基于MIKE11 的引排水改善平原河網水環境質量模擬研究

丁鈺童，莫李娟，黃冬菁，葛詩陽，鞠 琴，顧鶴南

（1. 河海大學水災害防御全國重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學水安全與水科學協同創新中心，江蘇 南京 210098；3. 太湖流域水文水資源監測中心，江蘇 無錫 214024； 4. 浙江水利水電學院，浙江 杭州 310000；5. 浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

0 引 言

寧波市是我國東南沿海重要的港口城市，承擔著長江三角洲南部經濟中心的重要角色。隨著經濟社會的快速發展，水環境質量下降以及水生態系統受到破壞等問題也隨之而來。雖然寧波市政府積極采取各項措施來改善水環境面貌，以推進“五水共治”戰略決策，但是經濟社會發展帶來的污染排放與水環境承載力之間仍存在較大矛盾。水質水量聯合調控是平衡社會經濟發展和水環境保護的重要舉措［1，2］，江濤等［3］在已建立的水量水質數學模型基礎上，以COD 為水質模擬因子，模擬分析了枯水期閘泵站聯合調度引水情景下佛山水道的水質改善效果；周芬等［4］認為原調水引流是增加海平原河網水源補給不足、水質較差地區水資源補給、促進水體有序流動、改善河網水質的有效措施；胡鑫等［5］提出水資源水量水質保護的多目標耦合模型設計方法，驗證了所提方法的有效性；Salla 等［6］將水量模型和水質模型集成建模，并應用于巴西Araguari 河流域的綜合管理，對微生物沉降進行了校準和驗證；Avogadro 等［7］在水資源規劃中考慮構建了水質約束條件；Azevedo等［8］提出了水質水量一體化的管理的思想，并在巴西皮拉西卡巴河流域水資源管理中得到成功應用。目前的水量水質聯合調控研究多側重于在河網概化的基礎上對局部區域的水環境進行治理，尚未綜合考慮下游邊界條件變化來改善流域水動力水質的情況。基于此，本文以寧波市江北鎮海平原為例，根據江北鎮海平原的水系分布、水利現狀，建立MIKE11 水動力水質耦合模型，使用綜合流速評價方法，對一定引水條件下通過閘站調控等措施實現的不同出流方案進行比選，分析邊界條件變化下的河道水動力水質改善效果，得到流速和水質最佳的出流方案。

1 研究區域概況

1.1 研究范圍

本文選取寧波市江北鎮海區為研究區域，研究區域圖如圖1所示。鎮海區位于寧波市東北部，江北區位于寧波市西北部，江北鎮海區地勢是西北高東南低，地面高程基本在1.7～2.5 m之間。全市河流眾多，甬江和象山港三門灣入海組成寧波市的主要河網水系［9］。其主要的供水水源為十字路、嵐山、三圣殿、郎家坪等水庫、澥浦大河、清排大河、前大河。江北鎮海域的引調水和配水主要依靠姚江北岸的調水站，將姚江干流的水轉化為江北市的海河河網，通過平原上的脊狀河道由南向北、由東向西進行輸水，江北鎮海平原主要發展第二、第三產業，工業用水居多，引配水應多滿足工農業需求，在環境需求方面，也應保持河流正常水位和維護河網環境。

圖1 研究區水系圖Fig.1 Map of the water system in the study area

1.2 流域水質現狀

由于江北鎮海平原水污染治理強度滯后于經濟社會發展，部分地區點源、面源入河污染物量仍大幅超過限排總量，并且河網水源補給不足、水流滯緩、流動性較差，江北鎮海平原水質大多處于Ⅴ類與劣Ⅴ類之間，平原中部江北河段水質最差［10］。從氨氮指標來看，江北鎮海河網水質總體上處于劣V 類水平，慈城監測點監測數值從0.82～3.32 mg/L 不等，水質年內變化從III 類到劣V 類不等，年內平均值為1.98 mg/L，總體處于V 類水平；駱駝橋監測點監測數值從0.39～5.78 mg/L 不等，水質年內變化從II類到劣V類不等，年內平均值為2.50 mg/L，總體處于劣V類水平；江北大河監測點監測數值從1.79～12.20 mg/L 不等，年內平均值為5.58 mg/L，總體處于劣V類水平。近10年來，以“污水處理”為首的“五水共治”重大戰略決策進一步推進。寧波市各級政府積極采取措施，不斷加強水環境治理和水資源保護的力度，主要通過生態清水河道建設和城鄉水環境集中整治等具體方式對平原河網進行水環境的綜合整治，河網水環境質量面貌有了顯著的效果。

2 水動力水質模型

2.1 模型構建

MIKE11 水動力模型主要是根據不同地區的實際條件和參數生成河網文件、斷面文件、設置邊界條件并形成邊界文件，利用水文計算結果形成時間序列文件、設置時間步長形成模擬文件，對一維河道和潰口的進行概化演算。MIKE 11 軟件的水動力模型采用隱式有限差分格式模擬不穩定河流的運動［11］，為更好地描述各種河流不同的流動環境，采用能夠適應河流時空流動內部條件的數值計算格式。其包括動量方程（1）和連續性方程（2）。

式中：Q為流量，m3/s；x為沿河距離坐標，m；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；q為旁側入流，m3/s；α為動量修正系數；g為重力加速度，m3/s；h為水深，m；C為謝才系數；R為水力半徑，m。

污染物進入水體后，其與水體之間的物理、化學和生物等作用改變了污染物遷移、擴散和轉化等運動過程［12］。水質模型自動提取HD 模塊產成的水動力條件，將對流擴散和生化反應的輸運激發融入到水生態模擬中，用來表征水生態系統中不同物質之間的相互作用和各自的形態變化。該模型用來模擬污染物在水體中的擴散過程中，因污染物濃度急速增高而發生突發性水污染事故。MIKE 11 對流擴散模型（AD）能夠對污染物遷移過程進行模擬，并能對突發性水污染事故進行實時現場分析。AD 模塊也可模擬由于對流和擴散而在水中運輸溶解物質的過程，還可以計算每個模塊的線性衰減和散熱。水動力模型建立之后，將所有文件在模擬文件中整合并輸出結果文件，在水動力模型的計算結果的基礎上，建立MIKE11水質模型，基本方程為一維對流擴散方程：

式中：A1為橫截面面積，m2；C1為污染物的質量濃度，mg/L；D為縱向擴散系數，m2/s；C2為源匯項，mg/L；K為線性衰減系數，1/d。

2.2 河網概化

江北鎮海平原概化的河道包括慈江、沿山大河、江北大河、莊橋河、中大河等骨干河道48 條，計算斷面282 個，計算邊界6個。關于研究區域污染物概化，主要入河污染源包括生活污水、工業廢水、農業面源、畜禽養殖及地表徑流污染等，參考《寧波市水資源綜合規劃》進行估算，將MIKE11水動力模塊和對流擴散模塊耦合構建江北鎮海平原水動力水質模型，通過控制上下邊界的入流與出流口的啟閉，來模擬河網中水流運動與污染物的遷移過程。構建的河網概化圖如圖2研究區域河網概化圖所示。

圖2 研究區域河網概化圖Fig.2 The generalizability of river network in the study area

2.3 參數設置

通過HD parameter對江北鎮海平原初始河道條件和河床糙率進行設定，初始條件應盡量與河網模擬初期的實際水動力條件相符，其中參數主要由模型的初始水位、流量、河道糙率組成，模擬期初始水位1.11 m，實際的河床糙率因為天然地勢、下墊面的不同而復雜多變，根據以往寧波市三江平原河床糙率研究成果［13］，設置河床糙率n=0.03。在水質模塊中，衰減系數可以反映河流中污染物降解的程度，以主要污染物氨氮指數為主要模擬指標，衰減系數設置為0.08～0.10。

3 研究區模擬方案擬定

3.1 模擬方案

江北鎮海區域海域的調水和配水主要依靠姚江北岸的調水站，將姚江干流的水引入江北鎮海區海河河網，通過平原上的脊狀河道由南向北、自東向西輸水，用以滿足該地區工農業生產用水需求，維持河流景觀和正常水位［14］，江北鎮海片河網退水主要經由孔浦閘、澥浦大閘、新泓口閘等排入甬江和東海，其中新泓口閘泵站流量為40 m3/s。利用慈江閘站、姚江大閘、孔浦站引姚江水進入流域，自西北向東南在慈江、新泓口河、中大河出流處上游分別設置澥浦大閘為出流口①新泓口閘為出流口②漲鑒碶閘為出流口③用來模擬泵站排水，通過控制3 個邊界出流口流量的變化，改變出流口流量大小。根據泵站排水能力，通過控制各出流口閘站的啟閉，設計模擬出口流量分別為9、18、24、36 m3/s 的28 種方案（見表1-4）。利用已建立的水動力數學模型與水質模型進行耦合，設定本底值ρ（NH3-N）=2 mg/L，模擬28 種計算方案對江北鎮海平原水質的改善情況，得到各個方案在研究區的流速、NH3-N 濃度變化，最后綜合判斷最優方案。

表1 出流量為9 m3/s調度方案Tab.1 Outflow of 9 m3/s scheduling scheme

表2 出流量為18 m3/s調度方案Tab.2 Outflow of 18 m3/s scheduling scheme

表3 出流量為24 m3/s調度方案Tab.3 Outflow of 24 m3/s scheduling scheme

表4 出流量為36 m3/s調度方案Tab.4 Outflow of 36 m3/s scheduling scheme

3.2 模擬結果

本文引入K為流速與污染物濃度的比值，K值越大代表流速越大，污染物濃度越低，方案更優；反之相反。28個方案條件下的預測結果以及各個方案下流域的平均流速和水質改善情況見表5～表8。28 種方案對流域的水動力、水質情況都有不同程度的改善。當出流量為9 m3/s 時，NH3-N 濃度最低可降至1.560 mg/L；當出流量為18 m3/s 時，NH3-N 濃度最低可降至1.648 mg/L；當出流量為24 m3/s 時，NH3-N 濃度最低可降至1.709 mg/L；當出流量為36 m3/s 時，NH3-N 濃度最低可降至1.718 mg/L。表明在一定時間范圍內，隨著出流量的增大，水速明顯增大，但水質改善不明顯。

表5 出流量為9 m3/s各方案下流域的平均流速及水質改善情況Tab.5 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 9 m3/s

表6 出流量為18 m3/s各方案下流域的平均流速及水質改善情況Tab.6 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 18 m3/s

表7 出流量為24 m3/s各方案下流域的平均流速及水質改善情況Tab.7 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 24 m3/s

表8 出流量為36 m3/s各方案下流域的平均流速及水質改善情況Tab.8 Average flow rate and water quality improvement in the basin under each scheme with an outflow of 36 m3/s

4 模擬效果分析評價

根據表5-8，可以得出，方案都能有效改善河道的水動力情況。參考國內有關文獻的試驗研究成果和省內有關引配水工程的實踐經驗［15］，認為引配水工程實施后主要河道流速不低于0.05 m/s，力爭達到0.1 m/s。

通過調控邊界條件可以達到提高流速、改善水質的效果。流域河網水質自北向南逐步得到改善，當增大入流口流量時，流域流速改善明顯，但水質改善率較低，且存在的溢流情況不容忽視。28個方案水質改善率為11.9%～21.9%，其中方案12改善流域水動力水質情況最佳，模擬的最大流速為0.056 m/s，水質降為1.66 mg/L，水質改善率為17%，K值為0.034。其次為方案1，模擬的最大流速接近0.05 m/s，水質降為1.56 mg/L，水質改善率為22%，K值為0.026。由此可見，江北鎮海區利用慈江閘站、姚江大閘、孔浦站引姚江水進入流域，通過澥浦大閘的單獨排水和與漲鑒碶閘的聯合排水，可提升水質到Ⅳ類或Ⅴ類水標準。

綜合所述，考慮水動力水質聯合調控，方案12為最優方案，推薦引水流量為18 m3/s，流域平均流速可達0.056 m/s，流域平均氨氮濃度為1.660 mg/L，濃度下降17.0%，可將水質提高到Ⅳ類或Ⅴ類水平。方案12 的水質水量優化情況相對于方案1 提升了30.8%，這是由于流向出流口1 的支流過多、相互阻礙，造成河道水流移動受阻，從而削弱了開放出流口1 對于江北鎮海平原的水環境改善效果。

圖3 最優方案流域水質分布圖Fig.3 Water quality distribution map of the catchment for the optimal solution

5 結 語

（1）利用構建的江北鎮海平原水環境數學模型，考慮水動力條件和污染物削減2 個方面因素，通過控制邊界出流口流量提出28 套計算方案，流量為9 m3/s 時水質改善情況最佳，但河網水動力情況達不到0.05 m/s 的標準；流量為24 和36 m3/s 時，流域內出現溢流情況。綜合考慮水動力水質的聯合調控，設定出流量為18 m3/s 的研究方案在改善流域水動力與水質情況方面相對較優。

（2）在入流量為18 m3/s時，開新泓口閘與漲鑒碶閘（出流口2、3）的方案最優，模擬后NH3-N的平均濃度為1.660 mg/L，流域平均流速為0.056 m/s，主要污染物NH3-N 濃度下降明顯。K值為0.034，相比較于方案1提升了30.8%。

（3）本文通過對河網上下游邊界的控制，結合地勢合理配置出入口的水量，達到了加大河網水動力，提高河網自凈能力，改善流域水質的效果。水質水量聯合調控是改善流域環境的有效手段，未來需要在枯水年、豐水年的條件下，對流域實際的引排水能力進行進一步研究。