淮河中游水資源應急調度研究

2018-08-29 11:30:18,2

水資源開發與管理 2018年8期

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381；2.黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

1 引言

隨著淮河流域人口增長，兩岸工農業發展，淮河水環境質量日益惡化，近年來淮河流域突發水污染事件頻繁發生，僅2014年就發生多起污染事件，如:2014年5月3日，淮河潁上段沉船事故造成次生環境水污染事故，2014年12月15日阜陽市臨泉縣境內交通事故造成油漆泄露水污染事故。因此研究淮河突發水污染應急調度具有重要的現實意義。

目前國內外學者對突發水污染應急調度有了一定程度的研究，陳軍[1]針對湘江的實際情況，建立突發重金屬污染的水質模型，為湘江重金屬污染應急水資源調度提供模型依據；王林剛[2]將河流突發水污染模型系統與三維GIS結合，并以渭河某段為例，實現可視化效果；白瑩[3]建立黃河突發水污染預警模型，并對突發水污染調度進行生態風險評價，為決策部門防范區域內突發水污染提供科學支持；James P.DobbinS等[4]研發了船舶突發污染事故應急調控機制決策支持系統，實行數據庫管理，以便實施快速救援，并以密西西比河下游河段進行案例模擬；Christopher[5]針對飲用水源地潛在的主要威脅及突發污染事件應急調控機制進行了系統的研究。

本文在水動力水質模型基礎上，制定不同水資源應急調度方案，重點分析支流位置、支流流量大小對污染物稀釋效果，可為淮河流域水資源調度提供模型基礎，并為其他流域調度方案的制定提供借鑒。

2 MIKE11水動力模型的建立及應用

2.1 模型介紹

MIKE11模型是一維水動力水質模型，以求解圣維南方程組為理論基礎，可用于河流、渠道及灌溉系統一維水流的模擬[6]。其中圣維南方程組的離散方式采用六點中心隱式差分格式(Abbott格式)，在每一個網格點按順序交替計算水位和流量，數值計算采用傳統的“追趕法”。

一維水動力控制方程組[7]：

(1)

(2)

式中x——空間坐標；

t——時間坐標；

Q——流量；

A——過水斷面面積；

h——水位；

g——重力加速度；

q——旁側入流流量或取水流量；

R——水力半徑；

C——謝才(Chezy)系數。

2.2 模型建立

本次一維水動力模型研究范圍為淮河干流臨淮崗至蚌埠閘段，河道長約160km，流量邊界包括上游臨淮崗來水，淠河、潁河、渦河三條支流入流及部分取水口出流，下游取蚌埠閘處為水位邊界。研究區流域圖如

圖1所示，區域概化圖如圖2所示。

圖1 研究區淮河流域

圖2 研究區淮河區域概化圖

MIKE11水動力模型建立需要河網文件(.nwk11)，斷面文件(.xns11)，邊界文件(.bnd11)，時間序列文件(.dfs0)，參數文件(.hd11)，模擬文件(.sim11)等。部分參數設置界面文件如圖3、圖4、圖5所示。

2.3 率定及驗證

由于實測數據有限，本研究選取代表性水文站即魯臺子站的水位數據進行率定驗證。選取2003年6月9—16日為模型計算期，模型計算的時間步長取1min。

經率定，河道糙率系數為0.02～0.03，通過對比MIKE11模擬數據與實測數據可知，模型模擬結果與實測數據的趨勢基本一致，MIKE11淮河段水動力模型是合理可行的。

圖3 研究區域河網文件

圖4 河道斷面

圖5 時間序列文件

圖6 MIKE11模型2003年6月魯臺子水位實測值與計算值對比

3 MIKE11水質模型建立及應用

3.1 模型簡介

MIKE11 AD模塊可對水體中可溶性物質或懸浮性物質的對流擴散過程進行模擬分析，在HD模塊產生的水動力條件基礎上，應用對流擴散方程，通過設定恒定的衰減常數來模擬非保守物質。

一維對流擴散方程：

(3)

式中x——空間坐標；

t——時間坐標；

C——物質濃度；

D——縱向擴散系數；

A——橫斷面面積；

K——線性衰減系數；

C2——源/匯濃度；

q——旁側入流流量。

對流擴散方程采用中心和空間的隱士差分格式。

3.2 模型建立

MIKE11對流擴散(AD)模型參數設置主要涉及定義水質物質組分、初始條件、衰減系數和擴散系數等。AD參數設置界面如圖7所示：

圖7 AD參數設置界面

MIKE11對流擴散(AD)模塊可模擬氨氮、COD等多種物質，研究區域內常見污染物有氨氮、高錳酸鹽等，依據現有實測水質資料，本研究模擬物質取氨氮，初始氨氮濃度設為0.45mg/L，根據實測水質數據設置水質邊界，其中設置水動力邊界須同時設置水質邊界，如潁河口邊界、渦河口邊界，外邊界設置所有模擬成分，如蚌埠閘邊界，內邊界根據實際情況設定物質濃度。

3.3 率定及驗證

MIKE11對流擴散(AD)模塊與水動力模塊一致，選取2003年6月9—16日為計算期，部分水質資料由相關文獻得到[8-9]，本文率定驗證代表性水文站魯臺子站的氨氮濃度。

圖8 2003年6月魯臺子氨氮實測值與計算值對比

經率定，氨氮降解系數為0.141(1/d)。由氨氮濃度模擬分布圖可知，氨氮模擬趨勢與實測數據一致，誤差在允許范圍內。水體水質情況與光照、水體溫度、模擬物質特性等有很大關系，數值模型很大程度上不能完全復演河道歷時情況，即環境系統具有不可重復性[10]，會造成水質模擬誤差較水動力模型的誤差要大。

綜上所述，MIKE11對流擴散模塊合理可行，能準確模擬物質在淮河的運移擴散情況，滿足模擬要求，可為水資源應急調度工況提供有力的水質模型基礎。

4 水資源應急調度模擬

污染物按降解的難易程度，分為保守型污染物和非保守型污染物，保守型污染物很難降解，對同樣污染量的兩種污染物實施應急調控方案，水體中保守型污染物的濃度要高于非保守型污染物。為模擬最不利情況下引水沖污方案對污染物的稀釋效果，本文選取保守型污染物作為研究對象。常見的應急調度處理方式有引水沖污和生物膜技術等，本研究運用數值模型定量模擬分析引水沖污方案。

根據研究區域各支流情況，假設由于水運失事，載有污染物的貨船翻入淮河干流，失事位置位于淠河口與穎河口之間，造成突發水污染事件，污染物溶于水體后濃度高達20mg/L，淮河原水體及各支流水體中不含該污染物。模擬總時長30d，突發污染事故發生時間為第5天，假定該保守型污染物濃度低于0.1mg/L時，能滿足中國地表水環境質量標準(GB 3838—2002)要求，突發污染發生處位置如圖9所示。