基于MIKE11模型的南涑河初汛期水質(zhì)水量調(diào)度研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.028

摘" 要：北方冬春兩季氣候干燥，降水不具備形成徑流條件，農(nóng)田殘留化肥、腐敗有機(jī)物等污染物在溝渠內(nèi)聚集。汛期溝渠內(nèi)污染物隨地表徑流匯入河道，對(duì)干流河道水質(zhì)造成影響。為研究初汛期污染物匯入對(duì)河道水質(zhì)的影響，選擇北方淮河流域重點(diǎn)河流南涑河作為研究對(duì)象，針對(duì)COD和氨氮，建立MIKE11模型模擬在初汛期隨污染物匯入后南涑河水質(zhì)的變化規(guī)律，探索最佳調(diào)度方案解決初汛期污染物含量過(guò)高的問(wèn)題。研究表明，初汛期南涑河省控?cái)嗝胬贤蜆虿粷M足水質(zhì)要求。通過(guò)模型模擬，截污能夠保證初汛期南涑河省控?cái)嗝嫠|(zhì)滿足水質(zhì)目標(biāo)。該方法為MIKE11模型的廣泛應(yīng)用提供基礎(chǔ)，并為北方河道初汛期水質(zhì)污染提供解決思路。

關(guān)鍵詞：MIKE11；初汛期；聯(lián)合調(diào)度；水質(zhì)污染；水質(zhì)變化規(guī)律

中圖分類號(hào)：X522" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0112-04

Abstract： The climate in winter and spring in northern China is dry， the precipitation does not have the conditions to form runoff， and the pollutants such as residual chemical fertilizer and rotten organic matter gather in the ditch. During the flood season， the pollutants in the ditch converge into the river with the surface runoff， which has an impact on the water quality of the main river. In order to study the influence of pollutant influx on river water quality in the early flood season， Nansu River， a key river in the Huaihe River Basin in the north， was selected as the research object. Aiming at COD and ammonia nitrogen， a MIKE11 model was established to simulate the change law of Nansu River water quality with the influx of pollutants in the early flood season， and to explore the best dispatching scheme to solve the problem of excessive pollutant concentration in the early flood season. The study shows that Laotun Bridge in the control section of Nansu River does not meet the requirements of water quality in the early flood season. Through the model simulation， sewage interception can ensure that the water quality of the control section of Nansu River in the early flood season can meet the water quality target. This method provides a basis for the wide application of MIKE11 model， and provides a solution to water pollution in the early flood season of northern rivers.

Keywords： MIKE11; early flood season; joint dispatching; water pollution; water quality change law

南涑河屬于淮河流域，種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，但相應(yīng)污水處理設(shè)施建設(shè)不完善，農(nóng)村生活污水集中處理率低，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。北方冬春兩季氣候干燥，降水不具備形成徑流條件，殘留化肥、腐敗有機(jī)物等污染物容易在農(nóng)田溝渠內(nèi)聚集。在汛期，農(nóng)田溝渠內(nèi)的污染物隨地表徑流匯入河道，造成河道水質(zhì)惡化[1]。此外，流域內(nèi)城市老舊小區(qū)、城郊、城中村等生活污水收集管網(wǎng)不完善，未被收集的生活污水也會(huì)隨降雨進(jìn)入河道，引起河道水質(zhì)惡化。

目前世界上針對(duì)河道水質(zhì)水量的研究相對(duì)較多，丹麥水利單位（DHI）研究開(kāi)發(fā)的MIKE系列軟件是目前驗(yàn)證最多的水文權(quán)威軟件[2]。MIKE模型廣泛應(yīng)用于汛期對(duì)行洪安全的研究，張林[3]利用MIKE11模型對(duì)章水流域南康區(qū)河道典型斷面的防洪能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。蘇曉天[4]以MIKE FLOOD為平臺(tái)，研究不同設(shè)計(jì)降雨情景下區(qū)域的水文區(qū)域和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。在水環(huán)境方面，田凱達(dá)等[5]利用MIKE11構(gòu)建合肥市十五里河水動(dòng)力及水質(zhì)模型成功研究該河道水質(zhì)改善效果。張斯思[6]利用MIKE11研究渦河污染物變化規(guī)律，并對(duì)點(diǎn)源截污、污水廠升級(jí)改造等方案進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為河流綜合治理工程決策提供借鑒和依據(jù)。董增川等[7]通過(guò)搭建水質(zhì)水量調(diào)度模型研究水工建筑物調(diào)度對(duì)水質(zhì)的改善效果。

本文以淮河流域典型河道南涑河作為研究對(duì)象，利用MIKE11模型研究初汛期南涑河水質(zhì)變化規(guī)律，同時(shí)采用水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度的方式，解決初汛期污染的問(wèn)題。這對(duì)于研究淮河流域初汛期河道水質(zhì)變化規(guī)律及水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度具有較大研究意義。

1" 區(qū)域概況及研究思路

南涑河位于淮河流域邳蒼郯新片區(qū)，長(zhǎng)42 km，流域面積279.1 km2，河道比降約1/1 000～1/2 000。2020年對(duì)南涑河進(jìn)行治理，河道治理長(zhǎng)度21.55 km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。南涑河流域上游流經(jīng)臨沂工業(yè)園區(qū)，中游流經(jīng)羅莊區(qū)城區(qū)，下游流經(jīng)大面積農(nóng)田，區(qū)域第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)比重大，村莊、社區(qū)人口分布較集中，上游小型工業(yè)企業(yè)分布較為密集，下游農(nóng)田種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)。南涑河入河污染物主要來(lái)自沿河城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水、污水處理廠尾水、農(nóng)業(yè)種植面源污染及畜禽養(yǎng)殖廢水。

南涑河流域共有3處污水處理廠，出水均執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；南涑河流域小型工業(yè)企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)分布較廣，主要產(chǎn)業(yè)類型包括化工、鑄造、食品、建材和制藥等，工業(yè)廢水主要經(jīng)由污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后進(jìn)入水體；南涑河流域穿越城區(qū)段生活污水基本都納入市政管網(wǎng)經(jīng)污水處理廠處理后排放，管網(wǎng)覆蓋率超過(guò)90%，根據(jù)各縣區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒估算，南涑河流域城鎮(zhèn)人口按9.18萬(wàn)計(jì)，污水集中處理率按95%計(jì)算，入河系數(shù)按0.2計(jì)算，南涑河未集中處理城市生活污水入河排污量1.809萬(wàn)t/a，COD總?cè)牒恿考s14.640 t/a，氨氮總?cè)牒恿考s2.009 t/a；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，流域約50%村莊尚未建設(shè)排水管道，農(nóng)村生活污水排水系數(shù)為0.33，則農(nóng)村生活污水排放量為16.5 L/（人·日）。按照南涑河流域農(nóng)村人口及排污水質(zhì)計(jì)算農(nóng)村生活污水產(chǎn)污量，農(nóng)村生活污水集中處理率按35%計(jì)，根據(jù)村莊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地距離河道遠(yuǎn)近，入河系數(shù)按平均0.1取值，入河排放量7.184萬(wàn)t/a，COD總?cè)牒恿考s14.368 t/a，氨氮總?cè)牒恿考s1.437 t/a。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查-農(nóng)業(yè)污染源 肥料流失系數(shù)手冊(cè)》及南涑河流域范圍內(nèi)農(nóng)田種植作物類型、種植面積，根據(jù)肥料流失系數(shù)確定南涑河流域農(nóng)田徑流污染源強(qiáng)為COD 1.797 kg/（畝·年）（1畝約等于667 m2，下同），氨氮0.104 kg/（畝·年），入河量按20%計(jì)，流域耕地面積約37萬(wàn)畝，經(jīng)核算南涑河農(nóng)田種植業(yè)COD總?cè)牒恿考s132.59 t/a，氨氮總?cè)牒恿考s7.67 t/a。南涑河流域主要養(yǎng)殖種類為雞、鴨、鵝、豬和羊，流域內(nèi)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)污水處理設(shè)施和糞污資源化利用設(shè)施配建率基本達(dá)到100%，本次污染源核算主要考慮規(guī)模以下畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的糞污排放情況。畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污及排污系數(shù)采用《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》相關(guān)系數(shù)，本次研究范圍屬于華東區(qū)，采用華東區(qū)相關(guān)系數(shù)，COD入河排污量約為10.57·t/a。

南涑河現(xiàn)設(shè)有老屯橋斷面1個(gè)地表水環(huán)境省控考核斷面，如圖1所示，位于羅莊區(qū)老屯村大橋處，通過(guò)分析南涑河2019—2021年歷年水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，南涑河流域水質(zhì)滿足地表水Ⅳ類水水質(zhì)要求。但由于南涑河流域污染源較多，初汛期溝渠內(nèi)累積冬春兩季的污染物隨地表徑流匯入南涑河，污染難以得到有效控制等原因，省控?cái)嗝嬖诔跹雌陂g仍有不滿足近期水質(zhì)目標(biāo)Ⅴ類水要求的可能。

2" 流域模型構(gòu)建

2.1" NAM水文模型構(gòu)建

本文利用NAM水文模型耦合計(jì)算多個(gè)旁側(cè)入流模擬流域內(nèi)產(chǎn)匯流過(guò)程，基于90 m×90 m的DEM數(shù)據(jù)和南涑河集水區(qū)域，將研究區(qū)域劃分為不同的水文分區(qū)，每個(gè)水文分區(qū)的參數(shù)均為本區(qū)域的參數(shù)平均值。根據(jù)收集到的流域內(nèi)羅西、羅莊、角沂和臨沂等8個(gè)水文站點(diǎn)的2020年降雨數(shù)據(jù)，利用泰森多邊形法計(jì)算南涑河水文分區(qū)內(nèi)平均降雨量，流域蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用2020年老屯站蒸發(fā)數(shù)據(jù)。

將每個(gè)水文分區(qū)概化成一個(gè)NAM模型，水文模型的產(chǎn)匯流參數(shù)是模型的率定參數(shù)，其余均為確定性參數(shù)。

2.2" 水動(dòng)力學(xué)模型

2.2.1" MIKE11 HD簡(jiǎn)介

MIKE11 HD水動(dòng)力計(jì)算模型基于一維非恒定流Saint-Venant方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)[8]，利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解[9]。

2.2.2" 水動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

1）河網(wǎng)概化。概化河網(wǎng)綜合考慮了南涑河及其主要支流包括老龍溝、漁梁溝、降水溝和藕蒲溝等，最終確定概化15條河道，概化河道總長(zhǎng)度196.773 km。

2）斷面概化。南涑河、小黑溝、降水溝、藕蒲溝和老涑河采用實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，每隔100 m設(shè)置1個(gè)斷面；老龍溝、洪溝、漁梁溝等其他支流利用地形數(shù)據(jù)、相應(yīng)河道的河寬水深數(shù)據(jù)及河道坡降數(shù)據(jù)，以梯形斷面的方式進(jìn)行概化。

3）邊界設(shè)置。HD模塊將NAM模型得到的徑流結(jié)果通過(guò)設(shè)置耦合鏈接匯入相應(yīng)支流河道[10]。模型的外部邊界為上游入流和下游出口的邊界條件，河道上游端點(diǎn)給定一個(gè)恒定的流量值作為源頭入流邊界條件，區(qū)間子流域入流同樣也通過(guò)NAM水文模型計(jì)算，并連接到河道中，模型下游采用實(shí)測(cè)水位進(jìn)行邊界設(shè)置。

4）水工結(jié)構(gòu)物設(shè)置。MIKE11 SO將水工建筑物分為不涉及調(diào)度規(guī)則的一般水工建筑物和涉及調(diào)度規(guī)則的水工建筑物[11]。通過(guò)設(shè)置不同的調(diào)度規(guī)則控制水工建筑物的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度。

2.3" 水質(zhì)模型

MIKE11 AD模塊能夠?qū)λw中的可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，其根據(jù)HD模塊產(chǎn)生的水動(dòng)力條件，應(yīng)用對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算并通過(guò)設(shè)定衰減常數(shù)來(lái)模擬非保守物質(zhì)[12]。

2.4" 模型率定

2.4.1" 水動(dòng)力模型率定

河床的糙率系數(shù)是水動(dòng)力學(xué)模型的重要參數(shù)，也是模型率定的重點(diǎn)。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，模型河道糙率初始值設(shè)置為0.03 s/m1/3，通過(guò)人工手動(dòng)率定的方法，對(duì)河道糙率系數(shù)進(jìn)行了率定，確定最終取值。模擬過(guò)程中，納什系數(shù)為0.84，模擬效果良好。

2.4.2" 水質(zhì)模型率定

選擇南涑河老屯橋斷面為驗(yàn)證斷面進(jìn)行水質(zhì)率定，COD誤差均值為10%，氨氮誤差均值為2%，模擬效果良好。

3" 情景分析

3.1" 情景概述

冬春兩季氣候干燥，污染物在溝渠內(nèi)聚集，在初汛期隨降雨徑流匯入河道，造成河道水質(zhì)惡化，為研究初汛期河道水質(zhì)污染現(xiàn)象，選擇2020年6月16日—18日作為研究時(shí)段，利用MIKE模型模擬污染物在初汛期的匯入過(guò)程。選擇COD、氨氮2項(xiàng)指標(biāo)反映初汛期水質(zhì)情況。水質(zhì)模擬結(jié)果顯示隨著污染物不斷匯入，河道COD、氨氮質(zhì)量濃度逐漸升高，無(wú)法滿足省控?cái)嗝嫠|(zhì)要求。

3.2" 調(diào)度方案

3.2.1" 截污

根據(jù)污染物匯入情況，超標(biāo)河段主要集中在老龍溝、泄洪渠（小清河）和藕蒲溝（降水溝），其中泄洪渠和藕蒲溝上存在支流閘，出于研究考慮老龍溝上假定存在支流閘，水閘分布如圖 1所示。在滿足行洪安全的前提下，通過(guò)控制支流節(jié)制閘，減少污染物匯入南涑河，實(shí)現(xiàn)治理截污改善干流水質(zhì)的目的。

3.2.2" 調(diào)水

南涑河上游為涑河，通過(guò)調(diào)水稀釋，能夠改善下游水質(zhì)。根據(jù)前期研究成果，調(diào)水量25 m3/s時(shí)，水質(zhì)依然不滿足省控?cái)嗝嫠|(zhì)要求，根據(jù)2020年6月18日前涑河（小涑河）周井輔站和鼓樓臺(tái)站實(shí)測(cè)流量值，本次只考慮調(diào)水量5 m3/s的情況。

采用水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度的方式解決南涑河初汛期水質(zhì)污染的問(wèn)題，模擬情景為初汛期水質(zhì)變化（支流閘開(kāi)閘無(wú)調(diào)水），調(diào)度方案見(jiàn)表1。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1" 模擬結(jié)果

調(diào)度結(jié)果如圖2所示。由圖1可知，調(diào)度方案一、調(diào)度方案五、調(diào)度方案六和調(diào)度方案七的COD與氨氮均滿足省控?cái)嗝嫠|(zhì)要求。調(diào)度方案二、調(diào)度方案三、調(diào)度方案四不滿足水質(zhì)要求，說(shuō)明泄洪渠、老龍溝支流截污及調(diào)水稀釋效果不明顯，這是因?yàn)樾购榍?、老龍溝主要流?jīng)城區(qū)，不存在面源污染，城市生活污水匯入有限，因此截污效果不好。

3.3.2" 方案分析

由方案一、二、三可知，泄洪渠和老龍溝水質(zhì)污染較輕，對(duì)南涑河水質(zhì)影響較小，在關(guān)閉閘門(mén)的條件下，截污效果不明顯，且由于上游來(lái)水量的減少，反而不利于下游水質(zhì)的凈化。藕蒲溝對(duì)省控?cái)嗝嫠|(zhì)影響最大，藕蒲溝是南涑河上最大的支流，流域內(nèi)以農(nóng)田為主，大量殘留化肥、農(nóng)藥在溝渠內(nèi)聚集，在初汛期隨地表徑流匯入河道造成污染。在地理位置上，藕蒲溝閘距離老屯橋斷面不足4 km，污染物得不到有效降解稀釋，這也是藕蒲溝對(duì)干流水質(zhì)影響最大的一個(gè)原因。

研究結(jié)果表明，截污是改善河道水質(zhì)的重要途徑，通過(guò)控制節(jié)制閘，減少污染物匯入干流，能明顯提升干流水質(zhì)。截污受支流污染物含量和流量的影響，在本次研究中，藕蒲溝是南涑河主要支流，流域面積大，對(duì)干流水質(zhì)影響大，在控制藕蒲溝閘的前提下，能夠有效改善南涑河水質(zhì)。此外，截污需要考慮行洪安全，本次研究藕蒲溝滿足五年一遇除澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

汛前開(kāi)閘泄水不但能夠緩解河道行洪壓力，同時(shí)對(duì)下游水質(zhì)起到稀釋作用。由方案四可知，自涑河調(diào)水至南涑河能夠令COD含量達(dá)到省控?cái)嗝嫠|(zhì)要求，但氨氮含量仍然超標(biāo)。這是因?yàn)殇澈颖旧砗形廴疚?，且調(diào)水量受實(shí)際水量的限制，導(dǎo)致稀釋效果不明顯。因此，受水質(zhì)、水量的影響，調(diào)水對(duì)水質(zhì)的改善效果有限。

研究結(jié)果表明，截污和調(diào)水是改善河道水質(zhì)的重要途徑，在本次研究中，截污效果更明顯，在保證行洪安全的前提下，關(guān)閉藕蒲溝支流閘，能夠減少污染匯入，改善干流水質(zhì)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MIKE11模型搭建南涑河流域一維水文水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，可應(yīng)用于模擬污染物匯入后南涑河水質(zhì)變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在初汛期污染物隨地表徑流匯入河道，會(huì)造成南涑河水質(zhì)超標(biāo)，為解決這一問(wèn)題，通過(guò)施行截污和調(diào)水2種方式，在保證行洪安全的前提下，能夠?qū)λ|(zhì)起到改善效果，對(duì)污染最嚴(yán)重的支流實(shí)施截污是改善干流河道水質(zhì)的最優(yōu)方式。

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基金項(xiàng)目：山東省淮河流域重點(diǎn)平原洼地沿運(yùn)片邳蒼郯新片區(qū)治理工程科學(xué)研究項(xiàng)目（PCTXPQ-KY202002）

第一作者簡(jiǎn)介：董坤明（1987-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樗こ桃?guī)劃設(shè)計(jì)。

*通信作者：韓慶港（1997-），男，助理工程師。研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)等。