基于水環境數學模型的規劃可達性分析

摘要：為研究岳陽長江大保護水污染治理與水生態修復重點工程項目庫在實施后的最終效果，文章建立了岳陽南北港河非穩態水環境數學模型。根據實測數據對參數進行率定后，以2014年作為水平年，對研究區域近期工程實施后的南北港河全年水質進行了模擬計算，并分析全年水質變化過程以及空間水質達標率。經過模型計算，入河污染削減后，整體上南北港河滿足Ⅳ類水水質要求（TN除外），雨天水質略差于晴天。

關鍵詞：可達性分析;水環境數學模型;水質達標率

中圖分類號：X11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-00-05

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.037

Analysis of plan accessibility based on the mathematical model of water environment： A case study of the South and North channels of Yueyang South Lake

Chen Chao

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

Abstract：In order to study the post-implementation final effect of the key project bank of water pollution control and water ecological restoration of the Yangtze River protection project in Yueyang City， this paper establishes the mathematical model for non-steady water environment of the South and North channels of South Lake in Yueyang City.After the parameters are calibrated according to the measurement data， we simulate and calculate the annual water quality of the South and North channels of Yueyang South Lake after the implementation of recent projects in the research area， with 2014 as the base year， and analyze the annual change process and the spatial compliance rate of the water quality in a whole year.Through the model calculation， the water quality of the South and North channels meets the requirements of Class IV water quality （except TN），while the water quality in rainy days is slightly worse than that in sunny days.

Key words：Accessibility analysis;Mathematical model of water environment;Compliance rate of water quality

為貫徹習近平總書記“共抓大保護、不搞大開發”的長江經濟帶建設思想，做好頂層設計和實施路徑規劃，是確保“共抓長江大保護”按照正確方向前行并取得最終成功的關鍵[1]。在岳陽長江大保護工作中對岳陽市中心城區的水環境治理體系進行綜合布局、統籌規劃，制定了岳陽市近遠期重大水污染治理與水生態修復重點工程項目庫。本文將利用水環境數學模型對岳陽長江大保護項目實施后的水質可達性進行研究。

1 區域概況

岳陽市位于湖南省東北部，處洞庭湖與長江匯合口東岸，其東面、北面分別與江西省和湖北省接壤，南抵湖南省長沙市（含瀏陽市、長沙縣、望城區），西接湖南省益陽市（含沅江市、南縣）、常德市（含安鄉縣）。岳陽市居長江中游，洞庭湖東北岸，湖泊星布，河流網織，水系發達。其地處亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫暖、濕潤，雨量充沛，多年平均降雨量1 352mm，多年平均蒸發量1 446.4mm。

南北港河屬于南湖的東側入河支流，南北港河城區主河道較寬，其中上游又分布有梅溪港、巴山港、柴家港、熊彭港等支流。南港河及北港河上游高程較高，水深較淺，水深范圍為1～3m，五眼橋下游至三眼橋螺絲島斷面逐漸開闊，水深增加，水深范圍為4～5m。

2 研究方法

2.1 水環境模型基本方程

水環境模型是對水體內部發生的復雜污染過程進行定量化描述的重要工具[2]。模型的選取應考慮模擬對象的特性、精度要求和計算效率等[3]。考慮到南北港河城區段河道較寬，且受南湖控制水位頂托，類似于小型湖泊，可在不考慮水溫垂向分層影響條件下，采用二維數學模型建模，本文采用在水環境領域廣泛應用的MIKE21軟件[4-5]進行建模。二維水流運動基本方程基于水流不可壓縮的N-S方程，通過靜水壓強假定和Bousinesq渦粘假定推導得到。

水流連續方程：

水量動量方程：

式中：h為水深，m;ζ為水位，m;p、q為x、y向的單寬流量，m3/（s·m-1）;g為重力加速度，m/s2;C為謝才系數;n為曼寧系數;f為風阻力系數;V、Vx、Vy分別為風速及其在x、y向的分量，m/s;Ω為科氏參數;Pa為大氣壓，Pa;ρw為水的密度，kg/m3;τxx、τxy、τyy為剪切應力分量。

污染物對流擴散方程為：

式中：c為污染物濃度;u、v為x、y向的流速;Dx、Dy為x、y向的擴散系數;k為綜合降解系數;S為源匯項。

2.2 模型概化

2.2.1 河道概化

不規則三角形網格有以下優點：網格布設的疏密可自由控制;能較好地擬合水下地形和復雜的固邊界形狀;通用性好[6]。本文在研究區域構建非結構三角網格，覆蓋范圍1.83km2，地形采用2019年實測資料，水深約2～4m共劃分5 886個三角形網格，3 587個網格節點，網格尺寸20～30m。

2.2.2 降雨典型年選取

參照岳陽國家基本氣象站1988-2017年逐年降雨量，選取接近于設計降雨量值的年份作為典型年，同時考慮采用2003年至今較數據為可靠的典型年，選取結果見表1。

為對應管網計算年型，本項目采用岳陽市2014年（平水年）降雨數據進行水量水質長期模擬。

2.2.3 邊界及排口概化

南北港河流域中南港河的支流有白鶴垅港、熊彭港、柴家港、木里港，北港河支流有路橋港、梅溪港、巴山港、南港河，主河道來水主要為支流來水。北港河上游現狀有羅家坡污水廠尾水排放，現狀約7萬m3，羅家坡污水廠一二期設計規模總計10萬m3，下游水位受南湖水位控制，南湖高控水位為27.56m，低控水位為26.56m，選取南湖常水位27.06m作為北港河下游三眼橋邊界水位控制條件。南北港河干流共有排水口87個，其中沿河居民散排排口39個，分流制雨水排口41個，合流制污水排口6個，合流制截流溢流口1個。模型模擬中應考慮支流、取排水口的空間分布及其污染量進行相應的概化，本次選取概化了具有代表性的排口作為模型的內部點源，模型排口概化見圖4。

2.3 模型率定及參數確定

南北港河水環境數學模型率定的主要參數為污染物降解系數，本模型中COD、NH3-N、TP、TN各指標降解系數參數取值見表2。

根據建立好的南北港河水環境數學模型，利用南北港河2019年4月補充水質監測的實測數據，對模型進行參數率定。水動力邊界選取為期間對應降雨產流，污染源為現狀污染入河量，風場為監測期間風場數據，水質計算結果見圖5，從水質率定結果來看模型能夠較好地反映南北港河水質變化規律。

3 規劃效果分析

考慮南北港河水環境容量及現狀污染入河量的差距，規劃管網改造、海綿城市建設、農業畜禽污染控制、內源底泥生態清淤等相應工程措施，在南北港河開展綜合治理工程，近期總削減COD2094.8t/a、NH3-N206.4t/a、TP21.4t/a、TN294.5t/a。

入河污染源得到有效控制后，南北港河水體水質得到極大改善，晴天南北港河水質較好，整體水質基本為Ⅳ類，COD、TP除污水廠尾水處河段外基本為Ⅲ類，TN因污水廠尾水濃度較高的原因，局部河段TN為劣V類。雨天整體類別與晴天類似，局部污染面積增加，整體水質類別基本為Ⅲ-Ⅳ類（除TN）。

根據南北港河近期水質Ⅳ類治理目標，在時間尺度上，北港河、北港河COD、NH3-N、TP全年達標，TN北港河年內達標率略低于南港河，降雨期間污染物濃度初期會有較大的增加。

總體上，規劃實施后南北港河可達近期目標Ⅳ類水質。

4 結論

本文建立了岳陽南北港河非穩態水環境數學模型，在模型根據現狀補充監測數據進行率定驗證后，為對應管網模型計算年型，以2014年平水年作為計算年型，對研究區域近期工程實施后的南北港河全年水質進行了模擬計算，上述計算結果顯示：本次建立的水環境數學模型能夠較好反映南北港河水質變化規律，可用于不同工況的水質預測。

在南北港河開展綜合治理工程，近期總削減COD 2 094.8t/a、NH3-N 206.4t/a、TP 21.4t/a、TN 294.5t/a的條件下，南北港河滿足Ⅳ類水水質要求（TN除外）。

南北港河近期晴天空間達標率好于雨天，晴天COD、NH3-N、TP、TN空間達標率分別為99.6、99.6、99.6、74.5，雨天COD、NH3-N、TP、TN空間達標率分別為99.6、99.6、99.6、66.4。

從晴天雨天的污染物濃度空間分布上來看，南港河上游水質好于北港河上游，北港河上游受溢流污染及污水廠尾水影響，空間上水質最差，南港河匯入北港河后，在北港河下游水質逐步變好。

參考文獻

[1]盧純.“共抓長江大保護”若干重大關鍵問題的思考[J].河海大學學報：自然科學版，2019，47（4）：283-295.

[2]邵世保，吳雁，張德輝，等.基于EFDC水動力-水質模型的建立——以慈湖河為例[J].環境與發展，2020，32（2）：103-105，109.

[3]李一平，施媛媛，姜龍，等.地表水環境數學模型研究進展[J].水資源保護，2019，35（4）：1-8.

[4]尤佳藝，逄勇，孫嬌嬌.退圩還湖對固城湖水環境改善影響研究[J].四川環境，2020，39（1）：74-80.

[5]隋保生.基于MIKE21的河道生態修復數值模擬研究[J].水利技術監督，2019（5）：98-101.

[6]李孟國.三角形網格在水動力水環境數學模型中的應用[J].水利水運工程學報，2001（3）：59-64.

收稿日期：2020-09-27

作者簡介：陳潮（1993-），男，漢族，碩士研究生，助理工程師，研究方向為環境規劃及數學建模。