基于MIKE21的龍潭河水質改善數值模擬研究

魏建鋒，司益清，李程智，張偉超，周 洋

(1.重慶市渝發水利科學研究院有限公司，重慶 401120；2.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司，重慶 401120；3.重慶市水文監測總站，重慶 401120；4.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；5.溫州市水利電力勘測設計院有限公司，浙江 溫州 325002)

1 引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，水環境問題目前受到人們的重視。水質模擬是預測評價水環境問題的重要手段之一，近年來，國內外學者在水環境修復治理及管理等方面開展了諸多的科學研究和工程實踐[1]。現在常用的模擬手段有基于統計方法或WASP[2]、SWAT[3]、QUAL2K[4]、MIKE[5～7]等模型進行污染源解析、污染物遷移轉化模擬。MIKE21模型已廣泛應用在水污染評估、排污口設計、污染物水環境過程模擬和污染物水環境行為預測[8～10]。模擬研究采用MIKE21模型對酉陽縣龍潭河的現狀水質以及采取“一河一策”措施之后的水質進行模擬，從而直觀地體現“一河一策”措施的有效性。

2 研究區域概況

酉陽龍潭河流域位于酉陽縣境內，地處距重慶550 km的東南邊陲武陵山區，屬于亞熱帶濕潤氣候區，降水量時空分布不均，年內降水主要集中于5～9月份，約占全年降水量的67.5%以上[11]。龍潭河主要支流有冷水河、王家河、溶溪河，流經腴地、涂市、麻旺、龍潭4 個鄉鎮。

本水質模型主要研究龍潭河酉陽縣境內上游段，起于腴地鄉上腴村巖根腳，止于龍潭鎮五育村楊家灘，河段長62.7 km，流域面積1282.0 km2，多年平均流量31.5 m3/s。龍潭河流域內主要是城鎮生活污水、農業面源等污染源，不存在大型的高污染工礦企業，排污對干流水質影響有限。通過龍潭河流域各水質監測斷面的資料和現場踏勘情況，未發現龍潭河流域存在黑臭水體及劣質類水體。根據龍潭河水質資料，采用化學耗氧量(COD)、氨氮(NH3-N)作為污染物控制指標。

3 模型建立及參數設置

MIKE21模型是MIKE模型中的核心基礎模塊，主要適用領域包括湖泊、河流、水庫、海洋、波浪及泥沙等方面的模擬研究[12]。選用水動力模塊和水質模塊，水動力模塊為其他模塊提供水流流速、流量與水位等基本的水力要素；水質模塊用于分析污染物進入河流后的遷移轉化過程，為定量分析水質情況提供依據[13～15]。

采用數學模型計算河流水域納污能力，應對河流河道特征和水力條件進行簡化，將龍潭河河流模型局部進行順直處理，且在支流及規模以上排污口處進行分段。

3.1 網格劃分和選擇區域

模型采用三角網格劃分研究區，三角網格能較好地擬合研究區水陸邊界，生成網格時能隨意調整網格密度、網格大小、最小允許角度和最大節點數。由CAD圖得到研究區域相關數據，然后將水陸邊界線數據導入MIKE自帶的網格生成器生成研究區網格，并且對網格進行平滑處理，旨在縮短最大網格和最小網格的差值，提高計算速度。還需在模型中根據實際情況設置開邊界，然后將水深數據導入網格中并插值生成研究區地形圖。龍潭河流域計算河段流域面積1282.0 km2，河長62.7 km2，多年平均流量Q=31.5 m3/s。

3.2 計算模型

在MIKE21中建立的計算模型如圖1所示，模型根據流域情況，在龍潭河各位置處設置監測斷面,通過對各監測斷面水動力情況和水質變化情況進行分析，最終得到龍潭河流域的水動力情況和不同污染負荷條件下的水質變化，一共在流域內設置了18個模擬監測斷面，其中t1為上游進口斷面，t18為下游出口斷面，監測斷面分布見圖2。

圖1 模擬模型

圖2 監測斷面分布

3.3 模型邊界條件

(1)水動力模塊邊界。模型上游邊界即入河口處設置流量數據，下游邊界即河流出口處設置水位，均以時間序列文件輸入。

(2)水質模塊邊界。模型上游邊界即各入河口處設置水質評價因素(COD、NH3-N)濃度，根據監測界面實測值調整，下游邊界采用無梯度邊界條件，根據本次模擬任務分別選定不同工況條件下的水質邊界條件。由于龍潭河發源于酉陽縣，本模擬上游基礎濃度值均為0 mg/L，本模型僅進行現狀污染負荷水質及措施后污染負荷水質進行模擬，分析各工況下的污染負荷對龍潭河水質的影響，最后對比分析各工況下龍潭河水質情況，進行整治措施效果評估。

(3)干濕邊界。本次模型計算啟用干濕邊界，在進行計算的過程中，每一時間步長計算網格的平均水深，經過實際調研及多次試算，確定干點水深hdry=0.005 m，半干濕水深hflood=0.05 m，濕水深hwet=0.1 m。

3.4 參數設置

(1)河床糙率和計算時間步長：河床底部糙率根據研究區域內實測水位和流速與模型模擬結果對比進行率定，模型計算時間步長根據CFL條件調整。

(2)衰減系數。為簡化計算，在水質模型中，將污染物在水環境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為綜合衰減系數。經復核分析后，最終確定污染物綜合衰減系數，取COD：2.314×10-6s-1，NH3-N：2.894×10-6s-1。

(3)初始條件。水動力初始條件包含初始水位和初始流速，其設定主要是保證模型能夠平穩啟動，因此應盡可能與模擬開始時刻的實際河流水動力條件一致。本次模擬初始水位采用下游邊界處水位值，初始流速為零。水質初始條件包含各水質評價因素(COD、NH3-N)的濃度，研究中根據實測數據進行賦值。

(4)模擬工況。本次模擬依據年內不同水文特性分為枯水期、平水期、豐水期3種工況，對流域內污染負荷下龍潭河水質進行模擬計算，3種工況的流量依次設置為13.1、21.7、53.4。

4 模擬結果及分析

4.1 現狀水質模擬

根據龍潭河污染負荷計算情況，模擬現狀污染負荷入河后龍潭河水質濃度沿程變化情況，將模擬數據與實測數據進行對比，來驗證模型的可靠性，模擬過程中龍潭河污染源輸入采用各鄉鎮概化排污口。

在現狀污染負荷輸入條件下，龍潭河下游出口斷面在枯、平、豐3個工況下的污染負荷COD濃度分別為0.447 mg/L、0.214 mg/L、0.109 mg/L；氨氮濃度分別為0.084 mg/L、0.040 mg/L、0.020 mg/L。模擬結果與水質實測數據基本相同，表明了MIKE21模型對于研究河段水質模擬的準確性與可靠性。枯水期時，龍潭河流量較小，污染物入河后，河流水質污染物濃度更高。且T13-T14斷面位置COD及氨氮濃度均有大幅度增長，主要原因是龍潭鎮概化排污口污染物輸入，且相較于其他各概化排口，該排污口輸入量更大。

4.2 “一河一策”措施后水質模擬

根據龍潭河“一河一策”相關整治措施，從水污染防治、水生態修復與保護水資源3個方面入手。具體措施包括：加強水資源利用管理；強化對水域岸線的管理，加強對涉河建設項目的管理；通過推進城鎮污水管網建設，全面提高污水收集率與處理能力來治理點源污染；大力推進生態循環農業建設來解決農田面源污染；在水生態修復方面，主要通過水土保持、加強禁漁管理與生物多樣性保護和生態流量管理與監督等舉措來進行。

通過推算得到措施實施后污染負荷入河量，在排污口輸入流量不變的情況下，模擬分析措施前后龍潭河水質變化情況，分析措施實施效果。龍潭鎮、麻旺鎮、涂市鄉、腴地鄉4個概化排污口的COD入河量依次為113.22 t/a、22.15 t/a、7.05 t/a、5.47 t/a；氨氮預測入河量依次為19.42 t/a、5.73 t/a、2.45 t/a、1.57 t/a。在措施后污染負荷輸入條件下，龍潭河下游出口斷面在枯、平、豐3個工況下的污染負荷COD濃度分別為0.332 g/L、0.161 mg/L、0.082 mg/L；氨氮濃度分別為0.066 mg/L、0.032 mg/L、0.016 mg/L。與預測污染負荷下龍潭河水質相比，下游斷面COD濃度值在枯、平、豐3種工況條件下分別減小了0.115 mg/L、0.056 mg/L、0.028 mg/L；氨氮分別減少了0.018 mg/L、0.009 mg/L、0.004 mg/L，選取了枯水位條件下措施前與措施后特征指標濃度分布情況進行對比，具體對比數值見圖3、圖4。

圖3 COD濃度對比

圖4 氨氮濃度對比

結果顯示，上、下游現狀水質COD濃度最大相差0.332 mg/L、氨氮濃度最大相差0.063 mg/L，COD與NH3-N均呈現出污染物濃度上游比下游小的規律，且研究流域內污染物入河對河流水質影響較小。措施前和措施后COD濃度差值最大為0.121 mg/L，氨氮濃度最大相差0.018 mg/L，均出現在靠近下游斷面處，因此，治理過程中要加強對龍潭河下游的水污染治理。

5 結論

根據龍潭河流域相關管理保護措施，推算措施實施后龍潭河流域污染負荷入河總量，其中主要污染物COD入河量為147.89 t/a、NH3-N入河量為29.17 t/a。較整治前污染負荷COD削減量約51.48 t/a(削減率約25.82%)，氨氮削減量約7.92 t/a(削減率約21.35%)。綜上所述，龍潭河流域內整治措施實施后，對龍潭河水質有一定程度的改善，同時應加強對流域支流范圍內污染源治理及水質控制，以保證龍潭河流域水質得到整體改善。