基于MIKE11的城市河網雨水徑流污染模擬研究

王晨婉 李笑晉 （天津理工大學環境科學與安全工程學院 天津 300384)

張會 高丹 （山東省濟南市排水管理服務中心 山東濟南 250100)

雨水徑流污染是城市河道水環境污染的重要因素。在降雨過程中，雨水及所形成的徑流排入河流，對地表水乃至地下水造成污染。污染的發生具有隨機性、污染物排放不確定性、污染負荷的時空差異性以及監測、控制、管理難度大等特點。目前，應用數學模型研究流體水量水質特性成為各種研究機構和管理部門的重要方式，通過建立河道污染數學模型，了解流體的紊動輸移規律和污染物在水體中的輸移擴散規律，從而進行合理的污染物濃度預測。我國在城市雨水徑流污染模型研究方面己經取得了一定有價值的研究成果。[1，2]

本文旨在通過監測雨水徑流及受納水體的水量水質，基于河道模擬軟件MIKE11，模擬河道水量水質的變化規律，探究建立排入雨水情況與受納水體之間的內在關系。在此基礎上，結合雨水水質水量，對降雨形成的污染物遷移擴散進行預測預報。該研究能夠為水污染預測預警系統提供技術支撐，可提高城市主管部門應對轄區內水環境各類風險預警和水污染防治的科學決策能力。

1 研究河網概況

研究河網位于濟南市老城區內，所在河系是一條南北向貫通的河道，上游為羊頭峪東溝，中游為歷山路邊溝，下游為研究河網。上游羊頭峪東溝起源于濟南千佛山山脈，下游匯入小清河。研究河網現狀河形比較規整，斷面為矩形河床，全長為13.2km，河系匯水面積17.78km2。研究河網屬于典型的城市河流，它是濟南市中心城區主要排洪河道，近年來受河道侵占、棚蓋及雨污混流的影響，河水流動性差，河道污染嚴重，行洪斷面嚴重不足，防洪標準僅為20年一遇。[3]

研究河網由一條主干流及左右兩條分支組成，如圖1所示，主干流長約8400m，左支流長約2200m，右支流長約3000m。研究河網兩側居民區較多，排污口較多，水流動性差，且相對集中，非常具有代表性。

圖1 研究河段的河網形狀

2 研究河網水力水質模型（MIKE11）的建立

MIKE11是由DHI公司研究和開發的用于水體模擬的軟件，并帶有對流擴散、水質生態、泥沙傳輸、降雨徑流、洪水預報、實時操作及潰壩模擬等模塊。

2.1 水動力模型

2.1.1 HD水動力模型簡介 河網水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息，并模擬泵站和閘門調度規則對河道水文條件的影響，為水質模型提供基礎信息。水動力學模型采用的是MIKE11HD模型，[4]基本原理為圣維南方程組。其差分格式采用了六點中心隱式格式，數值計算采用傳統的追趕法，即雙掃算法。計算網格由水位點和流量點交叉組成，[5,6]圣維南方程組為：

式中：Q為流量；A為斷面面積；q為旁側入流；h為水深；C為謝才阻力系數；R為水力半徑；α為動量系數，一般取值為1。

2.1.2 水動力模型的構建 根據實測的水文要素信息進行流域描述、河道斷面形狀定義、模型邊界的水文數據輸入及填加水工構筑物，完成水動力模型構建。首先依據現有地形圖進行河網概化，其原則是能基本反映天然河網的水力特性，即概化后河網、湖泊的輸水能力和調蓄能力與實際河網、湖泊相近或基本一致。[7]其次，定義河網斷面文件，確定河道相關參數。本文中進行河道形狀定義主要考慮以下因素：河道形狀定義為梯形；參照資料文獻定義河底高程。通過河網斷面文件的輸入，結合河網文件，完成模擬河網的物理形狀。本文中河道形狀較規則，坡度變化不大。河流初始條件和河床糙率n，也是水流數學模型中需要確定的參數。河床糙率主要反應了水流、泥沙、河道特性等多種因素的綜合阻力作用，[8]依據相關參考文獻，河網初始水深設為0.3m，由于河流底部比較均勻，設置糙率值（n）為0.025。再次，設定邊界條件及模擬時間。結合研究河網的河道斷面資料、2011年實測水文數據及相關研究資料，確定研究河網的水位與流量。設定模擬時間為24h，其中排放雨水前模擬時間9h，排放雨水模擬時間2h，排放雨水后模擬時間13h。時間步長為1min，即每分鐘記錄一次模擬結果。到此就完成水動力模擬文件的輸入。最后，結合模擬結果及實地監測數據，確定并調整水動力模型的參數值，完成水動力模型的構建。

2.1.3 水動力模擬結果 水動力模擬結果可以觀察河網水位流量、斷面水位等水力參數的變化情況。圖2和圖3分別為研究河網的水位和流量動態模擬結果。

圖2 研究河網水位動態模擬

圖3 研究河網流量動態模擬

圖4為研究河網某一時刻的縱截面水位圖，藍綠色部分代表河道此刻的水位情況，紅色間斷線表示模擬區間水位最大值。研究河網流量較穩定，因此水位模擬結果隨時間變化不大，藍綠色部分的最大值與紅色間斷線的距離很近。

圖4 研究河網主干流水位動態模擬

2.2 水質模型的構建

2.2.1 AD水質模型的簡介 MIKE11AD可對水體中的可溶性物質和懸浮性物質對流擴散過程進行模擬，根據HD模塊產生的水動力條件，應用對流擴散方程進行計算。一維河流水質模型的基本方程為：

式中：C為模擬水質指標濃度；D為擴散系數；Q為流量；A為斷面面積；K為綜合衰減系數；C2為源匯項濃度；q為旁側入流。

水質方程中需要確定的參數有兩個：擴散系數D和綜合衰減系數K。

2.2.2 水質模型建立 擴散系數D是反應河流縱向混合特性的重要參數，它主要受水流條件、斷面特征及河道形態等因素的影響，這里采用經驗值5m2/s。

污染物綜合衰減系數K是對污染物在水體中物理、化學和生化反應過程的一個綜合描述，包括了河道自凈、沉降及吸附等復雜的反應過程。本文中分別在黃臺南路邊溝西口南岸、柳行河中斷四號橋北河西側、南全福大街、柳行河北頭一號橋北河西側這4個站點，進行表面取水的實測數據，運用DRB200反應器、分光光度計等儀器監測。依據實地監測數據，基于MIKE11軟件的數學原理，確定COD的衰減系數為0.12/d，NH3-N的衰減系數為0.08/d。

2.2.3 水質模擬結果 將基于MIKE11模型的模擬結果與現場實測值進行對比。從圖5、圖6可以看出：隨著研究河網主河道長度的增加，COD值和NH3-N值整體是呈緩慢下降的趨勢，在主河道2400m和4000m左右COD值和NH3-N值驟然上升是由于左右支流匯入的緣故。模擬結果表明，模擬值與實測值基本吻合，可為河網水質模型和暴雨模擬計算提供準確的水質條件。

圖5 研究河網的COD率定結果

圖6 研究河網的NH3-N率定結果

3 暴雨模擬與分析

3.1 暴雨模擬

研究河網上游主河道西側2400m處（膠濟鐵路南邊）設有雨水排水口，該排水口建有雨水泵站，雨水排放量較大。本文針對夏季暴雨模擬研究河網水量變化及污染物的遷移規律。模擬暴雨由上午9點開始歷時2小時，至11時結束，基于MIKE 11軟件構建的河網模型，預測暴雨事件造成的河道污染的危害范圍、時間與程度。

3.2 模擬結果與分析

圖7 研究河網主河道COD的變化情況，高線與低線分別代表河道擬時段內COD濃度最大值與最小值，中間線為模擬時刻的COD濃度情況

圖8 研究河網主河道NH3-N的變化情況，高線與低線分別代表河道擬時段內NH3-N濃度最大值與最小值，中間線為模擬時刻的NH3-N濃度情況

由圖7、圖8可以看出：在降雨開始初期，雨水及所形成的徑流流經城市地面等沖刷、聚集了一系列污染物，研究河網在雨水口處污染物急劇增加并向下游擴散達到縱坐標最高線，見圖7（b）及圖8（b）；在11:00降雨停止后，污染物繼續向中下游擴散，研究河網主河道中下游的COD、NH3-N含量持續增加，見圖7（c）與圖8（c）；隨著時間的推移和左右支流流量的匯入，由于河流本身的自凈和納污能力，研究河網中下游河道污染物的濃度逐漸下降，在15:00左右研究河網河道污染物濃度達到穩定，之后基本保持穩定，見圖7（d）與圖8（d）。模擬結果顯示，暴雨結束4個小時后，暴雨引起的河網水質惡化影響逐漸消除，河網水質恢復到暴雨前的狀態。

4 結語

本文根據研究河網實測資料與歷史數據，基于MIKE11軟件構建了河流水動力與主要水質指標COD、NH3-N遷移規律模型；并利用實測數據對模型進行率定和驗證，模擬值和實測值吻合良好，該模型能夠準確模擬研究河網水量水質情況。

在模型基礎上，進一步模擬城市暴雨對研究河網河道的影響規律，模型結果顯示：受降雨影響河道水環境質量惡化，相關水質指標劇增，在位于膠濟鐵路南邊河西側的雨水口處，NH3-N值由 1.3mg/L增加到最高達 4.4mg/L，COD值由21mg/L增加到最高達46.2mg/L，由于前期雨水的污染物含量較大，因此排入河網雨水后，河網污染物的含量迅速增高；后期雨水帶來的污染物較少，此刻河網整體的污染物濃度逐漸降低，暴雨影響持續4個小時之后，在河道自凈作用下水質質量恢復正常；模擬結果與實測值相符。該模型能夠用于降雨徑流對研究河網水量水質影響的預測。

城市水環境系統預測是城市水環境管理的重要手段和決策依據，它是利用先進的信息技術，建立城市河道信息發布系統和應急處置體系，以有效支撐城市水環境的科學保護。針對突發的暴雨，預測的時間越短，就越能提高應急處置的主動性和及時性，減少災害損失。此外，河道水環境預測河道水污染控制系統規劃、系統分析、截流前期雨水方案制定及河網污染控制管理具有重要意義?！?/p>

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