黃河下游引黃灌區水系連通條件下水環境變化效應模擬

胡亞偉 常東明 高子樂 賈倩 鄭銀林

關鍵詞：ＭＩＫＥ１１；水系連通工程；水環境質量；水環境容量；趙口引黃灌區；黃河下游

水系連通是提高河網水系生態環境質量的重要方式之一。通過新建、改建江河湖庫水系連接通道，優化水資源配置格局，可增強水系自凈能力，促進流域可持續發展［１－３］。目前，ＭＩＫＥ１１、ＷＡＳＰ、ＥＦＤ等水環境模擬軟件已成為研究水環境問題的重要工具［４］，其中ＭＩＫＥ１１軟件可用于河流、灌溉渠道等河（渠）網的一維動態水動力、水質模擬，進行河渠灌溉系統的設計與調度、水質預警等，具有計算穩定、精度高等特點，在水域水系連通研究中運用廣泛［５－６］。如：高強［７］采用ＭＩＫＥ１１軟件建立水動力模型，提出優化河涌水系連通補水調度方案；周震［８］采用ＭＩＫＥ１１軟件從微觀尺度分析了巢湖流域不同水系連通狀況對河流水質的影響；盧衛等［９］采用ＭＩＫＥ１１軟件的水質模塊評估分析了各種水系連通規劃及水源調蓄工程的水污染情況；潘劍光等［１０］利用ＭＩＫＥ１１軟件模擬了北方平原區城市水系的最優水動力情景，并據此得出實現水質全面達標的污染負荷削減方案。但目前針對灌區復雜渠系的ＭＩＫＥ１１模型模擬研究較為缺乏。

為分析水系連通條件下灌區水環境變化效應，以黃河下游趙口引黃灌區二期工程為例，基于ＭＩＫＥ１１軟件構建灌區水動力－水質耦合模型，對閘控一維復雜河網的水動力、水質進行模擬，評估水系連通工程對灌區退水受納水體水環境變化的影響，以期為趙口引黃灌區水資源利用、水生態修復提供依據。

１研究區概況

趙口引黃灌區位于黃河下游，高程４０～８０ｍ。現有骨干渠道１６條，支渠２４條，排水河溝道６２條。為滿足農業灌溉用水需求，提升灌區用水效益，趙口引黃灌區二期工程對灌排工程和配套工程進行了新建、改建等。對１４條骨干渠道進行初襯改建，對東一干渠和陳留分干渠進行擴建，新建總干渠—運糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟河輸水通道。灌區內河流均屬于淮河流域渦河水系。灌區設計灌溉面積為１４７７．４ｋｍ２。自趙口引黃灌區渠首閘引黃河水，退水受納水體主要為渦河和惠濟河。渦河為淮河第二大支流，利用段總長１２４．７ｋｍ，輸水利用段為運糧河溝口至玄武攔河閘。惠濟河為渦河第一大支流，利用段總長２４．１６２ｋｍ，利用段有羅寨攔河閘和李崗攔河閘。工程完工后，會減小灌區輸水損失，提高灌溉水利用系數，提升豫東平原渠道和河溝水系的連通性，改善區域生產生活條件，促進區域可持續發展。

２灌區水動力－水質耦合模型構建

趙口引黃灌區二期工程區內河道、溝道、渠道長度遠大于寬度和深度，在灌區水體橫向和垂向上各類污染物易混合均勻，符合一維穩態模型的構建、模擬條件。采用ＭＩＫＥ１１水動力模塊（Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ，ＨＤ）和對流擴散模塊（Ａｄｖｅｃｔｉｏｎ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＡＤ）構建趙口引黃灌區水動力－水質耦合模型。

２．１水動力模塊

水動力模塊（ＨＤ）基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維明渠非恒定流方程組來模擬河流或河口的水流狀態［１１－１２］。

連續方程為

式中：Ｂｓ為河寬，Ａ為斷面過流面積，ｔ為水體運移時間，Ｑ為斷面流量，ｘ為按照水體流動走向的直線里程，ｑ為單位河長的旁側入流水體流量，α為垂向速度分布系數，ｇ為重力加速度，ｈ為斷面水位，Ｃ為謝才系數，Ｒ為水力半徑。

采用Ａｂｂｏｔｔ－Ｉｏｎｅｓｃｕ六點隱式差分格式求解方程組，在每一個網格節點中按順序交替計算水位和流量［１３］，可取較長的時間步長進行計算以節省時間。

２．２對流擴散模塊

對流擴散模塊（ＡＤ）可模擬水體中可溶性和懸浮性物質的對流擴散過程。對流擴散方程如下：

式中：Ｃ１為受納水體污染物濃度，Ｃ２為旁側入流水體污染物濃度，Ｄ為污染物擴散系數，Ｋ為污染物衰減系數。

污染物擴散系數為綜合參數項，表示污染物沿水流方向的擴散速率，公式為式中：Ｖ為水流速度，ａ、ｂ為模型中用戶設定的參數。

２．３模型構建

２．３．１河網概化文件設置

河網概化原則為可基本反映河網水系的水力特性，使河網輸水、調蓄能力與實際相近或基本一致。根據地形、水力條件，運用ＡｒｃＧＩＳ概化趙口引黃灌區二期工程范圍內的河、溝、渠，選擇１６條骨干渠道和１７條河溝道導入ＭＩＫＥ１１形成連通的河網概化文件（．ｍｗｋ）。１６條骨干渠道分別為總干渠、東一干渠、東二干渠、陳留分干渠、朱仙鎮分干渠、石崗分干渠、躍進干渠、幸福干渠、幸福西分干渠、幸福東分干渠、杞縣東風干渠、東風二干渠、幸福渠、團結干渠、東風（太康）干渠、宋莊干渠，１７條河溝道為渦河、惠濟河、孫城河、運糧河、香冉溝、小溫河、小蔣河、小清河、渦河故道、小白河、鐵底河、大堰溝、湯莊溝、清水河、上惠賈渠、下惠賈渠、姜清溝。

２．３．２斷面及邊界設置

為提高模型模擬的準確性，根據灌區地形在３３條河、溝、渠設置監測斷面，在重要節點（水體交匯處）增加監測斷面。

ＭＩＫＥ１１模型外部邊界包括水動力模塊的水文動力學邊界和對流擴散模塊的水質邊界。水文動力學邊界的時間序列數據來自河、溝、渠的實測和設計資料（流量、水位），上游邊界為流量邊界，下游邊界為水位邊界。水質邊界的時間序列數據來自實測水質資料，水質指標包括總氮（ＴＮ）、總磷（ＴＰ）、氨氮（ＮＨ＋４－Ｎ）和硝氮（ＮＯ－３－Ｎ）。模擬的３３條河、溝、渠共包含７個邊界，其中有５個上邊界、２個下邊界。上邊界分布于總干渠、惠濟河、渦河、大堰溝、清水河，下邊界位于渦河和宋莊干渠。

２．３．３初始條件及參數設置

為使模型平穩啟動，初始條件設置應盡可能與模擬開始時刻實際河網水動力、水質條件一致，因此設定初始水位、流量、水質數據為實測數據。水動力模塊中糙率ｎ可以衡量河床邊壁粗糙程度，其取值直接影響水動力模型的計算精確度。根據已有研究成果，河網糙率取值為０．０２５～０．０３０，混凝土襯砌渠道糙率為０．０１１～０．０１９［１４－１５］。模型初步搭建的河道和渠道糙率設置在上述范圍內選擇。對流擴散模塊參數主要包括縱向擴散系數和衰減系數，國內河流的縱向擴散系數取值為５～２０ｍ２／ｓ［１６］。模型初步搭建時水質組分（ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ）的縱向擴散系數均在上述范圍內設定，衰減系數初步設置為０．００２／ｈ。

２．３．４模型率定及誤差分析

利用實測的水文、水質等數據對構建模型進行率定驗證，通過不斷調整各河、溝、渠的參數值，使模擬結果更為準確。

對渦河和惠濟河的河道糙率進行率定，最終確定糙率值見表１。除渦河、惠濟河外，其他１５條河溝道的糙率率定為０．０２５；１６條干渠、分干渠糙率率定為０．０１６。

為評價模型率定結果的準確性，對率定期（５月１—３１日）渦河下游魏灣閘附近斷面和惠濟河下游李崗閘附近斷面流量的模擬值與實測值進行比較，采用效率系數與相關系數分析模型在灌區的適用性。渦河糙率的相關系數為０．８６５５、效率系數為０．８０８５，惠濟河糙率的相關系數為０．８１９４、效率系數為０．７９２１，滿足效率系數≥０．５且相關系數≥０．７的基本要求，表明率定后的糙率可較好地模擬實際水動力過程。

為達到更好的模擬效果，對渦河和惠濟河的縱向擴散系數和衰減系數進行率定。渦河縱向擴散系數率定為９ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數分別率定為０．００２９０、０．０００６０、０．００４１０、０．００１３０／ｈ。惠濟河縱向擴散系數率定為８ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數分別率定為０．００２５０、０．０００５０、０．００３８０、０．０００８３／ｈ。其余河、溝、渠的縱向擴散系數率定為８．５ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數分別率定為０．００２７０、０．０００５５、０．００３９５、０．００１１０／ｈ。

對率定期（５月１—３１日）渦河下游魏灣閘附近斷面及惠濟河下游李崗閘附近斷面處ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ和ＴＰ濃度的實測值與模擬值進行比較，得到縱向擴散系數和衰減系數的率定誤差，見表２。各水質指標的縱向擴散系數和衰減系數滿足效率系數≥０．５且相關系數≥０．７的基本要求，表明率定的縱向擴散系數和衰減系數可較好地模擬實際水動力過程。

２．４水環境容量計算

水環境容量是指在給定水文條件和水域范圍、規定水質目標和排污方式的前提下，為保證水體功能正常使用，單位時間內允許最大納污量，其由稀釋容量和自凈容量組成，可表示水域的自凈同化能力［１７－１８］。采用基于ＭＩＫＥ１１模型的ｍ值法計算灌區受納水體渦河和惠濟河的日均水環境容量［１９－２１］。

ＭＩＫＥ１１水質模塊已充分考慮污染物的衰減作用，在計算水環境容量時只需考慮稀釋作用。污水進入受納水體后的混合污染物濃度Ｃｓ計算公式為

３結果分析

３．１水系連通后受納水體水環境質量變化情況

趙口引黃灌區二期工程區內凈耕地面積為１４７０ｋｍ２，第一產業以農業為主，農作物主要有花生、棉花、玉米、小麥、西瓜等。灌區年內雨量分配集中，６—９月汛期降水量占全年降水量的７５％～８５％，暴雨主要發生在７—８月。３—５月、７月和１１月為引黃灌溉期。

利用搭建的水動力－水質耦合模型分析新建總干渠—運糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟河輸水通道后，渦河裴莊閘、吳莊閘、魏灣閘、玄武閘監測斷面和惠濟河羅寨閘、李崗閘監測斷面２０２１年１月１日—１２月１８日的水質變化情況，各斷面的水質變化情況較相似，選取渦河裴莊閘斷面和惠濟河羅寨閘斷面的模擬結果進行展示，見圖１、圖２。水系連通前渦河４個閘口斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ濃度符合地表水Ⅳ類水標準（ＴＮ≤１．５ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．３ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤１．５ｍｇ／Ｌ），惠濟河２個閘口斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ濃度符合地表水Ⅴ類水標準（ＴＮ≤２．０ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．４ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤２．０ｍｇ／Ｌ）。水系連通后６個斷面的ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ濃度整體均低于連通前的，表明在較長時間尺度上，水系連通性的提高使得灌區受納水體水環境質量改善。汛期和灌溉期氨氮濃度較高，原因是氮肥以有機氮和氨氮為主，氨氮帶正電荷，易與帶負電荷的土壤結合，在汛期和灌溉期含有氨氮的土壤被沖刷入河，導致水體中氨氮濃度升高。

水系連通對河、溝、渠道及受納水體水質改善具有積極的作用。增加灌區河、溝、渠連接節點并進行渠道襯砌改造后，灌區水系水力聯系、水體流動性和連續性提高，促進水量、能量、物質流交換，加快水體循環。灌區通水灌溉后，長距離輸水及水力機械運動使得水體復氧更加充分，有利于污染物的稀釋、擴散和降解，增強水體自凈能力，增加河流水環境容量。同時部分引黃水通過河渠滲漏或灌溉回歸地下水，經水體稀釋等可在一定程度上降低淺層地下水中的污染物濃度，提升水環境質量。

３．２水系連通后受納水體水環境容量變化情況

水系連通前后渦河和惠濟河６個斷面的日均水環境容量計算結果見表３和表４。水系連通之后，渦河裴莊閘、吳莊閘、魏灣閘、玄武閘斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水環境容量整體為水系連通前的１．０～５．７倍。

惠濟河羅寨閘、李崗閘斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水環境容量整體為水系連通前的１．３～２．３倍。

水系連通后水環境容量增加，表明灌區退水受納水體的污染物最大容納負荷增大，維持水體生態系統平衡的綜合能力增強。在滿足基本水環境質量要求的前提下，可進行的水資源利用等人類活動上限提高，有助于維持黃河下游社會經濟可持續發展和保持水生態系統健康。

４結論

采用ＭＩＫＥ１１軟件構建了趙口引黃灌區二期工程水動力－水質耦合模型，評價水系連通對灌區退水受納水體重要節點水環境質量和水環境容量的影響。水系連通工程的實施使灌區退水受納水體渦河及惠濟河中ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的濃度降低，渦河各污染物的水環境容量整體為水系連通前的１．０～５．７倍，惠濟河污染物的水環境容量整體為水系連通前的１．３～２．３倍。通過新建總干渠—運糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟河輸水通道，增加了流域水環境容量，提高了水體復氧能力、自凈能力，改善了流域水生態環境。