基于MIKE21模型的漢江中下游水環境影響風險研究

趙曉磊

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

由于水資源過度開發和缺乏保護，我國江河湖海正遭受嚴重的水環境問題，迫切需要加強治水工作[1]。遵循新時代治水要求，基于“安全、清潔、健康”的理念，我國圍繞水資源管理、水環境治理、水生態保護、水景觀建設和水管理措施等方面，提出控源截污、內源治理和生態修復等治理工程來提升水環境質量和加強水資源保護[2]。湖北省結合本省實際，于2017年針對漢江流域正式執行《湖北襄陽市漢江流域水環境保護條例》，并充分運用水質同步監測、遙感技術和地表水環境數學模型等手段，搭建漢江流域預警預報平臺[3～5]，以此達到精準預測、科學分析、嚴格評判的作用，打通漢江流域預警通道“最后一公里”。

漢江是長江中游最長的一級支流，全長1577 km，近年來漢江中下游水環境事故頻發[6, 7]，如硅藻水華事件、水體富營養化污染等，導致流域水質變差，嚴重影響沿江用水安全。本研究基于漢江中下游多年水質數據，應用MIKE21軟件[8, 9]，建立二維水動力水質耦合模型，對漢江中下游水動力和水質變化過程進行模擬，分析污染物擴散及其影響變化，以期增強流域預警預報能力，為流域水生態環境風險管控提供理論支撐。

2 漢江中下游水環境現狀評價

根據2017年正式執行的《湖北襄陽市漢江流域水環境保護條例》要求，漢江干流要求滿足《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅱ類水質標準，支流則滿足Ⅲ類水質標準。

2.1 干流水質現狀分析

基于收集到的漢江中下游干流丹江口壩下、襄陽、余家湖及仙桃等斷面2008～2014年水質監測數據，選取CODMn、氨氮、TP作為代表指標，對各斷面進行水質分析。

監測結果(圖1)顯示，丹江口壩下斷面CODMn濃度在1.6～4 mg/L之間，氨氮濃度在0.062～0.546 mg/L之間，TP濃度在0.01～0.06 mg/L之間，除2011年7月份氨氮超標外，其余月份水質均滿足Ⅱ類水；襄陽斷面CODMn濃度在1～3 mg/L之間，氨氮濃度在0.057～0.456 mg/L之間，TP濃度在0.01～0.08 mg/L之間，水質較好，均能達到Ⅱ類水質；余家湖斷面CODMn濃度在1.6～4 mg/L之間，氨氮濃度在0.068～0.91 mg/L之間，TP濃度在0.02～0.28 mg/L之間，可見余家湖斷面大部分時間段能夠達到Ⅱ類水質，但2008及2009年水質較差，部分月份出現Ⅲ類甚至Ⅳ類水，超標因子為氨氮和TP；仙桃斷面CODMn濃度在1.4～4.2 mg/L之間，氨氮濃度在0.025～0.279 mg/L之間，TP濃度在0.001～0.16 mg/L之間，除個別月份CODMn和TP超標外，其他時段水質均能滿足Ⅱ類標準。

總體而言，從CODMn、氨氮、TP3個指標來講，漢江中下游干流各斷面水質基本較好，除2008～2009年余家湖斷面水質較差外，其它斷面基本能夠滿足Ⅱ類水質要求。

2.2 入匯支流水質現狀分析

根據收集到的漢江中下游入匯支流小清河、唐白河斷面2008～2014年水質監測數據，選取CODMn、氨氮、TP作為代表指標，對入匯支流各斷面進行水質分析。

監測結果(圖2)顯示，小清河斷面CODMn濃度在2～21 mg/L之間，氨氮濃度在0.09～10.326 mg/L之間，TP濃度在0.03～0.86 mg/L之間，小清河斷面2008～2012年水質較好，而2013～2014年水質較差，未能達到Ⅲ類水質要求；唐白河斷面CODMn濃度在1.9～14.4 mg/L之間，氨氮濃度在0.106～3.67 mg/L之間，總磷濃度在0.03～0.79 mg/L之間，CODMn在大部分時段均能達到Ⅲ類標準，而氨氮、TP大部分監測時段濃度較高，水質未能達到Ⅲ類水質要求。

總體而言，從CODMn、氨氮、TP 3個指標來講，漢江中下游入匯支流各斷面水質大部分監測時段均無法保證滿足Ⅲ類水質，部分時段水質污染較為嚴重，尤其是氮污染比較嚴重，需要特別重視。

3 模型構建

3.1 研究方案

本研究范圍為漢江中下游干流丹江口壩下斷面至漢川斷面，沿途經襄陽市、宜城市、鐘祥市、潛江市、仙桃市等縣市，跨東經111°29′～113°57′，北緯30°22′～32°34′，呈西北東南方向分布。

收集重要水位站(襄陽、余家湖、宜城、皇莊、沙洋、仙桃)逐日水位數據、流量站(襄陽、余家湖、皇莊、仙桃)逐日流量數據以及重要水質站(襄陽、余家湖、仙桃)逐月水質數據、重點排污口和支流等監測斷面的流量和水質數據，以丹江口壩下斷面為上游邊界，漢川斷面為下游邊界，構建MIKE21二維水動力-水質耦合模型，并對模型進行率定驗證。

3.2 計算區域網格劃分

計算區域網格劃分的形式采用三角形與四邊形網格的結合，由于漢江干流又長又窄，用三角形網格需要大量網格才能反映地形，故沿河道主流采用四邊形網格，不僅可以減少網格量，減少計算時間，同時也能反映地形。本研究范圍共劃分為23765個單元網格，包含21588個節點(圖3)。流域DEM數字高程共包含215199組原始數據，將高程數據導入到坐標系中，對網格進行高程插值，得到漢江中下游地形圖(圖4)。

3.3 初始條件與邊界條件設定

由于河道太長，地形差異較大，造成各河段之間水位相差較大，將模擬時期第一天的河道水位作為模型的初始水位。漢江中下游面積廣闊，單一污染物的模擬評價并不能準確反應流域內水質情況，因此選取CODMn、氨氮和TP作為水質模型模擬的指標，水質初始條件采用模型計算第一天的各污染物濃度，其中CODMn為1.8 mg/L，氨氮為0.247 mg/L，TP為0.03 mg/L。

本研究分別以丹江口壩下斷面逐日平均流量和漢川斷面逐日平均水位作為水動力模型的上、下邊界，以丹江口壩下逐月水質作為水質模型入流邊界。經實地調研和查閱資料，發現漢江中下游存在多個污染源和支流匯入，由于缺乏地形數據，將污染源和支流的流量及污染物濃度概化為點源輸入到模型作為支流邊界，經分析，該模型存在30個排污口和4條支流(唐白河、小清河、蠻河、竹皮河)匯入。

3.4 模型關鍵參數

3.4.1 水動力模塊參數

底床糙率(底床摩擦力)表示水域底部對水流阻力的大小，是水力學模塊中重要的率定參數[10, 11]。漢江中下游地形情況復雜，底床糙率需根據不同地形設置不同數值。查閱相關資料，并經過多次率定后，確定不同地形區域邊界處底床糙率采用分段常數插值方法生成(圖5)，其中丹江口壩下至襄陽段糙率為0.05，襄陽至余家湖段糙率為0.029，余家湖至宜城段糙率為0.05，宜城至皇莊段糙率為0.015，皇莊至沙洋段糙率為0.033，沙洋至漢川段糙率為0.015。

3.4.2 水質模塊參數

降解系數是水質模塊重要的率定參數[12]，表示污染物在水流的作用下衰減的快慢。查閱相關文獻，并經過多次率定后，確定本研究水質模塊CODMn的降解系數為0.045/d，氨氮的降解系數為0.062/d，TP的降解系數為0.042/d。

4 模型驗證

4.1 水動力模型驗證

在模型的驗證中，通常采用2個目標函數來衡量模型結果，即絕對平均誤差(AME)和均方根誤差(RMSE)：

圖5 底床糙率分布

(1)

(2)

式(1)、(2)中，ai為實測值；bi為預測值；n為預測值個數。AME和RMSE值越接近0，說明模型模擬精度越高。

輸入2014年7～12月份上下游斷面水位流量和入匯支流流量作為初始條件和邊界條件，得到各斷面水位(圖6)、流量模擬結果(圖7)，并計算實測水位與模擬值的平均誤差、絕對平均誤差及均方根誤差(表1)，實測流量與模擬值的平均相對誤差(表2)。

綜上可知，各斷面水位驗證結果較好，實測水位與模擬值變化過程擬合程度較高，平均誤差均小于21 cm、絕對平均誤差均小于0.213 cm、均方根誤差均小于0.229，模擬精度較高；實測流量與模擬值變化過程擬合程度較高，流量平均相對誤差均小于13.8%。說明該水動力模型能較好地模擬漢江中下游水動力學變化過程。

4.2 水質模型驗證

輸入水質模型的初始條件和邊界條件，即可模擬得到漢江中下游水質監測斷面的水質動態變化過程和污染物濃度模擬結果(圖8～10)，并計算各監測斷面污染物實測濃度與模擬值的平均相對誤差(表3)。

由圖8～10、表3可知，各水質監測斷面CODMn實測值與模擬值平均相對誤差在13.3%～22.3%之間，模擬值與實測值比較接近，在可接受范圍內。氨氮實測值與模擬值平均相對誤差在17.7%～29.7%之間，也在可接受范圍內。然而TP實測值與模擬值平均相對誤差在12.7%～44.3%之間，模擬值與實測值變化趨勢相近、但相對誤差稍大，其主要原因是水體中水環境因子變化復雜、相互影響，且目前大壩調度數據、排污口和支流數據未經完全統計，不能精確反映漢江中下游污染物濃度變化?？傮w而言，CODMn、氨氮和TP的誤差整體在可控范圍內，表明構建的水質模型能夠較準確的模擬流域內CODMn、氨氮和TP的變化情況。

圖6 各斷面水位驗證

圖7 各斷面流量驗證

表1 各斷面水位驗證結果統計

表2 各斷面流量驗證結果統計

圖8 襄陽站水質驗證

圖9 余家湖站水質驗證

圖10 仙桃站水質驗證

表3 各斷面水質驗證結果統計

5 突發水污染事故對干流水質影響模擬研究

5.1 情景模擬

近年來，漢江中下游頻頻出現突發水污染事故，導致下游水質在短期內突然惡化，嚴重威脅沿江居民用水安全，制約生態平衡和社會經濟的發展。假定余家湖段下游潛江市城北污水處理廠(112°52′23″E，30°28′26″N)入河排污口斷面于模擬期內(2014年3月1日)突發水污染事故，污染物就近流入漢江，COD濃度為10000 mg/L，排放流量為0.2 m3/s，事故持續排放時間為1 d(3月1日0點至3月2日0點)，其余時間采用城鎮污水處理廠一級A排放標準。模擬該河段突發水污染事故后需歷時多久才會基本恢復事故前背景值(Ⅱ類水)[13～15]。

5.2 邊界條件確定

5.2.1 流量設計

分別收集整理漢江中下游代表性斷面(襄陽、余家湖、皇莊、仙桃)逐日流量和丹江口壩下逐月流量，并將其分別按10%、50%、90%水文頻率設置大、中、小3種流量，進行水文頻率配線，得到P-Ⅲ型曲線下的統計參數(表4)。根據水文分析結果，襄陽、余家湖、皇莊、仙桃斷面均選擇月最大流量P=10%時的計算值作為大流量設計值、均值流量P=50%時的計算值作為中流量設計值、最小流量P=90%時的計算值作為小流量設計值；丹江口壩下斷面選擇月均流量P=10%時的計算值作為大流量設計值、P=50%時的計算值作為中流量設計值、P=90%時的計算值作為小流量設計值。與前4個代表性斷面相比，丹江口壩下斷面大流量與中流量設計值偏小、而小流量設計值偏大的原因可能是丹江口水庫蓄水運行調蓄，導致丹江口壩下流量過程均化，也可能是由于數據頻率較低，樣本數量不夠，導致水文頻率配線計算結果與實際存在偏差。

表4 各斷面流量水文配線參數

5.2.2 水動力邊界條件

襄陽、余家湖、皇莊、仙桃斷面計算結果中，大、中、小流量設計值結果相差不大，選取襄陽斷面的流量計算結果作為模擬工況的入流特征流量，即選擇3926.63 m3/s為大流量設計值、816.05 m3/s為中流量設計值、387.23 m3/s為小流量設計值。另外由于丹江口壩下斷面數據頻率較低，水文頻率配線計算結果與其它斷面結果差異較大，為綜合考慮各種工況，同時選取丹江口壩下P=10%時的計算值1787.68 m3/s為流量工況設計值，共計4種入流流量設計工況。

下游邊界條件中由于缺少漢川斷面流量數據，故采用仙桃斷面流量與漢川斷面水位進行擬合，首先將漢川日平均水位與仙桃日平均流量根據水位進行排序，將相同水位對應流量的平均值作為該水位對應的流量值，將水位與對應的流量進行對數擬合(圖11)，水位(y)與流量(x)的關系為：y=4.5903In(x)-11.696，擬合的R2值為0.8967，計算工況下的漢川水位流量關系曲線見圖12。

5.2.3 水質邊界條件

模型模擬的水質指標主要為CODMn、氨氮和TP，考慮到漢江中下游干流各監測斷面以這3個指標進行評價時結果較好，故選擇多年監測結果中最高濃度即最不利情景作為模型計算工況中的入流水質濃度，故丹江口壩下斷面CODMn取4 mg/L，氨氮取0.546 mg/L，TP取0.06 mg/L。

圖11 漢川水位與對應平均流量對數擬合結果

圖12 計算工況下漢川水位流量關系曲線

5.3 污染物擴散影響研究

5.3.1 大流量設計值(Q=3926.63 m3/s)

此工況下，該突發事故并未對下游河道造成污染(圖13)，突發事故剛發生時形成的污染帶均為Ⅱ類水，其中有部分河段逐漸被稀釋降解為Ⅰ類水。

圖13 3月2日0點突發事故工況形成的污染帶

5.3.2 中流量設計值(Q=816.05 m3/s)

此工況下，突發事故剛發生時形成的污染帶下游部分河段被污染為Ⅲ類水(圖14)，造成的污染并非很嚴重；隨著水體流動，歷經24 h后污染帶范圍向下游擴散(圖15)，上游逐漸被稀釋為Ⅱ類水；歷經約55 h后污染帶基本恢復到Ⅱ類水(圖16)。

圖14 3月2日0點突發事故工況形成的污染帶

圖15 突發事故24 h后形成的污染帶

5.3.3 小流量設計值(Q=387.23 m3/s)

此工況下，突發事故剛發生時形成了顯著的污染帶，下游很長一段河道被污染為Ⅳ類水(圖17)；隨著水體流動，歷經約71h后Ⅳ類水逐漸被稀釋降解，還存在較長河段的Ⅲ類水(圖18)；歷經97h后所受污染河段基本恢復為Ⅱ類水(圖19)。

圖16 突發事故約55 h后形成的污染帶

5.3.4 丹江口壩下斷面P=10%時流量設計值(Q=1787.68 m3/s)

此工況下，該突發事故并未對河段造成污染(圖20)，與大流量設計值時效果一致，突發事故剛發生時形成的污染帶水質均滿足Ⅱ類水，并有部分河道逐漸被稀釋降解為Ⅰ類水。

圖17 3月2日0點突發事故工況形成的污染帶

圖18 突發事故約71 h后形成的污染帶

圖19 突發事故97 h后形成的污染帶

5.3.5 小結

當流量設計值取3926.63 m3/s和1787.68 m3/s時，該突發事故下游河道仍為Ⅱ類水，可見并未對下游河道造成污染；當流量設計值取816.05 m3/s時，該突發事故下游部分河段被污染為Ⅲ類水，并歷經約55 h后該突發事故下游河道基本恢復到Ⅱ類水；當流量設計值取387.23 m3/s時，該突發事故工況下游很長一段河道被污染為Ⅳ類水，歷經約71h后Ⅳ類水污染范圍被稀釋降解為Ⅲ類水，共計歷經97 h后，污染帶基本恢復到Ⅱ類水。

圖20 3月2日0點突發事故工況形成的污染帶

6 結論

(1)根據多年實際監測資料，漢江中下游干流各斷面水質基本較好，以CODMn、氨氮和TP這3個指標分析，各斷面基本滿足Ⅱ類水質要求；而入匯支流各斷面水質較差，大部分監測時段均無法保證滿足Ⅲ類水質，尤其氮污染比較嚴重，需特別重視。

(2)構建漢江中下游二維水動力水質耦合模型，上游邊界為丹江口壩下斷面，下游邊界為漢川斷面，沿程排污口及支流數據作為點源輸入模型。通過對該模型的率定驗證，發現該水動力水質耦合模型能較好地模擬漢江中下游水動力學和水質動態變化過程。

(3)確定工況模擬的邊界條件，模擬了4種不同流量設計值工況下突發水污染事故對干流水質的影響。由結果可知，隨著丹江口壩下入流流量增大，污染物不持續排放且污染泄露量較小時，突發事故工況形成的污染帶范圍和污染程度都會明顯降低。因此，為減緩突發事故對干流水質影響，可以適當加大丹江口水庫的下泄流量。