基于MIKE11模型構建的流域現狀年水量水質模擬

張美英

（遼寧江海水利工程有限公司，沈陽 110003）

1 概述

渾河是遼河流域的一條支流，流向為從東北流向西南，經過撫順市、沈陽市、遼陽市和鞍山市，河流總長415.5km，流域面積11480km2，在海城市附近，由三岔河和太子河匯合并匯入大回河，向南通過營口市，進入遼東灣［1］。渾河流域丘陵區占總流域面積65%，平原占總流域面積的35%，渾河是一個非對稱水系，東側支流密集，水量豐富，西側支流較少，水量較少。渾河流域上游為山區，山地高程一般在410～850m之間，從中部到撫順的地勢呈逐漸上升趨勢，與沈陽附近的遼河平原相連形成丘陵地區。

2 水質模型構建

MIKE11（AD）模型用于模擬渾河流域的水質，受數據、模型、技術等不確定因素限制，該模擬結果的準確性存在一定偏差。然而，從變化趨勢看出，模擬結果可代表河流水質隨時間和河段的變化特征［1］，結果可靠合理。

河段所在的渾太水系流經遼寧省中心城區，主要污染包括工業廢水和生活污水排放［2］，因此，建立了一維點源污染水質模型用于河段研究。

2.1 水質模擬與參數率定

2.1.1 污染源概化

污染源概化是目前河網水質計算中相對復雜課題，基于排污口和污染物負荷的概化［2］，包括污水排放、排放濃度及污染物類型。根據環保部門提供的調查資料來看，渾河流域的大多數企業都位于撫順市至沈陽市的區域內，使用集中式管道或溝渠對污染物進行排放，沿河小型排污口與相鄰的大型排污口合并，形成29個排污口。

2.1.2 污染物特征確定

根據渾河流域沿線企業的產業結構，結合流域水污染防治現狀，選擇影響水功能區域的主要污染物計算水污染能力［2］。

據2015～2018年沿線各水質監測結果分析，渾河干流段水質污染已達重污染或重度污染水平，尤其沈陽下游區域污染最為嚴重，其COD平均濃度已達41.60mg/L，而枯水期COD平均濃度58.80mg/L，氨氮平均濃度5.89mg/L，而枯水期氨氮平均濃度可達15.70mg/L。根據地表水環境質量標準，其COD濃度、氨氮濃度均屬于劣V類水質，是影響水質的主要污染物［2］，因而選擇COD和氨氮代表水質有機物的容量［3］。

2.2 參數率定

MIKE11對流擴散模型的主要參數包括衰減系數和擴散系數，分別表示自凈和稀釋作用的大小［3］，使用常規水質監測站的監測值確定參數值。由于2015～2018年實測監測數據和水質水量監測數據的完整性和可靠性良好，做為選擇水質參數的率定年。

2.2.1 擴散系數

擴散系數計算如式（1） ：

式中 D為擴散系數；a為擴散系數常數；b為擴散系數指數；u為流速（m/s）。

Fischer半經驗公式對擴散系數的值進行分析率定，如式（2）：

式中 u為流速（m/s）；B為河寬（m）；H為水深（m）；I為坡降；u*為摩阻流速（m/s）。

從式（1）可知影響擴散系數的主要因素，其坡度I和河流寬度B是恒定的。由于上游來水量的不同，其流量和水深也隨之變化，為了使其更接近實際情況，擴散系數常數a是按照不同時間段分開率定的［3］，并根據來水量的不同分別建立擴散系數極限，擴散系數指標值b恒定等于2，且恒定系數值a在上限和下限之間確定，同時，在AD參數設定時，河流D經驗系數為5.0～20.0。

選擇2018年水動力模型流速模擬結果進行計算，可得擴散系數如表1。

表1 2018年渾河擴散系數計算成果 單位：m2/s

2.2.2 衰減系數

衰減系數是計算水體水質吸收污染物能力的非常重要的參數［3］，與河流的水文要素狀況密切相關，計算如式（3）：

式中 k為衰減系數（d-1）；u為河段平均流速（m/s）；x為上下斷面的間距（km）。

由于污染物衰減的機理相對較復雜，衰減系數受河道多種因素的影響，變化較大，隨機性也相對較大，很難獲得反映真實河道水質污染物衰減的定量值［4］，因此，參考經驗值，該模型僅模擬衰減系數的綜成值。在水庫中，水流幾乎是處于靜態的，其衰減特性與河流不同，因此，應分別對河流和水庫設置衰減系數［5］。計算結果如表2。

表2 渾河衰減系數k率定結果 單位：（d-1）

2.2.3 模擬結果及合理性分析

由于監測數據以月為單位，故模型以月為單位進行輸出，選取2018年撫順、黃臘坨水質監測站擬合結果進行分析。率定期水質模擬的擬合情況如圖1～圖4。

圖1 撫順站氨氮模擬結果與實測值

圖2 撫順站COD模擬結果與實測值

圖3 黃臘坨站氨氮模擬結果與實測值

圖4 黃臘坨站COD模擬結果與實測值

由圖1～圖4可知，水質模擬結果與測量值之間仍然存在一定誤差，汛期水質模擬精度高，而非汛期水質模擬精度相對較低，從水質模擬效果的總體趨勢不難看出，非汛期特征水質污染物的濃度較高，汛期特征水質污染物濃度偏低，與季節性變化的實際河流水質相符，可代表河流污染物擴散和衰減的過程［5］，模擬效果是理想的。

3 現狀年渾河水量水質模擬

3.1 現狀年選取

統計大伙房水庫1959～2018年天然來水量資料，并用皮爾遜III型曲線進行頻率分析，2015年屬于正常偏枯水年，水質監測資料齊全、排污口相關數據完整。將2015年作為現狀年，數據具有代表性和時效性。

3.2 水動力模擬結果

將水量水質模型應用于現狀年。以年徑流量為目標值，將模擬值與實際監測值進行對比，結果如表3。

表3 渾河各測站年徑流量 單位：億m3

由表3可知，撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站年徑流總量誤差分別為21.59%，4.06%，4.19%，模擬效果良好。繪制了2015年撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站的實測月均流量和模擬流量結果對比圖，如圖5～圖7。

圖5 撫順站實測徑流與模擬結果

圖6 黃臘坨站實測徑流與模擬結果

圖7 邢家窩棚站實測徑流與模擬結果

圖5～圖7結果顯示：

（1）撫順站流量模擬值與實測值相差較大，但整體變化趨勢趨于一致，4，5月份模擬結果較實測值明顯偏高。分析可知，渾河閘上游5月份為農業供水，導致河道徑流量偏小，由于資料所限，模型中并未加入農業供水取水口，導致模擬值偏高。

（2）黃臘坨、邢家窩棚站模擬結果與實際監測值整體趨勢一致，由于閘壩模擬存在計算不穩定等因素致使結果有偏差，在已有監測數據的情況下，該模型的計算結果可進一步用于水質模擬［6］。

3.3 水質模擬結果

2015 年全年撫順站特征污染物濃度模擬結果如圖8，圖9，可以看出水質整體模擬效果較理想。

圖8 撫順站氨氮模擬結果與實測值

圖9 撫順站COD模擬結果與實測值

由圖8，圖9可以看出，渾河干流特征污染物汛期濃度明顯低于枯水期，可見河道徑流量是制約枯水期水質提高的重要原因［7-8］； 撫順站與邢家窩棚站COD濃度高于其他區間，沈陽站和邢家窩棚站氨氮濃度高于其他區間，這與沈撫區間聚集大量排污口有關，致使該區段及其下游水質級別逐漸下降。

4 結語

（1）進一步完善建立渾河水動力水質模型，最終整合成渾太流域河流水系水質及水利工程數值模型［9］。

（2）分析水庫現行調度運行方案特點，在防洪安全保障基礎上，提出水庫運用方式調整方案，在滿足社會經濟發展用水要求基礎上，研究增加或調整下泄生態環境用水的調度運行方式［10］，制定基于農業供水耦合與考慮生態環境改善的渾太河流域水質水量聯合調度方案。