shí)的污染物濃度最大。

3.2 “一河一策”措施后水質(zhì)模擬

通過岸線垃圾清理和管控、城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)、農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理、不達(dá)標(biāo)水體治理和流域內(nèi)生態(tài)修復(fù)等一系列措施對甘龍河水質(zhì)情況進(jìn)行改善與提高。

采用整治措施實(shí)施后污染負(fù)荷入河量，各工況下的污染物濃度變化趨勢相近，污染物濃度在排污口處存在波動(dòng)，同樣是枯水期的污染物濃度值最大。選用枯水期污染物濃度的現(xiàn)狀值與措施后值進(jìn)行對比，可見該方案對水體中污染物濃度降低效果氨氮優(yōu)于COD，一部分原因?yàn)镃OD濃度為氨氮濃度的數(shù)十倍，導(dǎo)致整治前后對比效果不明顯;另外，也考慮到COD在水體中的降解速度快于氨氮，具體濃度對比差值見圖3。

4 結(jié)語

經(jīng)過與實(shí)測資料進(jìn)行對比，MIKE21模型能準(zhǔn)確模擬甘龍河酉陽河段的水動(dòng)力水質(zhì)情況。根據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上游輸入水質(zhì)對河流水質(zhì)影響較大，因此還需協(xié)調(diào)治理秀山河段。研究河段內(nèi)枯水期時(shí)的污染更嚴(yán)重，污染物濃度在排污口處存在波動(dòng)，因此要加大對枯水期和排污口處水環(huán)境的治理力度。與預(yù)測污染負(fù)荷情況相比，COD削減量約14.50t/a（削減率約8.70%），氨氮削減量約2.82t/a（削減率約17.39%）。

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