基于MIKE模型的黃沙河流域水質(zhì)改善評估

郭 振 湯新武

(1.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518101；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 概 述

近年來，我國黑臭水體治理理念和技術(shù)不斷發(fā)展，以水質(zhì)改善為核心，逐漸形成了“源—遷—匯”全過程治理的主要思路[1]。東莞市作為全國首批水生態(tài)文明建設(shè)試點城市之一，牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，全面推進(jìn)內(nèi)河涌水環(huán)境綜合整治。黃沙河作為東莞市東江流域的重要支流，是東江生態(tài)帶的重要組成部分，更是東莞市對接珠三角城市群、粵港澳大灣區(qū)的紐帶[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃沙河流域水環(huán)境不斷惡化，2016—2018年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，國考斷面水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，部分支流水體水質(zhì)處于黑臭狀態(tài)。黃沙河流域水體污染問題已嚴(yán)重影響周邊居民的生活質(zhì)量與城市形象，不利于城市的發(fā)展，水環(huán)境治理迫在眉睫[3]。

水環(huán)境數(shù)學(xué)模型經(jīng)過長期發(fā)展，在城市水環(huán)境治理和流域水務(wù)管理中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。水環(huán)境模型的研究成果也層出不窮[6-9]，為系統(tǒng)解決黃沙河流域水環(huán)境問題，踐行“流域統(tǒng)籌、綜合治理”的設(shè)計理念，本文在對流域現(xiàn)狀進(jìn)行研判的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)治理方案，并根據(jù)市各部門、鎮(zhèn)(街)治理工作總體安排，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)Ⅴ類為目標(biāo)，采用MIKE模型建立黃沙河流域水環(huán)境模型，評估不同治理方案下流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)效果，為工程組織設(shè)計工作提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域

黃沙河為寒溪河左岸一級支流，發(fā)源于大嶺山，流域內(nèi)有大嶺山、茶山、東城、寮步4個鎮(zhèn)(街)，全長34.90km，總集雨面積197.6km2，兩岸大部分有堤防或河岸防護(hù)。黃沙河中游現(xiàn)建有同沙水庫，總庫容6355萬m3，水庫壩址控制流域面積98.8km2；同沙水庫以下黃沙河干流長12.45km，流經(jīng)東城街道、寮步鎮(zhèn)和茶山鎮(zhèn)，主要支流有筷子河、西南河和橫竹河，流域水系分布見圖1。本次研究范圍主要為同沙水庫以下至匯入寒溪河口部分。

圖1 黃沙河流域水系圖

3 水環(huán)境模型構(gòu)建

3.1 模型范圍

黃沙河流域橫跨4個鎮(zhèn)(街)，有大小河涌34條。為簡化建模計算，根據(jù)實測黃沙河流域河涌水質(zhì)檢測結(jié)果及調(diào)查的流域內(nèi)排污口分布情況，對黃沙河河網(wǎng)進(jìn)行概化分析，構(gòu)建黃沙河流域干流及主要支流數(shù)學(xué)模型，其余支渠及排污口概化為點源加入模型，黃沙河干支流均采用最新的實測河道斷面數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 黃沙河流域水質(zhì)模型

3.2 水動力-水質(zhì)方程

采用MIKE系列軟件中的模塊MIKE11 AD進(jìn)行黃沙河流域水動力水質(zhì)模型計算。

3.2.1 水動力控制方程組

河網(wǎng)地區(qū)水體流動具有明顯的一維特征，因此大多采用一維Saint-Venant方程組對河道水流情況進(jìn)行模擬計算，水動力控制方程組為

式中：Q為流量，m3/s；A為過水面積，m2；q為單位長度側(cè)向入流量，m3/s；R為水力半徑，m；α為動量校正系數(shù)；h為過水?dāng)嗝嫔疃龋琺；g為重力加速度，m/s2；x為距離變量；t為時間變量；C為謝才系數(shù)。

3.2.2 水質(zhì)輸運方程

與水流數(shù)學(xué)模型一致，當(dāng)污染物在橫斷面上混合比較均勻時，其在水體中的輸移轉(zhuǎn)化過程符合一維運動特征，一維水質(zhì)輸運方程為

式中：C為模擬物質(zhì)的濃度，mg/L；u為河流平均流速，m/s；Ex為對流擴(kuò)散系數(shù)；K為模擬物質(zhì)的一級衰減系數(shù)；x為空間坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)。

3.3 邊界概化

依據(jù)黃沙河流域污染源特點，造成流域黑臭的污染負(fù)荷主要來自區(qū)間內(nèi)工業(yè)點源和城鎮(zhèn)生活點源、地表徑流與農(nóng)田面源以及底泥內(nèi)源釋放。根據(jù)收集的污染源資料，經(jīng)過整理核對，對黃沙河流域干流污染源進(jìn)行概化處理。

a.點源概化。根據(jù)調(diào)查資料，流域內(nèi)4個鎮(zhèn)(街)共有819個排口，總排污量31.9萬t/d。對于相對集中分布的直排排污口，為了方便模型計算，概化為一個點源加入模型中，點源輸入位置通過負(fù)荷量加權(quán)平均得到。

b.面源概化。流域面源污染主要發(fā)生在雨季，地面污染物隨降雨徑流進(jìn)入管網(wǎng)中，研究表明，面源污染負(fù)荷主要發(fā)生在初雨過程中。依據(jù)黃沙河流域面源污染分布特點，面源污染主要分為農(nóng)田面源污染和城市地表徑流污染兩大類。地表污染負(fù)荷主要隨降雨進(jìn)入管網(wǎng)再排入黃沙河流域。農(nóng)田面源污染和城市徑流污染參照《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中推薦的“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”和“標(biāo)準(zhǔn)城市法”進(jìn)行估算。黃沙河流域涉及的4個鎮(zhèn)(街)的面源污染入河量統(tǒng)計情況見表1。

表1 面源污染統(tǒng)計情況

c.支渠概化。黃沙河流域干支渠眾多，共計34條。對于流域面積較小的支渠在入干流端口處概化為點源加入到黃沙河流域模型中。

d.內(nèi)源概化?？紤]到黃沙河流域沿程不同位置底泥厚度及污染狀況不同，根據(jù)對黃沙河流域沿程布點處底泥的取樣厚度及相關(guān)報告的結(jié)果，初步給定底泥污染物釋放速率，最終以線源的形式沿河概化到模型中參與計算。

經(jīng)過對污染源排口、支渠進(jìn)行概化，流域入流邊界共有64個，現(xiàn)狀情況下概化后的模型輸入界面見圖2。

e.參數(shù)選取。污染物綜合衰減系數(shù)與河流的水文條件、污染物特征等因素有關(guān)，模型計算參數(shù)選取見表2?？紤]水動力迭代要求和CFL條件，水動力水質(zhì)模擬的時間步長設(shè)置為10s。根據(jù)流域歷史洪水水面線率定的糙率成果，并參考黃沙河流域干支流的防洪規(guī)劃及河道整治規(guī)劃的成果分析，黃沙河計算模型區(qū)域內(nèi)河道糙率取值為0.026～0.032。

表2 模型計算參數(shù)取值

3.4 模型計算及率定

根據(jù)設(shè)置的邊界條件和模型計算的參數(shù)值構(gòu)建黃沙河流域一維水質(zhì)模型(晴天工況下)，同時，利用2017年7月對黃沙河流域干流進(jìn)行的水質(zhì)水量監(jiān)測成果，對構(gòu)建的水環(huán)境模型進(jìn)行率定，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，模擬曲線和實測值除了個別點誤差較大外，其余基本相當(dāng)，均在允許的誤差范圍內(nèi)。因流域內(nèi)缺少實測河涌流量系列資料，會對污染負(fù)荷、河道水質(zhì)的模擬產(chǎn)生一定的影響；另外，各類污染源實際排放過程的不確定性也會造成模擬值結(jié)果和實測值之間的偏差，總體來說，模擬結(jié)果能夠基本反映河道斷面的水質(zhì)變化趨勢。黃沙河流域模型經(jīng)過率定后的參數(shù)取值為：NH3-N衰減系數(shù)0.06/d，TP衰減系數(shù)0.013/d，擴(kuò)散系數(shù)10m2/s，糙率取值0.03。

圖3 實測值及模擬值對比情況

4 水質(zhì)改善關(guān)系研究

4.1 工程設(shè)計方案

在滿足黃沙河流域目標(biāo)水質(zhì)的條件下，水體能接受的污染物最大負(fù)荷總量的確定，不僅需要對包括點源和非點源的污染負(fù)荷進(jìn)行分配，同時要考慮預(yù)留安全值和季節(jié)性變化，采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標(biāo)水體達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此在現(xiàn)狀水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，依次對工程逐步實施后的水質(zhì)進(jìn)行模擬，查看各個河涌的水質(zhì)濃度值，評估工程措施對整個黃沙河流域水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性。

在進(jìn)行工程措施削減量效果分析時分別考慮了晴天和雨天時的削減效果，因此在進(jìn)行水質(zhì)模擬時分晴天和雨天兩種情景來考慮，雨天主要考慮初雨徑流對河涌水質(zhì)的影響。不同情景的工程效果方案見表3。

表3 不同情景的工程效果方案

4.2 晴天情景下水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

對在黃沙河全流域水質(zhì)“Ⅴ類水”的目標(biāo)下所采取的工程措施效果情況進(jìn)行分析，晴天情景下各工況NH3-N和TP的治理效果見圖4和圖5。

圖4 晴天情景下黃沙河流域各工況NH3-N改善情況

圖5 晴天情景下黃沙河流域各工況TP改善情況

從模擬結(jié)果來看，對于NH3-N，在工況1工程實施后，整個黃沙河流域均消除黑臭水體，黃沙河上游至西南河入口段達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，平均濃度為0.89mg/L，筷子河和獅子河源頭河段達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，其余河涌均為劣Ⅴ類水質(zhì)，水質(zhì)濃度范圍為2.21～4.96mg/L；對于TP，黃沙河上游至西南河入口段達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，平均濃度為0.20mg/L，西南河及黃沙河中下游段濃度范圍為0.40～0.96mg/L，橫竹河與獅子河交匯口段TP的濃度較高，平均濃度為1.33mg/L。

繼續(xù)實施工況2工程措施后，NH3-N以及TP濃度值進(jìn)一步下降，除了橫竹河河口段以及從河口段至黃沙河河口段、筷子河河口、沙墩渠河口等水質(zhì)為劣Ⅴ類外，其余河涌3項指標(biāo)均已達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，主要原因是在橫竹河河口處有竹園污水處理廠以及計劃建設(shè)的溫塘污水處理廠，其出水標(biāo)準(zhǔn)分別為一級B和一級A，對水體負(fù)荷較大。

繼續(xù)對污水處理廠采取提標(biāo)工程措施(工況3)，依據(jù)《東莞市2018年度水污染防治工作方案》中對竹園污水處理廠的提標(biāo)要求，出水標(biāo)準(zhǔn)符合一級A和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)中較嚴(yán)值，其中NH3-N和TP符合地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在經(jīng)過污水處理廠提標(biāo)處理后，劣Ⅴ類水質(zhì)的河段均變?yōu)棰躅愃?/p>

4.3 雨天情景下水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

對雨天情景下的水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6和圖7。面源污染負(fù)荷中，污染物主要隨降雨進(jìn)入管網(wǎng)、河網(wǎng)，此類污染負(fù)荷以汛期為主。

由圖6和圖7可知，在初期雨水徑流情況下(工況4)，雨水附帶污染物進(jìn)入雨水管網(wǎng)排入河道，部分進(jìn)入CSO調(diào)蓄池后進(jìn)入污水處理廠，對于NH3-N，除了黃沙河中游部分河段為Ⅴ類水外，其余河涌幾乎均為劣Ⅴ類水，其中西南河平均濃度范圍為3.6～4.0mg/L，橫竹河平均濃度為43.5mg/L；對于TP，除了同沙水庫下泄約100m處為Ⅴ類水外，其余河涌均為劣Ⅴ類水。由此可知，初期雨水對黃沙河流域數(shù)值影響較大，直接影響水質(zhì)達(dá)標(biāo)目標(biāo)考核要求。

圖6 雨天情景下黃沙河流域NH3-N改善情況

圖7 雨天情景下黃沙河流域TP改善情況

在工況5方案中，考慮到初期雨水對黃沙河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響，需要對初期雨水引起的面源污染進(jìn)行工程措施削減。工程措施包括CSO調(diào)蓄、興建生態(tài)濕地、鋪設(shè)濱岸緩沖帶、提高農(nóng)業(yè)化肥的使用效率等。工程措施后的水質(zhì)模擬濃度見圖6(b)和圖7(b)，從圖6(b)和圖7(b)中可以看出，經(jīng)過工程措施后，NH3-N和TP濃度均為Ⅴ類水，目標(biāo)可達(dá)。

5 結(jié) 語

水環(huán)境模型作為環(huán)境治理的輔助工具，在統(tǒng)籌工程組織設(shè)計方面的作用越來越重要，本文針對黃沙河流域面臨的水污染突出問題，通過模型演算對流域提出治理思路及治理需求，科學(xué)有效評估不同工程治理方案在黃沙河流域水質(zhì)改善中的作用，從而為有效治理黃沙河、科學(xué)制定施工時序提供技術(shù)支持。