水質(zhì)模型在水資源保護管理中的應(yīng)用
——以某市為例

陳外才，鄭火炬，黃膺翰，胡 旭，羅凱樂

(1.中國長江三峽集團有限公司， 北京 100038;2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410007)

前 言

在水環(huán)境保護項目中，往往以污染物總量控制、水環(huán)境容量作為區(qū)域的水質(zhì)管理依據(jù)，并以此來確定污染負荷削減量。而在實際工程中，污染物往往通過點源和非點源的排放方式進入水體，靠近排口、岸邊水體中污染物濃度通常較高，即使污染物排放量滿足水環(huán)境容量的要求，也可能會發(fā)生部分水功能區(qū)水質(zhì)超標(biāo)的情況[1～3]。水質(zhì)模型可以在時間及空間上反應(yīng)水體中污染物濃度的變化情況，是水環(huán)境管理和決策中的重要工具。水質(zhì)模型發(fā)展至今已有90多年歷史，從一維穩(wěn)態(tài)模型至三維非穩(wěn)態(tài)模型，簡單變量的單一模型至多模塊的耦合模型，均在水環(huán)境項目中取得了廣泛得應(yīng)用。目前，S-P模型體系、QUAL模型體系、WASP模型體系及MIKE模型體系等均是較為著名的模型體系[4～6]。

某市內(nèi)湖包括湖1、湖2、湖4、湖3和湖5，有著優(yōu)越的地理環(huán)境優(yōu)勢和豐富的生態(tài)資源，包括其中湖1和湖2仍處于自然狀態(tài)，但湖4、湖5面臨著水環(huán)境污染嚴(yán)重的問題。由于某市五湖存在本研究針對某市內(nèi)湖較為復(fù)雜的連通情況，且水工建筑物較多，考慮利用水工建筑物模塊較為強大的MIKE一二維水動力水質(zhì)耦合模型對某市內(nèi)湖的水動力條件及水質(zhì)情況進行模擬分析，并分析多種工況條件下，某市內(nèi)湖水質(zhì)改善情況。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)域位于某市中心城區(qū)，城內(nèi)又分布著5個湖泊，內(nèi)湖水系呈樹枝狀伸入內(nèi)陸低矮崗地，城區(qū)五湖由湖1、湖2、湖4、湖3和湖5組成，五湖集水區(qū)面積約為48.12km2，如圖1(a)所示。五湖并非五個獨立水系，存在河流將其聯(lián)通。研究區(qū)域水體流向隨季節(jié)變化而變化，五湖之間的水體交換受到水工建筑物的調(diào)控，例如在豐水期，水體整體自西向東流，而在枯水期，水體由內(nèi)湖流向外江，流向并不固定。

五湖的水質(zhì)相差較大，其中湖1、湖2水質(zhì)較好，為地表水Ⅲ-Ⅳ類水水質(zhì)，湖4、湖3及湖5水質(zhì)較差，為Ⅳ-Ⅴ類水水質(zhì)，各內(nèi)湖水質(zhì)年內(nèi)變化較大，枯水期水質(zhì)較差，豐水期水質(zhì)稍好。

本次研究收集了某市2018年7月至2020年8月的逐小時降雨數(shù)據(jù)以及該時段閘A、站B的水位數(shù)據(jù)，收集了2019年12月份來自中國電建中南院的31個水位點的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)及24個水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)還包括2019年某市環(huán)保局對該市五湖逐月水質(zhì)監(jiān)測資料，地形數(shù)據(jù)來自于中國電建中南院2020年12月份的水下地形實測數(shù)據(jù)，相關(guān)站點及地形如圖1(b)所示。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

2 研究方法

本研究采用MIKE 11、MIKE 21及MIKE FLOOD構(gòu)建五湖的水動力水質(zhì)耦合模型，一維水動力模型計算圣維南方程組，如式(1)所示。二維水動力模型采用水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組，如式(2)所示。

(1)

公式(1)中：Q為流量，m3/s；q為側(cè)向入流，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；h為水位，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；α為動量修正系數(shù)。

公式(2)中：h為水深，h=d+ζ，其中ζ、d分別為水位和水深；p、q分別為x、y方向上的流量通量，即單寬流量；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；Ω為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量；f為風(fēng)阻力系數(shù)。

水質(zhì)模塊即為對流擴散模塊，可用于模擬在水動力條件下污染物的遷移擴散與衰減過程，水質(zhì)模塊一維對流擴散的基本方程為：

公式(3)中：C為模擬污染物的濃度，mg/L；v為河流斷面的平均流速，m/s；Ex為擴散系數(shù)，m2/s；K為模擬污染物的一級衰減系數(shù)；x為斷面空間坐標(biāo)，m；t為時間，s。

2.1 模型建立

某市五湖水動力水質(zhì)耦合模型如圖2(a)所示。湖1通過閘A(常年關(guān)閉)與外江相連，湖5通過閘B與外江相連，其余內(nèi)湖未與外江直接相連。采用閘A的水位數(shù)據(jù)作為模型的上游邊界條件，采用閘B的流量數(shù)據(jù)作為模型的下游邊界條件。模型中將主要的256處集中排口概化為16處排污口，面源污染通過降雨匯入湖體當(dāng)中，污染物排放量由《全國第二次污染源普查》及某市統(tǒng)計年鑒計算而來，污染物入湖量計算結(jié)果如表1所示，在以上基礎(chǔ)上搭建了五湖的水動力水質(zhì)耦合模型，模型主要參數(shù)參考相關(guān)文獻[7～9]取值如表2所示。

圖2 概化模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of generalized model

表1 某市五湖污染物入湖量計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of pollutant discharge into five lakes of the city (t/a)

表2 水動力水質(zhì)耦合模型參數(shù)取值Tab.2 Parameter value of hydrodynamic and water quality coupling model

2.2 模型率定驗證

2.2.1 水動力模型

水動力模型通過2018年8月～2019年8月收集到的站B水位數(shù)據(jù)用來率定，2019年9月～2020年6月該站的水位數(shù)據(jù)進行驗證，率定結(jié)果如圖3所示，驗證結(jié)果如圖4所示。此時，一維模型河道糙率取值范圍為0.025～0.03，二維湖泊曼寧值取值范圍如圖5所示。

圖3 某市(二)站水位率定結(jié)果圖Fig.3 Calibration result diagram of water level atstation (2) in the city

圖4 某市(二)站水位驗證結(jié)果圖Fig.4 Water level verification result diagram of station(2) in the city

圖5 某市二維模型曼寧值取值示意圖Fig.5 Schematic diagram of manning value of a two-dimensional model in the city

水動力模型的率定結(jié)果的納什系數(shù)為0.9342，驗證結(jié)果的納什系數(shù)為0.9128，水動力模型模擬結(jié)果較為精確。在以上率定驗證結(jié)果的基礎(chǔ)上，對已有水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的31個水位監(jiān)測點的2019年12月份的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，驗證結(jié)果如圖6所示，所有點位的水位模擬誤差均在15%以內(nèi)，模擬水位較實測水位總體偏低，誤差主要集中在-15%～-10%和0～5%之間，水動力模型模擬結(jié)果較為可信。

圖6 某市五湖水位點模擬誤差圖Fig.6 Simulation error diagram of five lake sites in the city

2.1.1 水質(zhì)模型

選取超標(biāo)較為嚴(yán)重的COD、NH3-N及TN作為水質(zhì)模型的污染因子，水質(zhì)模型參數(shù)取值在表2的參數(shù)范圍內(nèi)進行率定，通過2019年某市五湖24個水質(zhì)監(jiān)測點的12月份水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，其中COD模擬平均誤差為27.9%，NH3-N模擬誤差為24.3%，TN模擬誤差為14.74%，某市五湖水質(zhì)模擬誤差模擬結(jié)果如圖7所示，某市五湖2019年12月水質(zhì)模擬結(jié)果如圖8所示。

圖7 某市五湖水質(zhì)模擬誤差圖Fig.7 Water quality simulation error diagram of five lakes in the city

圖8 某市五湖2019年12月水質(zhì)模擬結(jié)果圖Fig.8 Water quality simulation results of five Lakes in the city in December 2019

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬方案

某市內(nèi)湖水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水，為了改善內(nèi)湖水質(zhì)，方案采用新建污水廠及管網(wǎng)、面源削減工程兩種方式來降低污染物的入湖量。其中新建污水廠管網(wǎng)工程通過減少直排污水量降低溢流污染風(fēng)險來改善內(nèi)湖水質(zhì)，在模型中通過對點源(排污口)的排污量進行相應(yīng)修改來體現(xiàn)該措施，面源削減通過降低模型中面源污染入湖量來體現(xiàn)該措施。

為了確定以上兩種工程方案的工程量，本研究共設(shè)計3種工況對工程方案效果進行模擬分析，工況設(shè)置如表3所示。

表3 某市內(nèi)湖各工況下污染負荷削減量表Tab.3 Pollution load reduction amount under various working conditions in the city (t/a)

3.2 模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知(圖9～圖11)，在工況1下，五湖水質(zhì)較現(xiàn)狀有較大的好轉(zhuǎn)，其COD及TN濃度大幅度降低，五湖COD平均濃度由32mg/L降至26mg/L，TN平均濃度由2.2mg/L降至1.4mg/L，但未達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的湖泊水域面積依然較大，其中湖4和湖5水質(zhì)依然較差，總體水質(zhì)仍為劣V類水。在工況2下，水質(zhì)較工況1進一步改善，五湖COD平均濃度由26mg/L降至18mg/L，TN平均濃度由1.4mg/L降至0.9mg/L，NH3-N平均濃度由1.1mg/L降至0.8mg/L。在工況2下，五湖污染物平均濃度已達到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但局部水質(zhì)仍然較差，難以滿足要求，湖4和湖5總體水質(zhì)仍為劣V類水。在工況3下，湖4與湖5水質(zhì)改善情況不明顯，未能全部達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其原因在于：1. 大部分時期五湖水體自西向東流動，污染物伴隨水體進入湖3及湖5，使得其內(nèi)部污染物濃度較高。2.湖3與湖5靠近城區(qū)，且湖體水量較小，水體自凈能力相對較差，且主要排口集中在湖4與湖5，污染物匯入量較大，使其污染物濃度偏高。

圖9 某市五湖工況1下水質(zhì)模擬結(jié)果圖Fig.9 Water quality simulation results of five lakes in the city under condition 1

圖10 某市五湖工況2下水質(zhì)模擬結(jié)果圖Fig.10 Water quality simulation results of five lakes in the city under condition 2

圖11 某市五湖工況3下水質(zhì)模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of water quality in five lakes of the city under condition 3

4 結(jié) 論

4.1 本研究利用MIKE 一二維耦合模型建立了某市五湖的水動力水質(zhì)模型，水動力模擬結(jié)果及水質(zhì)模擬結(jié)果較為精確，在采用實測數(shù)據(jù)進行驗證時，模型基本上能夠準(zhǔn)確的模擬內(nèi)湖的水動力、水質(zhì)情況，其中水動力模型的NSE為0.9128，平均誤差不超過15%，水質(zhì)模型中，污染物的模擬誤差均在30%以內(nèi)。

4.2 五湖中湖1、湖2及湖3水質(zhì)較好，湖5及湖4水質(zhì)較差，根據(jù)模型的模擬結(jié)果，五湖大部分時間水體流向為自西向東，湖4及湖5接受了來自城區(qū)的大部分污染物，沉積在底泥當(dāng)中，建議通過底泥清淤來改善其水質(zhì)。

4.3 當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)較為完備，率定驗證資料較為詳實的情況下，水質(zhì)模型可以為水環(huán)境工程措施的實施提供指導(dǎo)性的意見。主要難點在于工程措施如何轉(zhuǎn)化為模型的“語言”，從而為工程方案提供科學(xué)依據(jù)。