MIKE 21 模型在“引江濟(jì)淮”背景下瓦埠湖水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

呂睿喆

（安徽省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000）

0 引言

安徽省“引江濟(jì)淮”工程溝通長(zhǎng)江、淮河兩大水系，是安徽省重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)志性調(diào)水工程。工程具有保障城鄉(xiāng)供水、發(fā)展江淮航運(yùn)、灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等重要功能[1]。根據(jù)引江濟(jì)淮工程整體布局和輸水線路，范圍劃分為四個(gè)規(guī)劃片區(qū)，分別是引江濟(jì)巢段、江淮溝通段、江水北送段、淮水北調(diào)段[2]。

瓦埠湖是安徽省引江濟(jì)淮工程中江淮溝通段的重要組成部分[3]，也是引江濟(jì)淮工程三大重點(diǎn)湖泊之一[4]，不僅承擔(dān)引江濟(jì)淮工程重要的輸水通道，還發(fā)揮著調(diào)蓄引水注入蚌埠閘上的重要作用，同時(shí)兼有區(qū)域重要的城鎮(zhèn)飲用水源地和農(nóng)業(yè)灌溉用水等多項(xiàng)功能[5]。為確保引江濟(jì)淮輸水干線的供水安全，保護(hù)和改善瓦埠湖水生態(tài)環(huán)境成為當(dāng)務(wù)之急[6]。

1 瓦埠湖水環(huán)境現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

1.1 研究區(qū)概況

瓦埠湖是安徽省淮河流域范圍內(nèi)最大湖泊，位于淮南市壽縣，涉及范圍包括淮南市壽縣、田家庵區(qū)、謝家集區(qū)和合肥市長(zhǎng)豐縣2市4區(qū)（縣）。瓦埠湖屬河流型湖泊，湖面狹長(zhǎng)，南北長(zhǎng)約51 km，湖寬最寬處約6 km，湖區(qū)水面面積達(dá)156 km2；多年平均入湖水量為14.22億m3，蓄水量為2.2億m3；豐水位18.9 m，枯水位15.5 m；最大深度4.5 m，淺處水深0.5 m，湖區(qū)內(nèi)平均水深2～2.5 m，湖底高程15.5 m。瓦埠湖由東淝河下游河段積水而成，入湖河流主要為東淝河、瓦埠河和陡澗河等，下游經(jīng)東淝河下游宣泄入淮[7]。瓦埠湖區(qū)同時(shí)兼有淮南市備用水源地功能，屬于東淝河瓦埠湖六安合肥淮南調(diào)水水源保護(hù)區(qū)，是國(guó)家重要水功能區(qū)。

圖1 瓦埠湖水系匯水范圍概化圖

1.2 瓦埠湖水環(huán)境現(xiàn)狀

瓦埠湖湖區(qū)設(shè)有1 個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)控?cái)嗝?018—2020 年逐月水質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)COD 存在5 次超標(biāo)，高錳酸鹽指數(shù)存在3 次超標(biāo)，氨氮指標(biāo)較好，3 年內(nèi)無(wú)超標(biāo)，總氮存在9 次超標(biāo)，總磷問(wèn)題最為嚴(yán)重，存在12 次超標(biāo)，超標(biāo)次數(shù)占比達(dá)到1/3，最高超標(biāo)月份達(dá)到0.2 mg/L（超標(biāo)3 倍）。

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)選擇評(píng)價(jià)因子Chla、TP、TN、SD、CODMn等5個(gè)濃度參數(shù)[8]，參照綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式，對(duì)2020年瓦埠湖國(guó)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)點(diǎn)位全年12次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果為：水體呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)5次，占比41.7%；輕度富營(yíng)養(yǎng)7次，占比58.3%；年均富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為51.49。綜合評(píng)價(jià)，瓦埠湖整體營(yíng)養(yǎng)化程度為輕度富營(yíng)養(yǎng)化。

1.3 水環(huán)境問(wèn)題與成因分析

根據(jù)瓦埠湖湖區(qū)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其水環(huán)境問(wèn)題主要有兩個(gè)：一是斷面水質(zhì)無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，難以逐月穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)，主要超標(biāo)因子為T(mén)P和COD，二是湖體呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化。

（1）工業(yè)污染。由于治污設(shè)施不完善，瓦埠湖匯水內(nèi)仍存在少量工業(yè)污染，湖區(qū)匯水范圍內(nèi)仍存在多個(gè)排污口；

圖2 瓦埠湖2018—2020年逐月水質(zhì)變化情況

（2）鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)短板突出，導(dǎo)致生活污水直排問(wèn)題突出，部分老舊小區(qū)雨污未能分流、生活污水處理設(shè)施缺乏、污水處理廠處理能力不夠等，此外，瓦埠湖湖區(qū)漁民生活污水直接排放入湖帶來(lái)的污染也是一大原因；

（3）農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。首先，瓦埠湖流域范圍共有耕地面積1301.80 km2，總施肥量達(dá)14.71×104t，過(guò)量施用的農(nóng)藥化肥最終均匯入湖區(qū)[9]；其次，淮南市禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)和養(yǎng)殖專(zhuān)業(yè)戶(hù)搬遷或關(guān)閉執(zhí)行進(jìn)度緩慢，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)目前配備的污染治理設(shè)施比較低，存在大量養(yǎng)殖糞污直排入湖現(xiàn)象；另外，瓦埠湖存在水產(chǎn)養(yǎng)殖，圍網(wǎng)養(yǎng)殖和飼料投放也會(huì)帶來(lái)大量的污染。

2 水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)

為保障引江濟(jì)淮工程輸水安全，針對(duì)重點(diǎn)湖庫(kù)瓦埠湖的水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)要求，在工程規(guī)劃治污項(xiàng)目全部實(shí)施的情景前提下，對(duì)2025年瓦埠湖水質(zhì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，分析水質(zhì)目標(biāo)的達(dá)成情況。

預(yù)測(cè)采用MIKE 21二維模型的水動(dòng)力模塊（HD模塊）和對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD模塊）[10]。MIKE 21模型計(jì)算基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)、河流等水體流動(dòng)、水質(zhì)變化和泥沙輸移等環(huán)境問(wèn)題[11]。

水動(dòng)力模塊（HD模塊）和對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD模塊）其主要方程包括[12]：

式中：x—距離坐標(biāo)；t—時(shí)間坐標(biāo)；A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—流量，m3/s；q—區(qū)間入流；h—水位，m；R—水力半徑，m；g—重力加速度，m/s2；C—河床糙率系數(shù)；Ci—模擬水質(zhì)指標(biāo)濃度，mg/L；D—污染物擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；k—污染物降解系數(shù)，d-1；C2—源匯項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度，mg/L。

表1 2020年瓦埠湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 現(xiàn)狀水質(zhì)模擬分析

為充分了解湖區(qū)水質(zhì)變化情況，采用MIKE21二維模型對(duì)瓦埠湖水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)狀分析及預(yù)測(cè)。根據(jù)瓦埠湖河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及地形高程進(jìn)行河網(wǎng)概化，采用瓦埠湖多年平均水文數(shù)據(jù)作為水動(dòng)力邊界；網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，COD、氨氮、總氮、總磷初始濃度設(shè)定分別參照國(guó)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。研究河段有3個(gè)支流匯入口，1個(gè)流出口，源匯項(xiàng)根據(jù)實(shí)際情況，以2017—2019年的現(xiàn)狀資料（模型時(shí)間序列從2017年1月開(kāi)始，時(shí)間步長(zhǎng)為30 d，時(shí)間步數(shù)為36）為基礎(chǔ)進(jìn)行率定，水質(zhì)數(shù)據(jù)采用瓦埠湖入湖支流上國(guó)控、省控?cái)嗝嬷鹪滤|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模型主要參數(shù)見(jiàn)表2。發(fā)現(xiàn)瓦埠湖水動(dòng)力和水環(huán)境模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，相對(duì)誤差較小，該模型可用于瓦埠湖模擬和預(yù)測(cè)計(jì)算[13]，將基準(zhǔn)年2020年瓦埠湖水質(zhì)現(xiàn)狀、入湖支流濃度、各類(lèi)污染源概化到入湖支流以作為水質(zhì)邊界，可得到瓦埠湖2020年水質(zhì)概化圖。

表2 水動(dòng)力水質(zhì)模型主要參數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果，2020年瓦埠湖湖區(qū)整體COD、氨氮、總磷狀況較為良好，湖區(qū)總氮有較大范圍超標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)在入湖排污口附近存在嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，排污口污染物隨著水流進(jìn)入湖區(qū)后逐漸改善，超標(biāo)情況減輕，湖區(qū)國(guó)控?cái)嗝娓浇黜?xiàng)指標(biāo)整體狀況較好，受點(diǎn)源污染影響較小。從整體上看，瓦埠湖湖區(qū)總體水質(zhì)可以達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，局部地區(qū)受點(diǎn)源污染影響較大，隨水流變化逐漸改善，將排污口進(jìn)行截污至污水廠達(dá)標(biāo)處理后再排放對(duì)瓦埠湖水質(zhì)提升有直接影響。

2.2 2025年水質(zhì)預(yù)測(cè)

模擬預(yù)測(cè)根據(jù)2020年瓦埠湖水位、COD、氨氮、總氮、總磷率定結(jié)果，可得出：瓦埠湖水動(dòng)力模型模擬值和實(shí)測(cè)值基本吻合；水質(zhì)模型模擬結(jié)果趨勢(shì)和實(shí)測(cè)值能較好吻合。故而，率定的模型參數(shù)可以作為未來(lái)水質(zhì)模型預(yù)測(cè)的參數(shù)。

圖3 瓦埠湖2020年水質(zhì)現(xiàn)狀模擬圖

圖4 瓦埠湖2025年水質(zhì)預(yù)測(cè)值模擬圖

圖5 瓦埠湖國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)模擬預(yù)測(cè)值與現(xiàn)狀值對(duì)比圖

圖6 瓦埠湖國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)模擬預(yù)測(cè)值逐月變化圖

根據(jù)瓦埠湖水質(zhì)現(xiàn)狀污染成因分析，未來(lái)引江濟(jì)淮工程在淮南市規(guī)劃實(shí)施水環(huán)境治理任務(wù)，包括開(kāi)展截污導(dǎo)污工程、生態(tài)修復(fù)與水環(huán)境綜合治理工程、城鎮(zhèn)水污染綜合整治、加快建設(shè)和完善配套污水管網(wǎng)、推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖污染防治、入湖排污口布局與整治等任務(wù)，依據(jù)規(guī)劃的相關(guān)任務(wù)，計(jì)算得到2025年污染物瓦埠湖各支流入河削減量，進(jìn)而對(duì)2025年瓦埠湖湖區(qū)水質(zhì)變化情況、國(guó)控?cái)嗝娴腃OD、氨氮、總氮、總磷4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 淮南市規(guī)劃實(shí)施環(huán)境治理主要任務(wù)

2025年瓦埠湖COD總體良好，湖區(qū)內(nèi)COD能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，入湖支流處水質(zhì)也有明顯改善；湖區(qū)氨氮優(yōu)良，湖區(qū)氨氮能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，無(wú)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；總氮和總磷相比過(guò)去有明顯提升，總體上狀況良好，但是存在局部超標(biāo)。

根據(jù)引江濟(jì)淮工程規(guī)劃開(kāi)展的相關(guān)水環(huán)境保護(hù)與治理任務(wù)，2025年瓦埠湖水質(zhì)有顯著提升。通過(guò)對(duì)比2020年瓦埠湖國(guó)控?cái)嗝姹O(jiān)測(cè)值與2025年斷面處預(yù)測(cè)值，斷面預(yù)測(cè)值明顯優(yōu)于現(xiàn)狀值，COD從2020年年均值的16.08 mg/L提升至11.13 mg/L，氨氮從0.11 mg/L提升至0.08 mg/L，總氮從0.70 mg/L提升至0.47 mg/L，總磷從0.045 mg/L提升至0.013 mg/L，各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯提升。

瓦埠湖湖區(qū)斷面2020年逐月水質(zhì)中COD超標(biāo)月份1次，總氮超標(biāo)月份3次，總磷超標(biāo)月份4次，根據(jù)2025年國(guó)控?cái)嗝婺M預(yù)測(cè)值，無(wú)超標(biāo)月份，COD、氨氮、總氮和總磷不僅年均值能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，逐月水質(zhì)也均能達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，湖區(qū)斷面水質(zhì)優(yōu)良，可以滿(mǎn)足引江濟(jì)淮工程供水安全保障。

綜上所述，在規(guī)劃開(kāi)展的治污項(xiàng)目全部實(shí)施的前提下，2025年瓦埠湖斷面COD、氨氮、總氮和總磷逐月水質(zhì)均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，湖區(qū)總體水質(zhì)良好，主要水環(huán)境問(wèn)題為湖泊總氮、總磷局部存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）瓦埠湖作為引江濟(jì)淮工程輸水通道，目前受到工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)面源等污染源影響，現(xiàn)狀水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，存在總磷總氮超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，為確保引江濟(jì)淮輸水干線的供水安全，治理和改善瓦埠湖水環(huán)境質(zhì)量刻不容緩。

（2）通過(guò)構(gòu)建MIKE 21模型，分別對(duì)瓦埠湖2020年和2025年水質(zhì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，在引江濟(jì)淮工程治污項(xiàng)目全部實(shí)施的情景下，2025年瓦埠湖湖區(qū)整體水質(zhì)有了顯著提升，湖區(qū)國(guó)控?cái)嗝娓黜?xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，為輸水安全提供保障。