MIKE11模型在珠三角河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)改善研究中的應(yīng)用

李青峰，郭 珊,2，張茹玉，閆曉滿，張學(xué)林

(1.廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

近年來，位于平原河網(wǎng)的城市經(jīng)濟發(fā)展迅速，快速的城市化進程使得水污染問題日益嚴重[1-2]，對平原河網(wǎng)水系的影響更為顯著[3-4]。目前，上海[5-6]、杭州[7]、武漢[8]、廣州[9]等城市均提出了一系列水利工程措施以改善水質(zhì)，因此，研究平原河網(wǎng)地區(qū)的水質(zhì)改善措施具有重要意義。

水質(zhì)模型可應(yīng)用于量化評估一些具體工程措施的目標可達性，目前用于水動力水質(zhì)模擬較為廣泛[10-11]，管儀慶等[12]利用MIKE11建立了臺州市的一維模型，用于計算區(qū)域水環(huán)境容量，為平原河網(wǎng)水環(huán)境管理提供依據(jù)；崔廣柏等[13]的研究表明平原河網(wǎng)水動力的提升對于河道水質(zhì)有明顯改善作用；高嵩等[14]運用MIKE11水質(zhì)模型模擬分析了新建泵站對片區(qū)水質(zhì)改善的效果；田凱達等[15]基于一維模型建立了合肥十五里河水質(zhì)模型并應(yīng)用于不同水質(zhì)改善方案的效果評價。上述學(xué)者的研究表明MIKE11模型水動力水質(zhì)模擬在平原河網(wǎng)應(yīng)用良好，因此可用于同樣為平原河網(wǎng)的珠三角河網(wǎng)區(qū)。

珠三角河網(wǎng)為典型的感潮河網(wǎng)區(qū)，水環(huán)境問題隨經(jīng)濟快速發(fā)展日益突出，以往水質(zhì)改善措施分析大多聚焦于長三角平原河網(wǎng)區(qū)域，本文針對珠三角感潮河網(wǎng)復(fù)雜多變的特點，以珠三角地區(qū)的佛山市南海區(qū)流域綜合治理試點——北村水系為研究區(qū)域，選取COD、NH3-N、TP為特征指標，利用MIKE 11模型分析不同工程措施實際應(yīng)用于珠三角河網(wǎng)的水動力及水質(zhì)改善效果，為珠三角平原河網(wǎng)地區(qū)水生態(tài)環(huán)境的長效改善提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

佛山市南海區(qū)北村水系流域地處廣州佛山交界，總面積246.79 km2。北村水系屬珠三角平原河網(wǎng)，水系復(fù)雜，流域內(nèi)有雅瑤水道、大欖河、松崗河等32條總長度129.86 km的主干河涌和228條總長度184.94 km的支毛涌。工程區(qū)內(nèi)主要水系見圖1。各河涌水流主要匯集于雅瑤水道，經(jīng)北村水閘和北村泵站排入水口水道，另一部分排入佛山水道和西南涌。

圖1 北村水系流域范圍

北村水系河涌縱橫密布、閘站建設(shè)稍顯滯后，排澇閘站調(diào)度管理體系尚不完善，導(dǎo)致流域內(nèi)水體流動性差、排澇能力不足；流域控污截污工作進展慢，入河污染負荷大，水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化等問題非常突出，大多數(shù)河涌檢測斷面的部分指標不滿足地表水V類標準要求，超標河涌的比例高達95%以上，水生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化問題亟待解決。

2 一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型構(gòu)建

本文基于MIKE11中的水動力模塊和對流擴散模塊建立北村水系水動力水質(zhì)模型，利用內(nèi)置的求解器進行模型求解，模擬中小尺度河涌水體的水動力水質(zhì)過程，為精準解決珠三角平原河網(wǎng)區(qū)復(fù)雜的環(huán)境問題提供一些參考。

2.1 模型控制方程

2.1.1水動力控制方程

水動力計算基于一維非恒定流Saint-Venant方程組，包括：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中Z——水位，m；t——時間，h；x、B——河道縱坐標及水面寬度，m；Q——流量，m3/s；q——單寬流量，m2/s；A——過水面積，m2；K——流量模數(shù)；g——重力加速度，m/s2。

求解方式為Abbott-Ionescu六點隱式有限差分法，隱式差分具有穩(wěn)定性好、計算精度高等特點。

2.1.2對流擴散方程

MIKE11AD是根據(jù)水動力條件模擬水體中對流擴散過程的工具，基于對流擴散方程計算。一維河流水質(zhì)模型的基本方程[16]為：

(3)

式中C——模擬物質(zhì)的濃度，mg/L；N——降解系數(shù)，d-1；x——空間坐標；t——時間坐標；u——平均流速，m/s；Ex——對流擴散系數(shù)，m2/s。

Ex是一個綜合參數(shù)項，對流擴散模型通過經(jīng)驗公式來估算對流擴散系數(shù)：

Ex=aVb

(4)

式中V——水動力計算的流速，m/s；a、b——自行選取的參數(shù)。

2.2 模型構(gòu)建與驗證

2.2.1河網(wǎng)概化

北村水系河道縱橫交錯，河網(wǎng)極其復(fù)雜，在收集的水動力及水文資料基礎(chǔ)上，根據(jù)河網(wǎng)概化的基本原則，進行合理概化。本次模型范圍包含了流域內(nèi)雅瑤水道、大范河、松崗河、機場涌、豐崗公涌等32條主干河涌，以及部分相關(guān)聯(lián)的支涌，共模擬河涌41條，水閘13個，泵站9個，劃分斷面378個，斷面為實測河道斷面，間距100～500 m。對于流域范圍內(nèi)較小的支涌，將其支渠及排污口概化為點源輸入模型，計算河網(wǎng)平面布置及概化見圖2。

圖2 一維數(shù)學(xué)模型河網(wǎng)概化

2.2.2邊界條件

根據(jù)GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規(guī)程》，設(shè)計水文條件應(yīng)采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計流量。本報告收集到大瀝氣象站2001—2016年降雨資料，經(jīng)分析，2014年1月份為近10年降雨量最小的月份，選取該月作為模型計算時段。

a)水位邊界。研究河段共有13條河涌通過閘站與外江相連，每條河涌水位邊界作為模型的開邊界水位邊界采用2014年1月實測的逐時潮水位，見圖3。

圖3 北村水閘外江實測水位值

b)水質(zhì)邊界。根據(jù)長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司及中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司2018年5月編制的《南海區(qū)北村水系流域水環(huán)境綜合治理項目可行性研究報告》成果，外江水質(zhì)邊界條件見表1。

表1 研究區(qū)域各水體污染物指標濃度情況 單位：mg/L

2.2.3初始條件

模型的水質(zhì)初始條件按照模擬期引水河道的水動力水質(zhì)狀況確定，見表2。

表2 研究區(qū)域各水體污染物指標濃度情況 單位：mg/L

2.2.4模型參數(shù)

a)水動力模型參數(shù)。根據(jù)中國水利水電出版社2011年出版的《水工設(shè)計手冊》，河道糙率取0.025～0.030。計算時間步長為10 s。

a) COD濃度

b)水質(zhì)模型參數(shù)。綜合降解系數(shù)N是反映污染物沿程生物降解、沉降和其他物化等變化的綜合系數(shù)。根據(jù)2.2.5節(jié)中模型率定成果，本次采用的降解系數(shù)：COD取0.1/d，NH3-N取0.07/d，TP取0.01/d。

2.2.5模型率定驗證結(jié)果

根據(jù)北村水系水環(huán)境治理項目地表水檢測數(shù)據(jù)，對7條河道中間位置進行采樣，各個位置采取3個樣本，進行采樣檢測得到COD、NH3-N、TP數(shù)值進行平均。模型率定的主要參數(shù)為污染物降解系數(shù)，結(jié)合已有研究成果選用降解系數(shù)見2.2.3節(jié)。通過模型計算與實測數(shù)據(jù)進行對比，見表3。可知COD模擬除大坑涌相對誤差較大外，其余數(shù)據(jù)相對誤差在18%以內(nèi)，NH3-N模擬相對誤差在17%以內(nèi)，TP模擬相對誤差在18%以內(nèi)，大部分水質(zhì)模擬值與實測值誤差能夠滿足模型計算要求。

表3 研究區(qū)域各河道水質(zhì)監(jiān)測實測數(shù)據(jù)與模型模擬對比

3 工程方案模擬

3.1 方案設(shè)計

以北村水系松崗河片市控考核斷面水質(zhì)為考核目標，選擇COD、NH3-N、TP 3項指標進行模擬計算。分別針對現(xiàn)狀和2組工程方案進行分析，見表4。針對方案1，截污管網(wǎng)建設(shè)將導(dǎo)致點源污染物濃度降低，在模型中減小邊界條件中點源污染物的濃度，針對疏浚清淤工程，可導(dǎo)致水流更加通暢，模型中通過修改河道斷面進行模擬；針對方案2，是在方案1的基礎(chǔ)上增加調(diào)蓄池和新建泵閘引水調(diào)水，增加調(diào)蓄池使得面源污染物濃度降低，在模型中減小邊界條件中面源污染物的濃度，而新建泵閘工程使得引水水量加大，促進水體交換速率。

表4 計算方案

3.2 污染物濃度分析

為分析各河涌現(xiàn)狀及工程后污染物濃度，分別選取主、支河涌典型斷面的污染物濃度進行分析，本文以北村水系中大欖河主河涌、鯉崗尾涌干河涌為例，各河涌采樣斷面布置見圖6。

3.2.1大欖河結(jié)果分析

大欖河起于黎崗水閘，止于松崗南?；ɑ艹?，涌面寬約40～60 m。圖7分別為大欖河典型斷面COD、NH3-N及TP濃度隨時間的變化情況，由圖7可知，通過閘站引水以及各指標自身的衰減作用，大欖河各斷面位置處的污染物濃度呈震蕩式衰減。

a)COD濃度

大欖河3種方案下污染物濃度情況見表5，其中污染物濃度下降率為各方案污染物相對現(xiàn)狀污染物濃度下降的百分比。通過式(5)來估算污染物濃度下降率：

表5 大欖河各方案污染物濃度

(5)

式中S——污染物濃度下降率,%；a——現(xiàn)狀方案的污染物濃度,mg/L；b——各改善方案的污染物濃度,mg/L。

現(xiàn)狀模擬結(jié)果顯示，在現(xiàn)狀閘站調(diào)度引水條件下，大欖河水體交換速度較慢。各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在45.0、3.0、0.8 mg/L左右。

方案1通過新建污水管網(wǎng)截污，降低了入河污染物濃度；同時，對大欖河及沿河支毛涌進行清淤疏浚來提高河道過流能力；綜合上述措施，大欖河可達到Ⅴ類水標準，其中大欖河TP濃度下降率最大，為50%，說明截污及清淤疏浚措施效果良好。

方案2中，水系活水工程的實施，加快水體交換速度，進一步稀釋了污染物濃度。各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在30.0、1.7、0.4 mg/L左右，水質(zhì)較方案1稍有提升。

3.2.2湖馬灣污染物濃度變化分析

湖馬灣起于舊水廠，止于雅瑤水道，全長1.75 km，涌面寬約50 m。涌底淤積嚴重，汛期排水不暢。圖8分別為湖馬灣典型斷面COD、NH3-N以及TP濃度隨時間的變化情況，由計算結(jié)果可知，通過閘站向外江引水以及各指標自身的衰減作用，湖馬灣各斷面位置處的污染物濃度呈震蕩式衰減。

湖馬灣3種方案污染物濃度改善情況見表6。與現(xiàn)狀方案對比，實施方案1與方案2大欖河內(nèi)污染物濃度均有所下降，且在方案2下污染物濃度進一步降低。

表6 湖馬灣各方案污染物濃度

在現(xiàn)狀閘站調(diào)度引水條件下，湖馬灣各斷面COD、NH3-N以及TP濃度分別在73.0、5.2、1.8 mg/L左右。

方案1實施后，COD、NH3-N以及TP濃度較工程前都有所減小，各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在32.0、2.0、0.7 mg/L左右。然而僅靠截污及清淤工程不能使湖馬灣水質(zhì)達到Ⅴ類水質(zhì)目標，但基本滿足消除黑臭水體的要求

方案2中，進一步水系活水工程的實施使得雅瑤水道的水量、水質(zhì)都得到了提升，從而對湖馬灣水質(zhì)帶來正面影響，雅瑤河道的水回流到湖馬灣，進一步稀釋了污染物濃度。COD、NH3-N以及TP濃度較工程前都有所減小，各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在20.0、1.3、0.4 mg/L左右。水質(zhì)基本可以達到Ⅴ類需求。

4 結(jié)論

a)佛山市南海區(qū)北村水系范圍屬于典型的珠三角平原河網(wǎng)區(qū)，河網(wǎng)密度較大，但水流流速較慢，水體交換能力較差，水體污染后，通過自身的流通和凈化能力往往很難得到水質(zhì)改善。本文以北村水系為例，探討了珠三角河網(wǎng)區(qū)進行水質(zhì)優(yōu)化的相關(guān)工程措施，定量分析各措施對水質(zhì)改善的效果，為類似工程提供一定的參考。

b)基于Mike11建立的北村水系一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型，分別對現(xiàn)狀以及各方案條件下相關(guān)水質(zhì)指標的變化過程。分析得到通過現(xiàn)狀泵閘調(diào)控對水質(zhì)的改善效果甚微，而新建截污管網(wǎng)和疏浚工程即可大幅改善河道水質(zhì)，對水質(zhì)改善的效果最為顯著。新建調(diào)蓄池和活水泵閘工程對于河段水質(zhì)改善影響程度不同，需綜合考慮其建設(shè)的必要性。

c)污染嚴重的支河涌，僅靠截污和疏浚無法滿足地表水體Ⅴ類水要求，進一步實施活水工程后，水質(zhì)基本上可以達到Ⅴ類水要求，但水質(zhì)狀況極不穩(wěn)定，受外界擾動影響極大?？稍诜桨?的基礎(chǔ)上實施水系連通和生態(tài)修復(fù)工程，進一步改善水環(huán)境質(zhì)量。