閘壩調控下的MIKE模型在水環境影響預測評價中的應用

楊道軍，胡琦玉，佘雁翎

(南京大學環境規劃設計研究院有限公司， 南京　210093)

?

閘壩調控下的MIKE模型在水環境影響預測評價中的應用

楊道軍，胡琦玉，佘雁翎

(南京大學環境規劃設計研究院有限公司， 南京210093)

摘要：閘控設施的存在，改變了天然河流的自然流態，閘控雖然在一定程度上提高了水資源利用效率，增強了洪水的調節能力，但從環保角度考慮，閘控卻阻礙了水污染物正常的遷移擴散，并不利于污染物稀釋降解。針對閘控上游的排污行為，現狀情況下不能再以簡單的湖泊模式或河流模式進行環境影響預測，應根據實際水文條件建立模型。本次針對江蘇某污水處理廠擬設排口，設計了五種不同工況下的預測方案，并應用丹麥MIKE21建立模型進行模擬計算，結果表明擬設排污在不同工況下的影響范圍和程度均不同，但總體來說影響均較小。

關鍵詞：MIKE21模型；影響預測；閘壩調控

隨著社會經濟的發展，河流上修建各類閘控已經非常普遍，閘控設施的修建更多的是從水資源利用角度出發，發揮了興利作用，但從環保角度考慮，由于阻隔了河水的天然流態，閘控可能會導致突發性的污染事故發生，近年來這類事故發生的頻率越來越高，根據資料檢索，淮河流域類似的事故發現已經多次。這種污染事件一般沒有固定的排放方式，屬于突然發生，短時間內的廢水集中下泄對下游水環境質量造成較大影響。目前我國經濟的增長方式還是相對粗獷，經濟的增長伴隨著廢水排放的增加，廢水的最終出路必然是天然水體，越來越多的廢水排放與阻隔的、不利于污染物擴散河流形成了一對矛盾體，因此如何有效地預測預警這類排污行為對下游水環境的影響變得非常重要。我國早在1993年就已經頒布了《環境影響評價技術導則 地面水評價》(HJ/T 2.3—93)，該導則列舉了有關一維、二維等水質預測模型。但是經過20多年的發展，這些模型已經不能完全適用現狀的排污行為，比如由于河流上閘控的存在，該河流已經不是真正意義上的“河流”，在閘控的關閉期間，河流其實為狹長形的水庫，并沒有流量，該河流如果還利用導則推薦的模式預測水質則顯得不合適，預測結果必然也不太符合實際。因此，為了客觀預測閘控上游的排污行為對下游水質的影響，應建立與之相對應的模型，為主管部門決策提供依據[1- 3]。

1案例區域概況

太湖流域地處長江三角洲核心區域，經濟發達、人口密集、城市集中，涉及江蘇、浙江、上海和安徽三省一市，流域面積36 900 km2。太湖流域水環境問題日益突出，水污染事件時常發生，為了進一步加大太湖治理力度，國家發布了《太湖流域水環境綜合治理總體方案》。為提高引江濟太效率和效益，需對望虞河西岸實施有效控制。走馬塘拓浚延伸工程是實現望虞河西岸控制，進一步擴大望虞河引江規模、改善引江入湖水質、提高太湖水環境容量的必要條件。該工程主要解決望虞河西岸控制后，引江濟太期間西岸地區的排水出路，改善區域水環境，并改善區域航運條件。

走馬塘拓浚延伸工程南自京杭運河起，利用沈瀆港、走馬塘、錫北運河拓浚，并從無錫境內的后莊東起穿過無錫境內，于常熟市王莊東北的張、虞二市交界止，基本沿著二市交界向東北方向延伸平地開河與七干河相接，再拓浚七干河入江，全長66.30 km。工程主要涉及無錫市錫山區、新區和蘇州市的常熟市、張家港市。為調節走馬塘的水位，建設走馬塘江邊樞紐工程，距離長江口約600 m。走馬塘疏浚后其功能主要定位為排水通道。

2案例項目概況

江蘇常熟新材料產業園位于常熟沿江產業帶。園區規劃總面積5.04 km2，其中一期規劃面積2.97 km2，二期規劃面積2.07 km2。園區以氟化工產業為主導，園區已引進美國、法國、日本、比利時、中國臺灣、中國香港等國家和地區的50多家企業。

作為園區的基礎配套設施——新材料產業園污水處理廠目前已建成，現狀處理規模為1.0萬t/d，污水處理規模不能滿足發展需求，因此需要擴建，由于區域地理位置的特殊性，走馬塘作為該地區的尾水排放通道，因此首選將排污口設置在走馬塘上。

3模型建立

3.1　水動力水質二維數學模型建立

由于地表水導則推薦的模式較簡單，不符合本次計算要求，因此考慮建立數學模型，數學模型已經不再需要手動編程技術，國際上已經有多款商業軟件。目前較為流行的地表水商業軟件有SMS、CEDAS、SWAN、MIKE、DELFT3D、EFDC等。其中MIKE系列軟件在我國應用較廣，該軟件已經在一些大型工程中廣泛應用，如長江口綜合治理工程、杭州灣數值模擬、南水北調工程、重慶城市排污工程等。丹麥DHI公司開發的MIKE21數學模型屬于平面二維表面流數學模型，可廣泛地應用于潮汐、水流、風暴潮等二維水力學現象的研究。

(1)水動力模型基本方程及求解方法

①基本方程

對于水平尺度遠大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二維淺水流動質量和動量守恒控制方程組。其連續性方程、X和Y方向動量方程，可分別表示為：

式中，H為水深，H=h+ζ，其中ζ、h分別為水位和水深； p、q分別為x、y方向上的流通通量； c為謝才系數； g為重力加速度； f為科氏力系數； ρ為水的密度； W、Wx、Wy為風速及在x、y方向上的分量； fw為風阻力系數； τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

(2)水質模型基本方程及求解方法

①基本方程

水質方程是以質量平衡方程為基礎的。由于三維水質輸移方程包含很多不可確定的參數，在現有條件下，模型的驗證存在困難，考慮到資料及模型計算工作量等因素，采用垂向平均的二維水質模型。二維水質輸移方程為：

式中，Ci為污染物濃度； u、v為x、y方向上的流速分量； Ex、Ey為x、y方向上的擴散系數； Ki為污染物降解系數； Si為污染物底泥釋放項。

②方程數值解

對每一時間步長的計算采用剖開算子法進行，具體分平流項、擴散項、源匯項對垂向二維水質模型進行求解。

平流項：求解n+1/3時刻中的值，差分格式如下：

式中，Uk為第k層上x方向的流速；Vk為第k層上y方向的流速；Ekx、Eky為第k層x方向和y方向的紊動擴散系數。

采用特征線法進行平流項的求解，將上式進一步分裂成：

擴散項：求解n+2/3時刻中的值，差分格式如下：

擴散項數值通常較小，采用顯式求解。

源匯項：求解n+1時刻中的值，差分格式如下：

3.2　模型計算范圍及網格劃分

由于走馬塘已經劃定屬于排放通道，再預測分析對走馬塘的環境影響實際意義不大，因此重點考慮長江及其下游取水口水質預測。模型計算范圍為長江(走馬塘入江口處上游7.5km范圍至下游15km范圍)。由于在研究區域長江段內目前正在實施鐵黃沙綜合整治工程，因此，擬分別建立工程開展前、后研究區域的數學模型，以工程實施前所建模型以及實測數據開展相關水力參數的驗證，以工程實施后所建模型開展區域水質預測。鐵黃沙綜合整治工程實施前、后研究區域模型網格概化及地形內插情況分別見圖2、圖3。

圖2　鐵黃沙綜合整治工程實施前研究區域模型網格概化及地形內插圖Fig.2　The regional model of grid of generalizability and terrain insetbefore Tiehuangsha comprehensive improvement poject

圖3　鐵黃沙綜合整治工程實施后研究區域模型網格概化及地形內插圖Fig.3　The regional model of grid of generalizability and terrain insetafter Tiehuangsha comprehensive improvement poject

3.3　邊界條件

①水文邊界條件

模型研究范圍內長江下游段有兩個潮位監測站，二干河十一圩閘下游和徐六涇水文站，上、下游邊界分別以兩個潮位站2010年枯季的水位實測值為邊界。

②水質邊界條件

以各邊界的各類污染物的初始濃度為零，模擬計算擬建排污口分別在正常排放和非正常排放期間對長江的水質影響。同時考慮望虞河引水期間作為邊界條件。

3.4　參數設置及模型驗證

①參數設置

主要的水動力參數：渦粘函數為Smagorinsky亞格子尺度模型；Smagorinsky系數為0.28；曼寧系數M為34(n=1/M，鐵黃沙工程實施前計算區域內模型概化網格數為11 415個，鐵黃沙工程實施后計算區域內模型概化網格數為10 915個。

水質模塊計算參數：縱向擴散系數Ex為33 m2/s；橫向擴散系數Ey為0.5 m2/s；COD降解系數K為0.1 d-1；氨氮降解系數K為0.08 d-1；氟化物K為0。

②模型驗證

根據上文建立的鐵黃沙工程實施前研究區域內模型網格劃分以及二維水動力水質模型，利用2010年望虞河閘(下游)潮位站逐日潮位資料，對2010年11月18日至11月20日一個潮周期的潮位計算值與實測值進行對比，驗證模型的合理性，模型計算值與實測值對比見圖4。

圖4　望虞河閘(下游)模擬與實測水位對比圖Fig.4　Comparison of simulated and measured downstreamwater level diagram of Wangyu lake dam

4模型應用

4.1　計算方案設計

根據與相關部門的咨詢，目前走馬塘江邊閘尚未制定相應的調度方案，其啟閉工作主要根據現場需要靈活制定。長江的潮汐類型呈不規則的半日潮,一般每日潮位二漲二落，閘門開啟主要在長江落潮期。由于受走馬塘江邊閘的調控影響，從偏安全的角度出發，本次進行多計算方案預測。

方案一：正常工況下，考慮落潮期間江邊閘門開啟，從偏安全角度考慮，按江邊閘的設計流量計算，取100 m3/s(在實際運行過程中，該流量僅出現在豐水期，在枯水期流量將遠低于100 m3/s)，4 h后閘門內、外水位基本可持平。污染物濃度取污水處理廠排污水質與走馬塘水體混合水質，預測此種工況下園區污水處理廠污水排放對長江水環境的影響。

方案二：該方案為假定方案，將排污口設在閘控下游位置，即通過長江口直接排入長江。排放水質取污水處理廠尾水設計排水水質。

方案三：與方案一類似，假定污水處理廠發生事故排放，預測此種工況下園區污水處理廠污水排放對長江水環境的影響。

方案四：與方案二類似，假定將排污口設在閘控下游位置，即通過長江口直接排入長江。排放水質取污水處理廠尾水事故排水水質(即污水處理廠接管水質)。

方案五：該方案亦為假定方案，此方案假定閘控設施在很長時間內未開閘(與淮河流域污染事故發生特點類似)，在突然開閘情況下，大量污水集中下泄。由于閘前聚集了大量尾水，因此排污水質取污水處理廠尾水水質。

表1　地表水環境預測方案一覽表

4.2　保護目標分布

本項目研究區域，特別是走馬塘入江口下游存在多個取水單位，見表2。

4.3　預測結果

經MIKE21軟件計算，本次5個計算方案對下游保護目標的影響見表3。

表2　論證水域范圍內保護目標基本情況統計表

表3　尾水排放對長江干流保護目標影響情況表

由預測結果分析可知，以COD為例，方案一對下游保護目標取水口的最大瞬時貢獻值為0.038 mg/L，污染物貢獻值占標率為2.5‰。方案二對下游保護目標取水口的貢獻值為0.002 8 mg/L，污染物貢獻值占標率為0.18‰。方案三對下游保護目標取水口的最大瞬時貢獻值為0.04 mg/L，污染物貢獻值占標率為2.67‰。方案四對下游保護目標取水口的貢獻值為0.023 mg/L，污染物貢獻值占標率為0.15‰。方案五對下游保護目標取水口的最大瞬時貢獻值為0.13 mg/L，污染物貢獻值占標率為8.6‰。

經MIKE21軟件模擬預測，排污口分別設置在走馬塘和長江口分析對比可知，排污口直接設置在長江上的方案對下游的影響相對較小，這主要是因為以尾水排放量作為入河量，相比長江的流量來說，0.347 m3/s的流量顯得微不足道，污染物在很短時間內即可與長江水進行完全混合。排污口設置在走馬塘上，由于受江邊閘閘控的影響，污水在短時間內的集中下泄(最高可達100 m3/s)對長江下游保護目標的瞬時貢獻值要稍大。

5結論

隨著越來越多閘控設施的建成，在閘控的影響下河流水文情況發生了諸多變化。我國在20多年前頒布了相關導則，其中推薦的河流預測模式已經不能完全適應如今預測預警的需求，針對某個具體的排污行為，筆者建議應根據周邊地形情況、水文特征等自行建模，目前市場上已經有眾多商業軟件集成了這方面的功能，在眾多軟件中，MIKE系列軟件在我國應用極其廣泛并被證明是有效的。本次針對某擬設排口通過MIKE21建模并經率定和驗證。經預測可知，排污口設置在內河和長江上對下游的水環境影響是有一定區別的，主要體現在瞬時貢獻值上，但是影響值均較小。本文從環境角度上考慮，仍建議排污口設置在走馬塘上，一方面由于走馬塘仍有一定的污染物降解能力，總體來說減少了污染物排入長江的量；另一方面在長江上設置排污口的技術和施工難度相對較大。需要強調閘控的主管單位要特別注意吸取淮河流域類似的經驗教訓，在豐水期避免河水短時間內的集中下泄，以免造成突發的環境污染事故，同時做好洪水預報工作，做到防洪排澇與環保互贏。

參考文獻(References)：

[1]朱維斌, 王華東. 受閘壩控制的河道水質預測方法研究[J]. 水利水電科技進展, 1998, 18(1): 49- 51.

[2]張永勇, 夏軍, 王綱勝, 等.淮河流域閘壩聯合調度對河流水質影響分析[J]. 武漢大學學報(工學版), 2007, 40(4): 31- 35.

[3]陳豪, 左其亭, 竇明, 等.閘壩調度對污染河流水環境影響綜合實驗研究[J]. 環境科學學報, 2014, 34(3): 763- 771.

[4]許婷. 丹麥MIKE21模型概述及應用實例[J]. 水利科技與經濟, 2010, 16(8): 867- 869.

[5]李娜, 葉閔. 基于MIKE21的三峽庫區涪陵段排污口COD擴散特征模擬及對下游水質的影響[J].華北水利水電學院學報, 2011, 32(1): 128- 131.

[6]汪家權, 陳眾, 武君. 河流水質模型及其發展趨勢[J]. 安徽師范大學學報(自然科學版), 2004, 27(3): 242- 247.

[7]張守平, 辛小康. MIKE21模型在企業污水處理廠入河排污口布設中的應用[J]. 水電能源科學, 2013, 31(9): 101- 105.

Application of MIKE Model in the Water Environmental Impact

Assessment under Dam Regulation

YANG Dao-jun, HU Qi-yu, SHE Yan-ling

(Nanjing University Academy of Enviromental Planning&Design Co., Ltd., Nanjing 210093, China)

Abstract:Dam regulation facilities changing the natural flow regime of natural rivers.Those facilities imporve the utilization efficiency of water resources,and also the capacity of the flood regulation,but from the environmental perspective, those hinder the normal migration and diffusion of pollutants in water,and is harmful to the pollutant dilution degradation. Aiming at the upstream river of the discharge behavior. simple Lake mode or river model can not fit for The present situation in environmental impact prediction.It Should establish the model according to the actual hydrological conditions. In this paper, take a a sewage treatment plant of Jiangsu for example, Design of five kinds of different working conditions of the prediction scheme, and the application of Danish MIKE21 to establish the model to simulate, The results show that the ansatz sewage range and degree of influence in different conditions are different, But in general, impact is very small.

Key words:MIKE21 model; impact assessment; dam regulation

作者簡介：楊道軍(1982—)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，工程師，主要從事環境評價及水資源研究，E-mail： dyang@njuie.cn

收稿日期：2014-10-29

中圖分類號：X820.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2015)01-0086-06

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.022