MIKE模型在契爺石流域水質(zhì)改善中的應(yīng)用研究

湯新武 梁 駿

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 概 述

近年來(lái)隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展,國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng),城市水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出,以水質(zhì)改善為核心的全過(guò)程治理思路逐漸發(fā)展起來(lái)。東莞市作為全國(guó)首批水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市之一,全面開(kāi)展了市轄區(qū)內(nèi)河涌綜合治理工作。契爺石流域作為東莞市石馬河流域重要支流,水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀,且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,河道水質(zhì)存在惡化的趨勢(shì),水環(huán)境治理迫在眉睫[1]。

目前,水環(huán)境模型在城市水環(huán)境治理及評(píng)估工程方案目標(biāo)可達(dá)性分析方面取得了廣泛應(yīng)用[2-3]。郭振等[4]采用MIKE11模型評(píng)估了東莞市黃沙河流域水質(zhì)改善效果;管儀慶等[5]利用基于MIKE模型建立了臺(tái)州市的一維水質(zhì)模型,為河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境管理提供依據(jù);唐玉蘭等[6]采用MIKE11構(gòu)建渾河沈撫段水環(huán)境數(shù)值模型,分析得到了非汛期渾河沈撫段閘壩分區(qū)的生態(tài)補(bǔ)水量;田凱達(dá)等[7]基于一維模型建立了十五里河水質(zhì)模型,并評(píng)估了不同工程設(shè)計(jì)方案下的水質(zhì)達(dá)標(biāo)效果。本文基于MIKE模型研究了污染物排放量與水質(zhì)達(dá)標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系,評(píng)估不同治理措施下水質(zhì)濃度目標(biāo)的可達(dá)性,為今后工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 研究區(qū)域

契爺石水始于東莞市清溪鎮(zhèn)契爺石水庫(kù),于塘廈鎮(zhèn)匯入石馬河,流域面積46.70km2,流域內(nèi)主要行政區(qū)有清溪、塘廈兩鎮(zhèn),主要支流有青皇河、三星渠、大利渠、九鄉(xiāng)渠等。契爺石水庫(kù)壩址控制流域面積17.60km2,占總流域面積的38%,總庫(kù)容1158萬(wàn)m3。壩址以下干流兩岸大部分有堤防或河岸防護(hù),總長(zhǎng)度為12.03km,河道坡降為3.12‰,流域水系見(jiàn)圖1。本次研究范圍主要為契爺石水庫(kù)以下至匯入石馬河口的干流部分。

圖1 契爺石流域水系圖

3 水環(huán)境模型構(gòu)建

本文基于MIKE11中水動(dòng)力模塊及對(duì)流擴(kuò)散模塊對(duì)契爺石流域水動(dòng)力水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算,根據(jù)流域?qū)崪y(cè)水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及沿河排污口情況,對(duì)契爺石干流進(jìn)行概化分析,構(gòu)建干流一維河道水質(zhì)模型,其余支渠及排污口概化為點(diǎn)源輸入模型。

3.1 水動(dòng)力-水質(zhì)方程

3.1.1 水動(dòng)力控制方程

干流河道水體大多采用一維Saint-Venant方程組對(duì)水流情況進(jìn)行模擬計(jì)算,水動(dòng)力控制方程組如下:

(1)

(2)

式中:Q為流量,m3/s;A為過(guò)水面積,m2;q為單位長(zhǎng)度側(cè)向入流量,m3/(s·m);C為底部阻力系數(shù);h為水位,m;R為水力半徑,m;α為動(dòng)量校正系數(shù);g為重力加速度,取9.81m/s2;x為空間坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo)。

3.1.2 對(duì)流擴(kuò)散方程

MIKE11 AD是在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上發(fā)展的對(duì)流擴(kuò)散工具,當(dāng)污染物在橫斷面上混合比較均勻時(shí),其在水體中的輸移轉(zhuǎn)化過(guò)程符合一維運(yùn)動(dòng)特征,一維水質(zhì)輸運(yùn)方程如下:

(3)

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(duì)流擴(kuò)散系數(shù);K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。

3.2 邊界概化

依據(jù)契爺石流域污染源特點(diǎn),造成干流水體污染負(fù)荷源于區(qū)間內(nèi)工業(yè)點(diǎn)源和城鎮(zhèn)生活點(diǎn)源、地表徑流與農(nóng)田面源以及底泥內(nèi)源釋放。根據(jù)多方收集的污染源資料,經(jīng)過(guò)整理核對(duì),對(duì)契爺石干流污染源進(jìn)行概化處理。

3.2.1 點(diǎn)源概化

點(diǎn)源污染主要分為工業(yè)源和城鎮(zhèn)生活源兩大類。契爺石水干流工業(yè)點(diǎn)源及城鎮(zhèn)生活點(diǎn)源主要通過(guò)排污口直排入干流中,流域內(nèi)非直排或者漏排的點(diǎn)源則通過(guò)概化到支渠及支流匯入到河道內(nèi)。對(duì)于相對(duì)集中分布的直排排污口,為了方便模型計(jì)算,概化為一個(gè)點(diǎn)源加入模型中,契爺石支渠同樣概化為點(diǎn)源加入模型中。

3.2.2 面源概化

依據(jù)契爺石流域面源污染分布特點(diǎn),面源污染主要分為養(yǎng)殖場(chǎng)、農(nóng)田面源污染和城市地表徑流污染三大類。契爺石流域面源污染一部分隨降雨進(jìn)入管網(wǎng)通過(guò)市政排污口排入契爺石水干流,其余面源負(fù)荷概化到支渠再帶入到模型中計(jì)算。

3.2.3 支渠概化

契爺石支渠主要為大利渠、三星渠、塘江街排渠、契爺石水支渠、茶園街排渠。支渠的污染負(fù)荷同契爺石水干流類似,以流域內(nèi)的點(diǎn)源、面源及排污口進(jìn)行概化,最終以點(diǎn)源形式加入到契爺石流域模型中。

3.2.4 底泥內(nèi)源概化

考慮到契爺石水干流沿程不同位置底泥厚度及污染狀況不同,根據(jù)對(duì)契爺石水干流沿程布點(diǎn)處底泥的取樣厚度及相關(guān)報(bào)告的經(jīng)驗(yàn),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(jì)算。

契爺石流域水動(dòng)力水質(zhì)模型污染源概化如圖2所示。

圖2 契爺石流域模型計(jì)算污染源概化

3.2.5 邊界條件

a.流量邊界條件。水文設(shè)計(jì)條件一般采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量?？紤]到契爺石水上游為契爺石水庫(kù),年內(nèi)泄流量不均等,從最不利角度來(lái)計(jì)算,選取契爺石水庫(kù)旱季泄流量的多年平均值作為計(jì)算上邊界條件。沿程點(diǎn)源排放。(含干流排污口和污水處理廠處理后的尾水排放口、市政污水排放口)的排放量以東莞市環(huán)境保護(hù)局實(shí)際調(diào)查結(jié)果為準(zhǔn)。各支渠根據(jù)集雨面積求得90%保證率下的最枯月均流量作為支渠基流,并疊加支渠排口的實(shí)際流量作為支渠流量。

b.水質(zhì)邊界條件?，F(xiàn)狀年下模型上游邊界為契爺石水庫(kù)下泄水,水質(zhì)濃度取自東莞市環(huán)保局對(duì)庫(kù)區(qū)的實(shí)際采樣濃度,干流沿程排污口水質(zhì)濃度則以環(huán)保局實(shí)際調(diào)查結(jié)果為準(zhǔn),支渠濃度則依據(jù)點(diǎn)源負(fù)荷和面源負(fù)荷概化得到。模型具體輸入邊界條件見(jiàn)表1。

表1 契爺石-廈坭河模型現(xiàn)狀污染源輸入邊界條件

3.2.6 參數(shù)選取

污染物綜合降解系數(shù)與河流的水文條件、污染物特征等因素有關(guān),根據(jù)華南環(huán)境科學(xué)研究所對(duì)廣東省多個(gè)流域污染物降解系數(shù)研究推薦參考值,本次模型計(jì)算每日COD綜合降解系數(shù)范圍為0.08～0.2,NH3-N取0.05～0.1 ,TP取0.01～0.15。考慮水動(dòng)力迭代要求和CFL條件,水動(dòng)力水質(zhì)模擬的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為10s。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》中糙率推薦值以及參考鄰近流域的防洪規(guī)劃及河道整治規(guī)劃的成果分析,契爺石水干流計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道糙率取值為0.02～0.035。

3.3 模型率定驗(yàn)證結(jié)果

本次研究依托中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院環(huán)境檢測(cè)中心對(duì)契爺石流域干流河道4個(gè)位置的地表水的檢測(cè)結(jié)果(每個(gè)位置取3個(gè)樣本,檢測(cè)得到的COD、NH3-N、TP數(shù)據(jù)取均值)。本次模型率定的主要參數(shù)為污染物降解系數(shù),根據(jù)設(shè)置的初始值范圍,依次對(duì)模型計(jì)算成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表2。選取的4個(gè)位置實(shí)測(cè)值與模擬值誤差均在20%以內(nèi),總體來(lái)說(shuō),模擬結(jié)果基本能夠反映河道斷面的水質(zhì)變化趨勢(shì)。根據(jù)率定結(jié)果,本次特征指標(biāo)的每日降解系數(shù)取值為COD取0.12,NH3-N取0.06,TP取0.013。

4 污染物排放與水質(zhì)達(dá)標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系

4.1 削減方案

為全面了解契爺石水河道水質(zhì)狀況,預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)水平年河道水質(zhì)狀況,需要設(shè)計(jì)不同的模擬方案,逐步改善水質(zhì),建立污染物排放與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系,最終使得模擬水質(zhì)達(dá)到要求的污染程度,求出目標(biāo)水質(zhì)情況下河道容納的污染負(fù)荷限值,在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)有效的污染負(fù)荷削減方案。

本研究共設(shè)計(jì)了5個(gè)污染負(fù)荷逐漸減少的方案,見(jiàn)表3。

表3 模型計(jì)算設(shè)計(jì)方案

對(duì)表3的方案進(jìn)行模擬,并分別記錄每一個(gè)方案契爺石水河口處的COD、NH3-N、TP濃度,見(jiàn)圖3～圖4。

圖3 各Case下模擬河口處斷面的指標(biāo)濃度

圖4 工程實(shí)施后契爺石水沿程水質(zhì)變化效果

4.2 納污能力核算

治水提質(zhì)目標(biāo)為契爺石河口斷面達(dá)到Ⅴ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)。《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 3838—2002) 對(duì)Ⅴ類水判定的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值 單位:mg/L

從圖3可以看出,契爺石目前石水馬河河口處的COD濃度指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),NH3-N濃度和TP濃度仍然處于劣Ⅴ類水。當(dāng)治理力度介于Case 4和Case 5時(shí),NH3-N濃度和TP濃度都達(dá)到了Ⅴ類水的水平。根據(jù)圖3,對(duì)污染物排放量與水質(zhì)濃度建立如下響應(yīng)關(guān)系方程:

對(duì)于COD:

y=-2.5227x2+21.919x-5.6482,R2=0.9997

NH3-N:

y=-12.041x2+21.187x-0.6414,R2=0.9954

TP:

y=-16.513x2+18.093x-0.0538,R2=0.9998

式中:x為污染物排放量,t/d;y為考核斷面水質(zhì)濃度,mg/L;R2為相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)目標(biāo)考核水質(zhì)濃度和特征指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系曲線,得到契爺石水庫(kù)Ⅴ類水的納污能力,見(jiàn)表5,即契爺石水庫(kù)在現(xiàn)狀情況下,達(dá)到Ⅴ類水的NH3-N的污染負(fù)荷限值為0.135t/d,TP為0.025t/d。

表5 契爺石水庫(kù)達(dá)到Ⅴ類水的納污能力

5 水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析

為了更加深入分析契爺石流域現(xiàn)狀水質(zhì)情況,以及在預(yù)測(cè)水質(zhì)為Ⅴ類水的目標(biāo)下所采取的工程措施效果情況,分兩個(gè)階段進(jìn)行水環(huán)境模型演算,由此來(lái)評(píng)估契爺石流域水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性,見(jiàn)表6。

表6 階段性的工程措施

依據(jù)契爺石流域現(xiàn)狀情況下入河污染情況,以及兩個(gè)階段采取的工程措施,分別對(duì)三種指標(biāo)COD、NH3-N及TP在契爺石水干流沿程上的濃度變化進(jìn)行模擬,如圖4所示。

從圖4可以看出,在現(xiàn)狀情況下,由于沿河支流和排污口匯入,帶入較大負(fù)荷,NH3-N和TP濃度沿程增加,但COD濃度先增加后降低。這是由于在4km附近排污口COD濃度較大,達(dá)到190mg/L,而在6km附近清溪廈坭污水處理廠雖污水量大,但COD出廠濃度較低,為18mg/L,由此可見(jiàn),現(xiàn)狀年契爺石水干流受沿程支流及較大排污口影響較大,在支流匯入后,由于污染物擴(kuò)散降解的作用,濃度有一定程度的降低。

在現(xiàn)狀情況下,NH3-N濃度沿河濃度均低于8mg/L,Case1階段采取了沿河截污、應(yīng)急處理設(shè)施、溢流調(diào)蓄設(shè)施、清淤等一系列工程措施后,Case2階段在已建工程基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)污水處理廠提標(biāo)改造,對(duì)沿河實(shí)施一些景觀及生態(tài)修復(fù)工程,對(duì)支渠提出達(dá)到Ⅴ類水的要求。圖4結(jié)果顯示,COD濃度沿河均小于40mg/L,平均為20.43mg/L,平均濃度較現(xiàn)狀下降25.5%;NH3-N濃度沿河均小于2mg/L,平均為1.07mg/L,較現(xiàn)狀下降74.9%;TP濃度沿河均小于0.4mg/L,平均為0.20mg/L,較現(xiàn)狀下降88.3%。工程實(shí)施后,3個(gè)特征指標(biāo)均滿足Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。由此可知,在Case2階段工程實(shí)施后,契爺石水干流水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)。

6 結(jié) 語(yǔ)

a.東莞市水系發(fā)達(dá),但水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀,作為全國(guó)首批水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市之一,本文以契爺石流域?yàn)槔?深入探討了MIKE模型在流域綜合治理中的指導(dǎo)意義,為今后類似工程提供一定參考。

b.以MIKE模型為輔助,通過(guò)制定不同污染物削減方案,量化了河流污染物排放量與水質(zhì)濃度達(dá)標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系,提高了河流納污能力計(jì)算的準(zhǔn)確度。

c.根據(jù)建立的一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型,預(yù)測(cè)契爺石流域在不同工程措施實(shí)施后的水質(zhì)改善效果。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)截污、清淤、增加調(diào)蓄池以及污水廠提標(biāo)等措施后,契爺石水河口斷面水質(zhì)濃度有明顯的降低,基本可以達(dá)到Ⅴ類水目標(biāo)要求,進(jìn)而驗(yàn)證了MIKE模型在流域工程治理中的應(yīng)用價(jià)值。