基于MIKE模型的黃沙河流域水質改善評估

郭 振 湯新武

(1.中電建生態環境集團有限公司，廣東 深圳 518101；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 概 述

近年來，我國黑臭水體治理理念和技術不斷發展，以水質改善為核心，逐漸形成了“源—遷—匯”全過程治理的主要思路[1]。東莞市作為全國首批水生態文明建設試點城市之一，牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，全面推進內河涌水環境綜合整治。黃沙河作為東莞市東江流域的重要支流，是東江生態帶的重要組成部分，更是東莞市對接珠三角城市群、粵港澳大灣區的紐帶[2]。隨著經濟的發展，黃沙河流域水環境不斷惡化，2016—2018年水質監測數據顯示，國考斷面水質類別為劣Ⅴ類，部分支流水體水質處于黑臭狀態。黃沙河流域水體污染問題已嚴重影響周邊居民的生活質量與城市形象，不利于城市的發展，水環境治理迫在眉睫[3]。

水環境數學模型經過長期發展，在城市水環境治理和流域水務管理中得到了廣泛應用[4-5]。水環境模型的研究成果也層出不窮[6-9]，為系統解決黃沙河流域水環境問題，踐行“流域統籌、綜合治理”的設計理念，本文在對流域現狀進行研判的基礎上，提出系統治理方案，并根據市各部門、鎮(街)治理工作總體安排，以水質達標Ⅴ類為目標，采用MIKE模型建立黃沙河流域水環境模型，評估不同治理方案下流域水質達標效果，為工程組織設計工作提供指導。

2 研究區域

黃沙河為寒溪河左岸一級支流，發源于大嶺山，流域內有大嶺山、茶山、東城、寮步4個鎮(街)，全長34.90km，總集雨面積197.6km2，兩岸大部分有堤防或河岸防護。黃沙河中游現建有同沙水庫，總庫容6355萬m3，水庫壩址控制流域面積98.8km2；同沙水庫以下黃沙河干流長12.45km，流經東城街道、寮步鎮和茶山鎮，主要支流有筷子河、西南河和橫竹河，流域水系分布見圖1。本次研究范圍主要為同沙水庫以下至匯入寒溪河口部分。

圖1 黃沙河流域水系圖

3 水環境模型構建

3.1 模型范圍

黃沙河流域橫跨4個鎮(街)，有大小河涌34條。為簡化建模計算，根據實測黃沙河流域河涌水質檢測結果及調查的流域內排污口分布情況，對黃沙河河網進行概化分析，構建黃沙河流域干流及主要支流數學模型，其余支渠及排污口概化為點源加入模型，黃沙河干支流均采用最新的實測河道斷面數據，見圖2。

圖2 黃沙河流域水質模型

3.2 水動力-水質方程

采用MIKE系列軟件中的模塊MIKE11 AD進行黃沙河流域水動力水質模型計算。

3.2.1 水動力控制方程組

河網地區水體流動具有明顯的一維特征，因此大多采用一維Saint-Venant方程組對河道水流情況進行模擬計算，水動力控制方程組為

式中：Q為流量，m3/s；A為過水面積，m2；q為單位長度側向入流量，m3/s；R為水力半徑，m；α為動量校正系數；h為過水斷面深度，m；g為重力加速度，m/s2；x為距離變量；t為時間變量；C為謝才系數。

3.2.2 水質輸運方程

與水流數學模型一致，當污染物在橫斷面上混合比較均勻時，其在水體中的輸移轉化過程符合一維運動特征，一維水質輸運方程為

式中：C為模擬物質的濃度，mg/L；u為河流平均流速，m/s；Ex為對流擴散系數；K為模擬物質的一級衰減系數；x為空間坐標；t為時間坐標。

3.3 邊界概化

依據黃沙河流域污染源特點，造成流域黑臭的污染負荷主要來自區間內工業點源和城鎮生活點源、地表徑流與農田面源以及底泥內源釋放。根據收集的污染源資料，經過整理核對，對黃沙河流域干流污染源進行概化處理。

a.點源概化。根據調查資料，流域內4個鎮(街)共有819個排口，總排污量31.9萬t/d。對于相對集中分布的直排排污口，為了方便模型計算，概化為一個點源加入模型中，點源輸入位置通過負荷量加權平均得到。

b.面源概化。流域面源污染主要發生在雨季，地面污染物隨降雨徑流進入管網中，研究表明，面源污染負荷主要發生在初雨過程中。依據黃沙河流域面源污染分布特點，面源污染主要分為農田面源污染和城市地表徑流污染兩大類。地表污染負荷主要隨降雨進入管網再排入黃沙河流域。農田面源污染和城市徑流污染參照《全國水環境容量核定技術指南》中推薦的“標準農田法”和“標準城市法”進行估算。黃沙河流域涉及的4個鎮(街)的面源污染入河量統計情況見表1。

表1 面源污染統計情況

c.支渠概化。黃沙河流域干支渠眾多，共計34條。對于流域面積較小的支渠在入干流端口處概化為點源加入到黃沙河流域模型中。

d.內源概化。考慮到黃沙河流域沿程不同位置底泥厚度及污染狀況不同，根據對黃沙河流域沿程布點處底泥的取樣厚度及相關報告的結果，初步給定底泥污染物釋放速率，最終以線源的形式沿河概化到模型中參與計算。

經過對污染源排口、支渠進行概化，流域入流邊界共有64個，現狀情況下概化后的模型輸入界面見圖2。

e.參數選取。污染物綜合衰減系數與河流的水文條件、污染物特征等因素有關，模型計算參數選取見表2。考慮水動力迭代要求和CFL條件，水動力水質模擬的時間步長設置為10s。根據流域歷史洪水水面線率定的糙率成果，并參考黃沙河流域干支流的防洪規劃及河道整治規劃的成果分析，黃沙河計算模型區域內河道糙率取值為0.026～0.032。

表2 模型計算參數取值

3.4 模型計算及率定

根據設置的邊界條件和模型計算的參數值構建黃沙河流域一維水質模型(晴天工況下)，同時，利用2017年7月對黃沙河流域干流進行的水質水量監測成果，對構建的水環境模型進行率定，結果見圖3。

由圖3可知，模擬曲線和實測值除了個別點誤差較大外，其余基本相當，均在允許的誤差范圍內。因流域內缺少實測河涌流量系列資料，會對污染負荷、河道水質的模擬產生一定的影響；另外，各類污染源實際排放過程的不確定性也會造成模擬值結果和實測值之間的偏差，總體來說，模擬結果能夠基本反映河道斷面的水質變化趨勢。黃沙河流域模型經過率定后的參數取值為：NH3-N衰減系數0.06/d，TP衰減系數0.013/d，擴散系數10m2/s，糙率取值0.03。

圖3 實測值及模擬值對比情況

4 水質改善關系研究

4.1 工程設計方案

在滿足黃沙河流域目標水質的條件下，水體能接受的污染物最大負荷總量的確定，不僅需要對包括點源和非點源的污染負荷進行分配，同時要考慮預留安全值和季節性變化，采取適當的污染控制措施來保證目標水體達到相應的水質標準。因此在現狀水質模型的基礎上，依次對工程逐步實施后的水質進行模擬，查看各個河涌的水質濃度值，評估工程措施對整個黃沙河流域水質目標的可達性。

在進行工程措施削減量效果分析時分別考慮了晴天和雨天時的削減效果，因此在進行水質模擬時分晴天和雨天兩種情景來考慮，雨天主要考慮初雨徑流對河涌水質的影響。不同情景的工程效果方案見表3。

表3 不同情景的工程效果方案

4.2 晴天情景下水質達標分析

對在黃沙河全流域水質“Ⅴ類水”的目標下所采取的工程措施效果情況進行分析，晴天情景下各工況NH3-N和TP的治理效果見圖4和圖5。

圖4 晴天情景下黃沙河流域各工況NH3-N改善情況

圖5 晴天情景下黃沙河流域各工況TP改善情況

從模擬結果來看，對于NH3-N，在工況1工程實施后，整個黃沙河流域均消除黑臭水體，黃沙河上游至西南河入口段達到了Ⅴ類水質，平均濃度為0.89mg/L，筷子河和獅子河源頭河段達到Ⅴ類水質，其余河涌均為劣Ⅴ類水質，水質濃度范圍為2.21～4.96mg/L；對于TP，黃沙河上游至西南河入口段達到了Ⅴ類水質，平均濃度為0.20mg/L，西南河及黃沙河中下游段濃度范圍為0.40～0.96mg/L，橫竹河與獅子河交匯口段TP的濃度較高，平均濃度為1.33mg/L。

繼續實施工況2工程措施后，NH3-N以及TP濃度值進一步下降，除了橫竹河河口段以及從河口段至黃沙河河口段、筷子河河口、沙墩渠河口等水質為劣Ⅴ類外，其余河涌3項指標均已達到了Ⅴ類水質，主要原因是在橫竹河河口處有竹園污水處理廠以及計劃建設的溫塘污水處理廠，其出水標準分別為一級B和一級A，對水體負荷較大。

繼續對污水處理廠采取提標工程措施(工況3)，依據《東莞市2018年度水污染防治工作方案》中對竹園污水處理廠的提標要求，出水標準符合一級A和廣東省地方標準《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)中較嚴值，其中NH3-N和TP符合地表水Ⅳ類水質標準，因此，在經過污水處理廠提標處理后，劣Ⅴ類水質的河段均變為Ⅴ類水。

4.3 雨天情景下水質達標分析

對雨天情景下的水質目標可達性進行分析，結果見圖6和圖7。面源污染負荷中，污染物主要隨降雨進入管網、河網，此類污染負荷以汛期為主。

由圖6和圖7可知，在初期雨水徑流情況下(工況4)，雨水附帶污染物進入雨水管網排入河道，部分進入CSO調蓄池后進入污水處理廠，對于NH3-N，除了黃沙河中游部分河段為Ⅴ類水外，其余河涌幾乎均為劣Ⅴ類水，其中西南河平均濃度范圍為3.6～4.0mg/L，橫竹河平均濃度為43.5mg/L；對于TP，除了同沙水庫下泄約100m處為Ⅴ類水外，其余河涌均為劣Ⅴ類水。由此可知，初期雨水對黃沙河流域數值影響較大，直接影響水質達標目標考核要求。

圖6 雨天情景下黃沙河流域NH3-N改善情況

圖7 雨天情景下黃沙河流域TP改善情況

在工況5方案中，考慮到初期雨水對黃沙河流域水質達標的影響，需要對初期雨水引起的面源污染進行工程措施削減。工程措施包括CSO調蓄、興建生態濕地、鋪設濱岸緩沖帶、提高農業化肥的使用效率等。工程措施后的水質模擬濃度見圖6(b)和圖7(b)，從圖6(b)和圖7(b)中可以看出，經過工程措施后，NH3-N和TP濃度均為Ⅴ類水，目標可達。

5 結 語

水環境模型作為環境治理的輔助工具，在統籌工程組織設計方面的作用越來越重要，本文針對黃沙河流域面臨的水污染突出問題，通過模型演算對流域提出治理思路及治理需求，科學有效評估不同工程治理方案在黃沙河流域水質改善中的作用，從而為有效治理黃沙河、科學制定施工時序提供技術支持。