基于MIKE21的龍?zhí)逗铀|(zhì)改善數(shù)值模擬研究

魏建鋒，司益清，李程智，張偉超，周 洋

(1.重慶市渝發(fā)水利科學(xué)研究院有限公司，重慶 401120；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 401120；3.重慶市水文監(jiān)測(cè)總站，重慶 401120；4.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；5.溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 溫州 325002)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，水環(huán)境問題目前受到人們的重視。水質(zhì)模擬是預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)水環(huán)境問題的重要手段之一，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水環(huán)境修復(fù)治理及管理等方面開展了諸多的科學(xué)研究和工程實(shí)踐[1]。現(xiàn)在常用的模擬手段有基于統(tǒng)計(jì)方法或WASP[2]、SWAT[3]、QUAL2K[4]、MIKE[5～7]等模型進(jìn)行污染源解析、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬。MIKE21模型已廣泛應(yīng)用在水污染評(píng)估、排污口設(shè)計(jì)、污染物水環(huán)境過程模擬和污染物水環(huán)境行為預(yù)測(cè)[8～10]。模擬研究采用MIKE21模型對(duì)酉陽(yáng)縣龍?zhí)逗拥默F(xiàn)狀水質(zhì)以及采取“一河一策”措施之后的水質(zhì)進(jìn)行模擬，從而直觀地體現(xiàn)“一河一策”措施的有效性。

2 研究區(qū)域概況

酉陽(yáng)龍?zhí)逗恿饔蛭挥谟详?yáng)縣境內(nèi)，地處距重慶550 km的東南邊陲武陵山區(qū)，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，降水量時(shí)空分布不均，年內(nèi)降水主要集中于5～9月份，約占全年降水量的67.5%以上[11]。龍?zhí)逗又饕Я饔欣渌?、王家河、溶溪河，流?jīng)腴地、涂市、麻旺、龍?zhí)? 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

本水質(zhì)模型主要研究龍?zhí)逗佑详?yáng)縣境內(nèi)上游段，起于腴地鄉(xiāng)上腴村巖根腳，止于龍?zhí)舵?zhèn)五育村楊家灘，河段長(zhǎng)62.7 km，流域面積1282.0 km2，多年平均流量31.5 m3/s。龍?zhí)逗恿饔騼?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)，排污對(duì)干流水質(zhì)影響有限。通過龍?zhí)逗恿饔蚋魉|(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，未發(fā)現(xiàn)龍?zhí)逗恿饔虼嬖诤诔羲w及劣質(zhì)類水體。根據(jù)龍?zhí)逗铀|(zhì)資料，采用化學(xué)耗氧量(COD)、氨氮(NH3-N)作為污染物控制指標(biāo)。

3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

MIKE21模型是MIKE模型中的核心基礎(chǔ)模塊，主要適用領(lǐng)域包括湖泊、河流、水庫(kù)、海洋、波浪及泥沙等方面的模擬研究[12]。選用水動(dòng)力模塊和水質(zhì)模塊，水動(dòng)力模塊為其他模塊提供水流流速、流量與水位等基本的水力要素；水質(zhì)模塊用于分析污染物進(jìn)入河流后的遷移轉(zhuǎn)化過程，為定量分析水質(zhì)情況提供依據(jù)[13～15]。

采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算河流水域納污能力，應(yīng)對(duì)河流河道特征和水力條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將龍?zhí)逗雍恿髂Ｐ途植窟M(jìn)行順直處理，且在支流及規(guī)模以上排污口處進(jìn)行分段。

3.1 網(wǎng)格劃分和選擇區(qū)域

模型采用三角網(wǎng)格劃分研究區(qū)，三角網(wǎng)格能較好地?cái)M合研究區(qū)水陸邊界，生成網(wǎng)格時(shí)能隨意調(diào)整網(wǎng)格密度、網(wǎng)格大小、最小允許角度和最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。由CAD圖得到研究區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將水陸邊界線數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE自帶的網(wǎng)格生成器生成研究區(qū)網(wǎng)格，并且對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理，旨在縮短最大網(wǎng)格和最小網(wǎng)格的差值，提高計(jì)算速度。還需在模型中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置開邊界，然后將水深數(shù)據(jù)導(dǎo)入網(wǎng)格中并插值生成研究區(qū)地形圖。龍?zhí)逗恿饔蛴?jì)算河段流域面積1282.0 km2，河長(zhǎng)62.7 km2，多年平均流量Q=31.5 m3/s。

3.2 計(jì)算模型

在MIKE21中建立的計(jì)算模型如圖1所示，模型根據(jù)流域情況，在龍?zhí)逗痈魑恢锰幵O(shè)置監(jiān)測(cè)斷面,通過對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面水動(dòng)力情況和水質(zhì)變化情況進(jìn)行分析，最終得到龍?zhí)逗恿饔虻乃畡?dòng)力情況和不同污染負(fù)荷條件下的水質(zhì)變化，一共在流域內(nèi)設(shè)置了18個(gè)模擬監(jiān)測(cè)斷面，其中t1為上游進(jìn)口斷面，t18為下游出口斷面，監(jiān)測(cè)斷面分布見圖2。

圖1 模擬模型

圖2 監(jiān)測(cè)斷面分布

3.3 模型邊界條件

(1)水動(dòng)力模塊邊界。模型上游邊界即入河口處設(shè)置流量數(shù)據(jù)，下游邊界即河流出口處設(shè)置水位，均以時(shí)間序列文件輸入。

(2)水質(zhì)模塊邊界。模型上游邊界即各入河口處設(shè)置水質(zhì)評(píng)價(jià)因素(COD、NH3-N)濃度，根據(jù)監(jiān)測(cè)界面實(shí)測(cè)值調(diào)整，下游邊界采用無(wú)梯度邊界條件，根據(jù)本次模擬任務(wù)分別選定不同工況條件下的水質(zhì)邊界條件。由于龍?zhí)逗影l(fā)源于酉陽(yáng)縣，本模擬上游基礎(chǔ)濃度值均為0 mg/L，本模型僅進(jìn)行現(xiàn)狀污染負(fù)荷水質(zhì)及措施后污染負(fù)荷水質(zhì)進(jìn)行模擬，分析各工況下的污染負(fù)荷對(duì)龍?zhí)逗铀|(zhì)的影響，最后對(duì)比分析各工況下龍?zhí)逗铀|(zhì)情況，進(jìn)行整治措施效果評(píng)估。

(3)干濕邊界。本次模型計(jì)算啟用干濕邊界，在進(jìn)行計(jì)算的過程中，每一時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算網(wǎng)格的平均水深，經(jīng)過實(shí)際調(diào)研及多次試算，確定干點(diǎn)水深hdry=0.005 m，半干濕水深hflood=0.05 m，濕水深hwet=0.1 m。

3.4 參數(shù)設(shè)置

(1)河床糙率和計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)：河床底部糙率根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)水位和流速與模型模擬結(jié)果對(duì)比進(jìn)行率定，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件調(diào)整。

(2)衰減系數(shù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在水質(zhì)模型中，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)。經(jīng)復(fù)核分析后，最終確定污染物綜合衰減系數(shù)，取COD：2.314×10-6s-1，NH3-N：2.894×10-6s-1。

(3)初始條件。水動(dòng)力初始條件包含初始水位和初始流速，其設(shè)定主要是保證模型能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，因此應(yīng)盡可能與模擬開始時(shí)刻的實(shí)際河流水動(dòng)力條件一致。本次模擬初始水位采用下游邊界處水位值，初始流速為零。水質(zhì)初始條件包含各水質(zhì)評(píng)價(jià)因素(COD、NH3-N)的濃度，研究中根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。

(4)模擬工況。本次模擬依據(jù)年內(nèi)不同水文特性分為枯水期、平水期、豐水期3種工況，對(duì)流域內(nèi)污染負(fù)荷下龍?zhí)逗铀|(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，3種工況的流量依次設(shè)置為13.1、21.7、53.4。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 現(xiàn)狀水質(zhì)模擬

根據(jù)龍?zhí)逗游廴矩?fù)荷計(jì)算情況，模擬現(xiàn)狀污染負(fù)荷入河后龍?zhí)逗铀|(zhì)濃度沿程變化情況，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性，模擬過程中龍?zhí)逗游廴驹摧斎氩捎酶鬣l(xiāng)鎮(zhèn)概化排污口。

在現(xiàn)狀污染負(fù)荷輸入條件下，龍?zhí)逗酉掠纬隹跀嗝嬖诳荨⑵?、豐3個(gè)工況下的污染負(fù)荷COD濃度分別為0.447 mg/L、0.214 mg/L、0.109 mg/L；氨氮濃度分別為0.084 mg/L、0.040 mg/L、0.020 mg/L。模擬結(jié)果與水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相同，表明了MIKE21模型對(duì)于研究河段水質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性與可靠性?？菟跁r(shí)，龍?zhí)逗恿髁枯^小，污染物入河后，河流水質(zhì)污染物濃度更高。且T13-T14斷面位置COD及氨氮濃度均有大幅度增長(zhǎng)，主要原因是龍?zhí)舵?zhèn)概化排污口污染物輸入，且相較于其他各概化排口，該排污口輸入量更大。

4.2 “一河一策”措施后水質(zhì)模擬

根據(jù)龍?zhí)逗印耙缓右徊摺毕嚓P(guān)整治措施，從水污染防治、水生態(tài)修復(fù)與保護(hù)水資源3個(gè)方面入手。具體措施包括：加強(qiáng)水資源利用管理；強(qiáng)化對(duì)水域岸線的管理，加強(qiáng)對(duì)涉河建設(shè)項(xiàng)目的管理；通過推進(jìn)城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)，全面提高污水收集率與處理能力來(lái)治理點(diǎn)源污染；大力推進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)建設(shè)來(lái)解決農(nóng)田面源污染；在水生態(tài)修復(fù)方面，主要通過水土保持、加強(qiáng)禁漁管理與生物多樣性保護(hù)和生態(tài)流量管理與監(jiān)督等舉措來(lái)進(jìn)行。

通過推算得到措施實(shí)施后污染負(fù)荷入河量，在排污口輸入流量不變的情況下，模擬分析措施前后龍?zhí)逗铀|(zhì)變化情況，分析措施實(shí)施效果。龍?zhí)舵?zhèn)、麻旺鎮(zhèn)、涂市鄉(xiāng)、腴地鄉(xiāng)4個(gè)概化排污口的COD入河量依次為113.22 t/a、22.15 t/a、7.05 t/a、5.47 t/a；氨氮預(yù)測(cè)入河量依次為19.42 t/a、5.73 t/a、2.45 t/a、1.57 t/a。在措施后污染負(fù)荷輸入條件下，龍?zhí)逗酉掠纬隹跀嗝嬖诳?、平、豐3個(gè)工況下的污染負(fù)荷COD濃度分別為0.332 g/L、0.161 mg/L、0.082 mg/L；氨氮濃度分別為0.066 mg/L、0.032 mg/L、0.016 mg/L。與預(yù)測(cè)污染負(fù)荷下龍?zhí)逗铀|(zhì)相比，下游斷面COD濃度值在枯、平、豐3種工況條件下分別減小了0.115 mg/L、0.056 mg/L、0.028 mg/L；氨氮分別減少了0.018 mg/L、0.009 mg/L、0.004 mg/L，選取了枯水位條件下措施前與措施后特征指標(biāo)濃度分布情況進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比數(shù)值見圖3、圖4。

圖3 COD濃度對(duì)比

圖4 氨氮濃度對(duì)比

結(jié)果顯示，上、下游現(xiàn)狀水質(zhì)COD濃度最大相差0.332 mg/L、氨氮濃度最大相差0.063 mg/L，COD與NH3-N均呈現(xiàn)出污染物濃度上游比下游小的規(guī)律，且研究流域內(nèi)污染物入河對(duì)河流水質(zhì)影響較小。措施前和措施后COD濃度差值最大為0.121 mg/L，氨氮濃度最大相差0.018 mg/L，均出現(xiàn)在靠近下游斷面處，因此，治理過程中要加強(qiáng)對(duì)龍?zhí)逗酉掠蔚乃廴局卫怼?/p>

5 結(jié)論

根據(jù)龍?zhí)逗恿饔蛳嚓P(guān)管理保護(hù)措施，推算措施實(shí)施后龍?zhí)逗恿饔蛭廴矩?fù)荷入河總量，其中主要污染物COD入河量為147.89 t/a、NH3-N入河量為29.17 t/a。較整治前污染負(fù)荷COD削減量約51.48 t/a(削減率約25.82%)，氨氮削減量約7.92 t/a(削減率約21.35%)。綜上所述，龍?zhí)逗恿饔騼?nèi)整治措施實(shí)施后，對(duì)龍?zhí)逗铀|(zhì)有一定程度的改善，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)流域支流范圍內(nèi)污染源治理及水質(zhì)控制，以保證龍?zhí)逗恿饔蛩|(zhì)得到整體改善。