基于MIKE11的調(diào)水引流改善平原河網(wǎng)水質(zhì)方法

康譯文

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

1 研究區(qū)水環(huán)境

該文所選研究區(qū)位于我國(guó)海岸線中段，是浙江臺(tái)州境內(nèi)比較關(guān)鍵的河道水系，地形以平原為主，整體地勢(shì)較為平坦。研究區(qū)內(nèi)主要水系為金清水系，該水系位于溫黃平原的東部和南部，流域面積1201.8km2，發(fā)源于溫嶺市、黃巖區(qū)交界的太湖山東麓，東行至大溪后進(jìn)入平原河網(wǎng)地區(qū)，大概有1500 條河道。根據(jù)該區(qū)水環(huán)境功能劃分方案可知，研究區(qū)一共可以分成21 個(gè)水功能區(qū)：8 個(gè)多功能區(qū)、6 個(gè)飲用水源區(qū)以及7 個(gè)其他功能區(qū)。根據(jù)該研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，水環(huán)境主要受生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水的污染，各類污染物的入河量見(jiàn)表1。

表1 平原河網(wǎng)主要污染物入河量表

據(jù)調(diào)查報(bào)告顯示，該研究區(qū)的21 個(gè)水功能區(qū)內(nèi)有12 個(gè)水功能區(qū)存在嚴(yán)重污染，現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅴ~劣Ⅴ類水，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅9.85%，已經(jīng)影響了周圍人民的日常生活，所以需要對(duì)該研究區(qū)內(nèi)的水環(huán)境進(jìn)行修復(fù)。

2 水環(huán)境模型建立與調(diào)水引流修復(fù)

2.1 建立MIKE11水環(huán)境模型

MIKE11[1]是一個(gè)可以模擬各類水體的專業(yè)工程軟件，該文為了研究平原河網(wǎng)流域水環(huán)境修復(fù)技術(shù)，引入MIKE11 建立水環(huán)境模型[2]。先選取合適的MIKE11 子模塊。MIKE11 軟件主要包括水動(dòng)力（HD）、潰壩（DB）、水質(zhì)生態(tài)（Ecolab）以及污染負(fù)荷計(jì)算（Load）等眾多功能模塊，因此MIKE11不僅可以模擬河流的水力學(xué)、水環(huán)境等信息，還可以呈現(xiàn)河流在空間與時(shí)間上的水文特點(diǎn)。該文主要運(yùn)用水動(dòng)力（HD）、降雨徑流（RR）以及水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散（AD）這3 個(gè)功能模塊。其中，HD 主要用于模擬研究區(qū)內(nèi)河道的水位流量等水文狀態(tài)，求解河道水位流量是HD 模塊的基本功能，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：B為河道邊界入流的流量數(shù)據(jù)；S為河道過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e數(shù)據(jù)；Q為河道過(guò)流的流量數(shù)據(jù)；t為計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間參數(shù)；k為計(jì)算點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

根據(jù)水動(dòng)力條件，采用對(duì)流擴(kuò)散方程對(duì)河流水環(huán)境中的懸浮性物（SS）和可溶性污染物質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其基本方程如公式（2）所示。

式中：u為河流平均流速；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；k為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。

RR 模塊中包括眾多板塊，如NAM、UHM 等，但該文在研究中主要使用RR 模塊中的NAM 板塊來(lái)模擬降雨產(chǎn)匯流的過(guò)程。NAM 板塊是一種概念性、集總式的模型，如圖1 所示。該模型能夠基于數(shù)據(jù)支持來(lái)簡(jiǎn)化和定量模擬流域內(nèi)的降雨產(chǎn)匯流過(guò)程，描述斜坡流量、土壤流量、基底流量和土壤含水量的變化等。

圖1 NAM 模擬水文過(guò)程

RR 模塊中的NAM 板塊是將降雨產(chǎn)流轉(zhuǎn)化成地表流域的過(guò)程。用非線性模型表述研究區(qū)域的地表降雨匯流過(guò)程需要聯(lián)立曼寧方程和連續(xù)方程求解，理論公式如公式（3）、公式（4）所示。

式中：L為河流寬度；n為曼寧系數(shù)；hp為地面水深；V為地表的集水量；A為地表面積；d為水的深度；i為降雨強(qiáng)度。

河床糙率是河道水動(dòng)力計(jì)算的主要參數(shù)。為提高模型的水動(dòng)力模擬精度，該文針對(duì)長(zhǎng)河不同河段河道的水力特性，分別從上游河源頭至下游入河口對(duì)自然與人工河道糙率，即曼寧系數(shù)水力參數(shù)進(jìn)行率定。基于初始參數(shù)反復(fù)調(diào)參試算，盡可能使流量的模擬值接近實(shí)測(cè)值。率定期內(nèi)，水量模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差滿足要求，自然的河流取值一般為0.3~0.4。

AD 是基于HD 模塊實(shí)現(xiàn)的，主要用于模擬河道水體中各類物質(zhì)的運(yùn)輸流程，也可以結(jié)合MIKE11 的其他模塊對(duì)水環(huán)境污染物的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行率定，從而確保MIKE11 水環(huán)境模型的精度。AD 模塊的對(duì)流擴(kuò)散如公式（5）所示。

式中：D為水環(huán)境污染物的濃度數(shù)據(jù)；v為河道水流速度數(shù)據(jù)；η為水環(huán)境污染物的擴(kuò)散系數(shù)；μ為水環(huán)境污染物的衰減系數(shù)。

MIKE11水環(huán)境模型的建立流程[3]如下：1）獲取MIKE11水環(huán)境模型建立所需的數(shù)據(jù)和邊界條件，其中所需各類水量、水環(huán)境數(shù)據(jù)均來(lái)源于該研究區(qū)內(nèi)的水利部門統(tǒng)計(jì)年鑒，模型邊界條件則根據(jù)河道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定。2）建立MIKE11水環(huán)境模型。水環(huán)境模型主要由河網(wǎng)、斷面、邊界降雨以及水質(zhì)參數(shù)等文件組成，其中MIKE11 水環(huán)境模型的HD 模塊生成需要先將研究區(qū)域的流域底圖備份文件作為平原河網(wǎng)底圖，在該底圖上描繪出研究區(qū)域內(nèi)各河道走向，并對(duì)地圖坐標(biāo)進(jìn)行修正處理，然后將各河段的名稱更改為實(shí)際河道的名稱，從而實(shí)現(xiàn)河道信息的錄入，并形成河網(wǎng)文件。3）建立研究區(qū)域河段的斷面文件。使用Update Markers 功能將河段斷面信息進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)斷面信息的錄入，并形成斷面文件。同時(shí)再建立研究區(qū)域內(nèi)河段的時(shí)間序列與HD邊界文件，二者可以確保MIKE11 水環(huán)境模型正常運(yùn)行并且不會(huì)對(duì)模型精度產(chǎn)生影響。4）建立HD 參數(shù)文件與模擬文件，以保證MIKE11 水環(huán)境模型可以平穩(wěn)啟動(dòng)。在參數(shù)文件中將初始水位設(shè)定在河底與河床高度之間，確保模型正常運(yùn)行計(jì)算，并控制模擬文件的柯朗數(shù)在8 以下，這樣才能縮短MIKE11 水環(huán)境模型的運(yùn)行時(shí)間。5）生成MIKE11 水環(huán)境模型的AD 模塊。先在HD 模塊基礎(chǔ)上確定研究區(qū)內(nèi)河道的污染因子和污染物的擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)，然后結(jié)合初始條件與邊界條件信息生成MIKE11 水環(huán)境模型的AD 模塊。6）生成RR 模塊。MIKE11 水環(huán)境模型的RR 模塊需要參考研究區(qū)內(nèi)氣象監(jiān)測(cè)資料來(lái)建立，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)日降水量和蒸發(fā)量，將其作為模型輸入?yún)?shù)，并將雨水徑流匯入河道的面源COD 等物質(zhì)當(dāng)作穩(wěn)態(tài)排放污染物，以此生成RR 模塊。最后將上述生成的全部文件聯(lián)立起來(lái)，從而生成最終完整的MIKE11 水環(huán)境模型。

2.2 調(diào)水引流修復(fù)

調(diào)水引流在穩(wěn)定內(nèi)河水環(huán)境、修復(fù)水環(huán)境面貌方面成效顯著。為此，該文以現(xiàn)狀條件為基準(zhǔn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了2 種調(diào)水引流方案，即低水引清和高水引清，均在科學(xué)引排調(diào)度基礎(chǔ)上，通過(guò)改變河道水體流動(dòng)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)平原河網(wǎng)流域水環(huán)境的修復(fù)[4]。

2.2.1 低水引清

在平原河網(wǎng)水位適宜的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程的優(yōu)勢(shì)，在河道包圍圈外，沿著河道兩側(cè)泵閘開(kāi)始抽水，將平原河網(wǎng)的水位降低至12cm 左右。同時(shí)將平原河網(wǎng)內(nèi)各處閘門都打開(kāi)，通過(guò)向外抽排降低河道水位差。在河道水體抽排過(guò)程中，可以使用集中泵排與分散泵排2 種排水方式，通過(guò)排水促進(jìn)河道水體流通，從而達(dá)到水環(huán)境修復(fù)的目的[5]。

集中泵排：包圍圈外圍沿平原河網(wǎng)側(cè)泵閘中，集中開(kāi)啟高位水閘門向平原河網(wǎng)排水，排水流量均為5m3/s，其他低位水閘門側(cè)口門關(guān)閉。

分散泵排：包圍圈外圍沿平原河網(wǎng)側(cè)泵閘中，分散開(kāi)啟高位水閘門向運(yùn)河排水，其他低位平原河網(wǎng)側(cè)口門關(guān)閉。

2.2.2 高水引清

高水引清需要結(jié)合平原河網(wǎng)引水流量的實(shí)際要求，發(fā)揮平原河網(wǎng)沿線泵站的導(dǎo)流功能，將優(yōu)質(zhì)水體引入河道。并運(yùn)用河道外圍泵閘將河道水位控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以分散泵排或者泵排結(jié)合自流的形式將河道內(nèi)水體排出，從而達(dá)到平原河網(wǎng)流域水環(huán)境修復(fù)的目的。

2.2.3 水環(huán)境修復(fù)程度定量分析

為了更直觀地描述2 種調(diào)水引流方案修復(fù)平原河網(wǎng)流域水環(huán)境的效果，該文以水環(huán)境濃度改善率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量分析平原河網(wǎng)流域水環(huán)境修復(fù)程度，其計(jì)算如公式（6）所示。

式中：G為平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度改善率；C1為調(diào)水引流前平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度；C2為調(diào)水引流后平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度。

利用G來(lái)評(píng)估平原河網(wǎng)流域水環(huán)境修復(fù)程度時(shí)，如果所求G值大于零，說(shuō)明平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度呈下降狀態(tài)；反之，如果所求G值小于零，說(shuō)明平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度呈上升狀態(tài)。

3 修復(fù)效果分析

3.1 不同方案氨氮濃度改善率對(duì)比

為研究上述2 種調(diào)水引流方案對(duì)平原河網(wǎng)流域水環(huán)境的修復(fù)效果，該文分別獲取了引水天數(shù)為1d~12d 的平原河網(wǎng)氨氮濃度改善率的變化情況，如圖2 所示。

圖2 平原河網(wǎng)流域水環(huán)境濃度改善率對(duì)比圖

由圖2 可知，隨著引水天數(shù)的增加，這2 種調(diào)水引流方案下的氨氮濃度改善率均呈上升狀態(tài)。當(dāng)引水天數(shù)由1d 增加至5d 時(shí)，采用高水引清方法的平原河網(wǎng)流域水環(huán)境改善率顯著增加，從20%提升至63%。主要原因是高水引清方案通過(guò)抽引優(yōu)質(zhì)水源來(lái)增加平原河網(wǎng)水系內(nèi)清水的流通量，從而使氨氮濃度改善率得到了明顯提升。而采用低水引清方法的平原河網(wǎng)氨氮濃度改善率雖然有所增加，但僅從20%提升至41%，其增加幅度大大低于高水引清方法。由此可以說(shuō)明，平原河網(wǎng)氨氮濃度改善率和引水期間內(nèi)河道水體流通量之間存在直接聯(lián)系。當(dāng)引水天數(shù)由6d 增至12d 時(shí)，低水引清與高水引清這2 種調(diào)水引流方案下的平原河網(wǎng)氨氮濃度改善率均穩(wěn)定在63%，說(shuō)明這2 種方案均可以較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期活水效果，并獲取有效的水環(huán)境修復(fù)效果。

3.2 不同河道氨氮濃度改善率對(duì)比

在上述研究基礎(chǔ)上，該文還詳細(xì)探討研究區(qū)內(nèi)同一調(diào)水引流方案對(duì)不同河道水環(huán)境的修復(fù)效果，調(diào)水引流方案采用高水引清方案，引水天數(shù)為7d，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 高水引清下不同河道氨氮濃度改善率對(duì)比表

由表2 可知，在同一調(diào)水引流方案中，不同河道的氨氮濃度改善率各不相同，但都會(huì)隨著引水時(shí)間增加呈上升趨勢(shì)，并且當(dāng)引水天數(shù)為5d 時(shí)，氨氮濃度改善率達(dá)到峰值。

4 修復(fù)建議

4.1 污染物排放減量

綜合考慮污染可控性、既有排污格局和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性等因素，兼顧效率與公平，結(jié)合經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分配法和污染貢獻(xiàn)分析法，合理分配允許排污量至子流域各行政區(qū)劃或控制單元，充分利用河流水環(huán)境納污能力，在確保目標(biāo)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，有效提高河流水環(huán)境質(zhì)量。

4.2 水資源優(yōu)化配置

為了實(shí)現(xiàn)水量?jī)?yōu)化配置、水資源科學(xué)利用，可在對(duì)長(zhǎng)河流域降水、水資源總量、可利用量、現(xiàn)狀情況下流域內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用情況等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前水資源管理的法律、法規(guī)及當(dāng)?shù)厮Y源管理的“三條紅線”相關(guān)要求，優(yōu)先考慮節(jié)水和再生水利用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合流域徑流、洪水特征、地形條件以及土地利用規(guī)劃等情況，通過(guò)建設(shè)蓄水活水工程、閘壩工程以及調(diào)蓄型濕地工程等，最大程度地保證河道生態(tài)用水，改善河道水動(dòng)力條件，并改善河流水質(zhì)。

4.3 水生態(tài)環(huán)境修復(fù)

根據(jù)“因河制宜、生態(tài)優(yōu)先、最小干預(yù)、有水為藍(lán)、無(wú)水則綠”的原則，突出“以水為脈、以綠為韻”的理念，結(jié)合防洪與水質(zhì)改善工程建設(shè)內(nèi)容，可通過(guò)加入綠廊、濕地、生態(tài)河道構(gòu)建及生物多樣性、增加動(dòng)植物種類和群落組成等設(shè)計(jì)手法，拓寬河道現(xiàn)有生境和植物群落，適度營(yíng)造生物棲息空間，構(gòu)建聯(lián)系山體—河道—濕地的多元生態(tài)、通行脈絡(luò)，發(fā)揮河道生態(tài)環(huán)境資源的特殊優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建讓長(zhǎng)河呈現(xiàn)“水豐、水活、水凈、水美”狀態(tài)的健康水系網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)平原河網(wǎng)流域水環(huán)境遭受重度污染的問(wèn)題，綜合考慮水文特征與經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)用MIKE11 水環(huán)境模型的HD、AD 以及NAM 模塊模擬平原河網(wǎng)流域水環(huán)境，并設(shè)計(jì)了低水引清與高水引清2 種調(diào)水引流方案來(lái)修復(fù)平原河網(wǎng)流域水環(huán)境。由于該文所選研究區(qū)的資料不足，MIKE11 水環(huán)境模型中模擬的降雨徑流量與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定差距，造成了不可避免的誤差，為了取得更好的凈水效果，今后將繼續(xù)深入研究以彌補(bǔ)這方面的不足，使MIKE11 水環(huán)境模型更精準(zhǔn)。