MIKE11模型在珠三角河網區水質改善研究中的應用

李青峰，郭 珊,2，張茹玉，閆曉滿，張學林

(1.廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣東 廣州 510610；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

近年來，位于平原河網的城市經濟發展迅速，快速的城市化進程使得水污染問題日益嚴重[1-2]，對平原河網水系的影響更為顯著[3-4]。目前，上海[5-6]、杭州[7]、武漢[8]、廣州[9]等城市均提出了一系列水利工程措施以改善水質，因此，研究平原河網地區的水質改善措施具有重要意義。

水質模型可應用于量化評估一些具體工程措施的目標可達性，目前用于水動力水質模擬較為廣泛[10-11]，管儀慶等[12]利用MIKE11建立了臺州市的一維模型，用于計算區域水環境容量，為平原河網水環境管理提供依據；崔廣柏等[13]的研究表明平原河網水動力的提升對于河道水質有明顯改善作用；高嵩等[14]運用MIKE11水質模型模擬分析了新建泵站對片區水質改善的效果；田凱達等[15]基于一維模型建立了合肥十五里河水質模型并應用于不同水質改善方案的效果評價。上述學者的研究表明MIKE11模型水動力水質模擬在平原河網應用良好，因此可用于同樣為平原河網的珠三角河網區。

珠三角河網為典型的感潮河網區，水環境問題隨經濟快速發展日益突出，以往水質改善措施分析大多聚焦于長三角平原河網區域，本文針對珠三角感潮河網復雜多變的特點，以珠三角地區的佛山市南海區流域綜合治理試點——北村水系為研究區域，選取COD、NH3-N、TP為特征指標，利用MIKE 11模型分析不同工程措施實際應用于珠三角河網的水動力及水質改善效果，為珠三角平原河網地區水生態環境的長效改善提供依據。

1 研究區概況

佛山市南海區北村水系流域地處廣州佛山交界，總面積246.79 km2。北村水系屬珠三角平原河網，水系復雜，流域內有雅瑤水道、大欖河、松崗河等32條總長度129.86 km的主干河涌和228條總長度184.94 km的支毛涌。工程區內主要水系見圖1。各河涌水流主要匯集于雅瑤水道，經北村水閘和北村泵站排入水口水道，另一部分排入佛山水道和西南涌。

圖1 北村水系流域范圍

北村水系河涌縱橫密布、閘站建設稍顯滯后，排澇閘站調度管理體系尚不完善，導致流域內水體流動性差、排澇能力不足；流域控污截污工作進展慢，入河污染負荷大，水環境惡化、水生態退化等問題非常突出，大多數河涌檢測斷面的部分指標不滿足地表水V類標準要求，超標河涌的比例高達95%以上，水生態環境持續惡化問題亟待解決。

2 一維河網水動力水質模型構建

本文基于MIKE11中的水動力模塊和對流擴散模塊建立北村水系水動力水質模型，利用內置的求解器進行模型求解，模擬中小尺度河涌水體的水動力水質過程，為精準解決珠三角平原河網區復雜的環境問題提供一些參考。

2.1 模型控制方程

2.1.1水動力控制方程

水動力計算基于一維非恒定流Saint-Venant方程組，包括：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中Z——水位，m；t——時間，h；x、B——河道縱坐標及水面寬度，m；Q——流量，m3/s；q——單寬流量，m2/s；A——過水面積，m2；K——流量模數；g——重力加速度，m/s2。

求解方式為Abbott-Ionescu六點隱式有限差分法，隱式差分具有穩定性好、計算精度高等特點。

2.1.2對流擴散方程

MIKE11AD是根據水動力條件模擬水體中對流擴散過程的工具，基于對流擴散方程計算。一維河流水質模型的基本方程[16]為：

(3)

式中C——模擬物質的濃度，mg/L；N——降解系數，d-1；x——空間坐標；t——時間坐標；u——平均流速，m/s；Ex——對流擴散系數，m2/s。

Ex是一個綜合參數項，對流擴散模型通過經驗公式來估算對流擴散系數：

Ex=aVb

(4)

式中V——水動力計算的流速，m/s；a、b——自行選取的參數。

2.2 模型構建與驗證

2.2.1河網概化

北村水系河道縱橫交錯，河網極其復雜，在收集的水動力及水文資料基礎上，根據河網概化的基本原則，進行合理概化。本次模型范圍包含了流域內雅瑤水道、大范河、松崗河、機場涌、豐崗公涌等32條主干河涌，以及部分相關聯的支涌，共模擬河涌41條，水閘13個，泵站9個，劃分斷面378個，斷面為實測河道斷面，間距100～500 m。對于流域范圍內較小的支涌，將其支渠及排污口概化為點源輸入模型，計算河網平面布置及概化見圖2。

圖2 一維數學模型河網概化

2.2.2邊界條件

根據GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》，設計水文條件應采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設計流量。本報告收集到大瀝氣象站2001—2016年降雨資料，經分析，2014年1月份為近10年降雨量最小的月份，選取該月作為模型計算時段。

a)水位邊界。研究河段共有13條河涌通過閘站與外江相連，每條河涌水位邊界作為模型的開邊界水位邊界采用2014年1月實測的逐時潮水位，見圖3。

圖3 北村水閘外江實測水位值

b)水質邊界。根據長江勘測規劃設計研究有限責任公司及中設設計集團股份有限公司2018年5月編制的《南海區北村水系流域水環境綜合治理項目可行性研究報告》成果，外江水質邊界條件見表1。

表1 研究區域各水體污染物指標濃度情況 單位：mg/L

2.2.3初始條件

模型的水質初始條件按照模擬期引水河道的水動力水質狀況確定，見表2。

表2 研究區域各水體污染物指標濃度情況 單位：mg/L

2.2.4模型參數

a)水動力模型參數。根據中國水利水電出版社2011年出版的《水工設計手冊》，河道糙率取0.025～0.030。計算時間步長為10 s。

a) COD濃度

b)水質模型參數。綜合降解系數N是反映污染物沿程生物降解、沉降和其他物化等變化的綜合系數。根據2.2.5節中模型率定成果，本次采用的降解系數：COD取0.1/d，NH3-N取0.07/d，TP取0.01/d。

2.2.5模型率定驗證結果

根據北村水系水環境治理項目地表水檢測數據，對7條河道中間位置進行采樣，各個位置采取3個樣本，進行采樣檢測得到COD、NH3-N、TP數值進行平均。模型率定的主要參數為污染物降解系數，結合已有研究成果選用降解系數見2.2.3節。通過模型計算與實測數據進行對比，見表3。可知COD模擬除大坑涌相對誤差較大外，其余數據相對誤差在18%以內，NH3-N模擬相對誤差在17%以內，TP模擬相對誤差在18%以內，大部分水質模擬值與實測值誤差能夠滿足模型計算要求。

表3 研究區域各河道水質監測實測數據與模型模擬對比

3 工程方案模擬

3.1 方案設計

以北村水系松崗河片市控考核斷面水質為考核目標，選擇COD、NH3-N、TP 3項指標進行模擬計算。分別針對現狀和2組工程方案進行分析，見表4。針對方案1，截污管網建設將導致點源污染物濃度降低，在模型中減小邊界條件中點源污染物的濃度，針對疏浚清淤工程，可導致水流更加通暢，模型中通過修改河道斷面進行模擬；針對方案2，是在方案1的基礎上增加調蓄池和新建泵閘引水調水，增加調蓄池使得面源污染物濃度降低，在模型中減小邊界條件中面源污染物的濃度，而新建泵閘工程使得引水水量加大，促進水體交換速率。

表4 計算方案

3.2 污染物濃度分析

為分析各河涌現狀及工程后污染物濃度，分別選取主、支河涌典型斷面的污染物濃度進行分析，本文以北村水系中大欖河主河涌、鯉崗尾涌干河涌為例，各河涌采樣斷面布置見圖6。

3.2.1大欖河結果分析

大欖河起于黎崗水閘，止于松崗南海花卉城，涌面寬約40～60 m。圖7分別為大欖河典型斷面COD、NH3-N及TP濃度隨時間的變化情況，由圖7可知，通過閘站引水以及各指標自身的衰減作用，大欖河各斷面位置處的污染物濃度呈震蕩式衰減。

a)COD濃度

大欖河3種方案下污染物濃度情況見表5，其中污染物濃度下降率為各方案污染物相對現狀污染物濃度下降的百分比。通過式(5)來估算污染物濃度下降率：

表5 大欖河各方案污染物濃度

(5)

式中S——污染物濃度下降率,%；a——現狀方案的污染物濃度,mg/L；b——各改善方案的污染物濃度,mg/L。

現狀模擬結果顯示，在現狀閘站調度引水條件下，大欖河水體交換速度較慢。各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在45.0、3.0、0.8 mg/L左右。

方案1通過新建污水管網截污，降低了入河污染物濃度；同時，對大欖河及沿河支毛涌進行清淤疏浚來提高河道過流能力；綜合上述措施，大欖河可達到Ⅴ類水標準，其中大欖河TP濃度下降率最大，為50%，說明截污及清淤疏浚措施效果良好。

方案2中，水系活水工程的實施，加快水體交換速度，進一步稀釋了污染物濃度。各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在30.0、1.7、0.4 mg/L左右，水質較方案1稍有提升。

3.2.2湖馬灣污染物濃度變化分析

湖馬灣起于舊水廠，止于雅瑤水道，全長1.75 km，涌面寬約50 m。涌底淤積嚴重，汛期排水不暢。圖8分別為湖馬灣典型斷面COD、NH3-N以及TP濃度隨時間的變化情況，由計算結果可知，通過閘站向外江引水以及各指標自身的衰減作用，湖馬灣各斷面位置處的污染物濃度呈震蕩式衰減。

湖馬灣3種方案污染物濃度改善情況見表6。與現狀方案對比，實施方案1與方案2大欖河內污染物濃度均有所下降，且在方案2下污染物濃度進一步降低。

表6 湖馬灣各方案污染物濃度

在現狀閘站調度引水條件下，湖馬灣各斷面COD、NH3-N以及TP濃度分別在73.0、5.2、1.8 mg/L左右。

方案1實施后，COD、NH3-N以及TP濃度較工程前都有所減小，各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在32.0、2.0、0.7 mg/L左右。然而僅靠截污及清淤工程不能使湖馬灣水質達到Ⅴ類水質目標，但基本滿足消除黑臭水體的要求

方案2中，進一步水系活水工程的實施使得雅瑤水道的水量、水質都得到了提升，從而對湖馬灣水質帶來正面影響，雅瑤河道的水回流到湖馬灣，進一步稀釋了污染物濃度。COD、NH3-N以及TP濃度較工程前都有所減小，各斷面COD、NH3-N以及TP濃度最終分別在20.0、1.3、0.4 mg/L左右。水質基本可以達到Ⅴ類需求。

4 結論

a)佛山市南海區北村水系范圍屬于典型的珠三角平原河網區，河網密度較大，但水流流速較慢，水體交換能力較差，水體污染后，通過自身的流通和凈化能力往往很難得到水質改善。本文以北村水系為例，探討了珠三角河網區進行水質優化的相關工程措施，定量分析各措施對水質改善的效果，為類似工程提供一定的參考。

b)基于Mike11建立的北村水系一維河網水動力水質模型，分別對現狀以及各方案條件下相關水質指標的變化過程。分析得到通過現狀泵閘調控對水質的改善效果甚微，而新建截污管網和疏浚工程即可大幅改善河道水質，對水質改善的效果最為顯著。新建調蓄池和活水泵閘工程對于河段水質改善影響程度不同，需綜合考慮其建設的必要性。

c)污染嚴重的支河涌，僅靠截污和疏浚無法滿足地表水體Ⅴ類水要求，進一步實施活水工程后，水質基本上可以達到Ⅴ類水要求，但水質狀況極不穩定，受外界擾動影響極大。可在方案2的基礎上實施水系連通和生態修復工程，進一步改善水環境質量。