楊道軍，胡琦玉，佘雁翎

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 南京　210093)

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閘壩調(diào)控下的MIKE模型在水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)中的應(yīng)用

楊道軍，胡琦玉，佘雁翎

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 南京210093)

摘要：閘控設(shè)施的存在，改變了天然河流的自然流態(tài)，閘控雖然在一定程度上提高了水資源利用效率，增強(qiáng)了洪水的調(diào)節(jié)能力，但從環(huán)保角度考慮，閘控卻阻礙了水污染物正常的遷移擴(kuò)散，并不利于污染物稀釋降解。針對閘控上游的排污行為，現(xiàn)狀情況下不能再以簡單的湖泊模式或河流模式進(jìn)行環(huán)境影響預(yù)測，應(yīng)根據(jù)實(shí)際水文條件建立模型。本次針對江蘇某污水處理廠擬設(shè)排口，設(shè)計(jì)了五種不同工況下的預(yù)測方案，并應(yīng)用丹麥MIKE21建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明擬設(shè)排污在不同工況下的影響范圍和程度均不同，但總體來說影響均較小。

關(guān)鍵詞：MIKE21模型；影響預(yù)測；閘壩調(diào)控

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河流上修建各類閘控已經(jīng)非常普遍，閘控設(shè)施的修建更多的是從水資源利用角度出發(fā)，發(fā)揮了興利作用，但從環(huán)保角度考慮，由于阻隔了河水的天然流態(tài)，閘控可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性的污染事故發(fā)生，近年來這類事故發(fā)生的頻率越來越高，根據(jù)資料檢索，淮河流域類似的事故發(fā)現(xiàn)已經(jīng)多次。這種污染事件一般沒有固定的排放方式，屬于突然發(fā)生，短時(shí)間內(nèi)的廢水集中下泄對下游水環(huán)境質(zhì)量造成較大影響。目前我國經(jīng)濟(jì)的增長方式還是相對粗獷，經(jīng)濟(jì)的增長伴隨著廢水排放的增加，廢水的最終出路必然是天然水體，越來越多的廢水排放與阻隔的、不利于污染物擴(kuò)散河流形成了一對矛盾體，因此如何有效地預(yù)測預(yù)警這類排污行為對下游水環(huán)境的影響變得非常重要。我國早在1993年就已經(jīng)頒布了《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地面水評價(jià)》(HJ/T 2.3—93)，該導(dǎo)則列舉了有關(guān)一維、二維等水質(zhì)預(yù)測模型。但是經(jīng)過20多年的發(fā)展，這些模型已經(jīng)不能完全適用現(xiàn)狀的排污行為，比如由于河流上閘控的存在，該河流已經(jīng)不是真正意義上的“河流”，在閘控的關(guān)閉期間，河流其實(shí)為狹長形的水庫，并沒有流量，該河流如果還利用導(dǎo)則推薦的模式預(yù)測水質(zhì)則顯得不合適，預(yù)測結(jié)果必然也不太符合實(shí)際。因此，為了客觀預(yù)測閘控上游的排污行為對下游水質(zhì)的影響，應(yīng)建立與之相對應(yīng)的模型，為主管部門決策提供依據(jù)[1- 3]。

1案例區(qū)域概況

太湖流域地處長江三角洲核心區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、城市集中，涉及江蘇、浙江、上海和安徽三省一市，流域面積36 900 km2。太湖流域水環(huán)境問題日益突出，水污染事件時(shí)常發(fā)生，為了進(jìn)一步加大太湖治理力度，國家發(fā)布了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》。為提高引江濟(jì)太效率和效益，需對望虞河西岸實(shí)施有效控制。走馬塘拓浚延伸工程是實(shí)現(xiàn)望虞河西岸控制，進(jìn)一步擴(kuò)大望虞河引江規(guī)模、改善引江入湖水質(zhì)、提高太湖水環(huán)境容量的必要條件。該工程主要解決望虞河西岸控制后，引江濟(jì)太期間西岸地區(qū)的排水出路，改善區(qū)域水環(huán)境，并改善區(qū)域航運(yùn)條件。

走馬塘拓浚延伸工程南自京杭運(yùn)河起，利用沈?yàn)^港、走馬塘、錫北運(yùn)河拓浚，并從無錫境內(nèi)的后莊東起穿過無錫境內(nèi)，于常熟市王莊東北的張、虞二市交界止，基本沿著二市交界向東北方向延伸平地開河與七干河相接，再拓浚七干河入江，全長66.30 km。工程主要涉及無錫市錫山區(qū)、新區(qū)和蘇州市的常熟市、張家港市。為調(diào)節(jié)走馬塘的水位，建設(shè)走馬塘江邊樞紐工程，距離長江口約600 m。走馬塘疏浚后其功能主要定位為排水通道。

2案例項(xiàng)目概況

江蘇常熟新材料產(chǎn)業(yè)園位于常熟沿江產(chǎn)業(yè)帶。園區(qū)規(guī)劃總面積5.04 km2，其中一期規(guī)劃面積2.97 km2，二期規(guī)劃面積2.07 km2。園區(qū)以氟化工產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，園區(qū)已引進(jìn)美國、法國、日本、比利時(shí)、中國臺(tái)灣、中國香港等國家和地區(qū)的50多家企業(yè)。

作為園區(qū)的基礎(chǔ)配套設(shè)施——新材料產(chǎn)業(yè)園污水處理廠目前已建成，現(xiàn)狀處理規(guī)模為1.0萬t/d，污水處理規(guī)模不能滿足發(fā)展需求，因此需要擴(kuò)建，由于區(qū)域地理位置的特殊性，走馬塘作為該地區(qū)的尾水排放通道，因此首選將排污口設(shè)置在走馬塘上。

3模型建立

3.1　水動(dòng)力水質(zhì)二維數(shù)學(xué)模型建立

由于地表水導(dǎo)則推薦的模式較簡單，不符合本次計(jì)算要求，因此考慮建立數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型已經(jīng)不再需要手動(dòng)編程技術(shù)，國際上已經(jīng)有多款商業(yè)軟件。目前較為流行的地表水商業(yè)軟件有SMS、CEDAS、SWAN、MIKE、DELFT3D、EFDC等。其中MIKE系列軟件在我國應(yīng)用較廣，該軟件已經(jīng)在一些大型工程中廣泛應(yīng)用，如長江口綜合治理工程、杭州灣數(shù)值模擬、南水北調(diào)工程、重慶城市排污工程等。丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE21數(shù)學(xué)模型屬于平面二維表面流數(shù)學(xué)模型，可廣泛地應(yīng)用于潮汐、水流、風(fēng)暴潮等二維水力學(xué)現(xiàn)象的研究。

(1)水動(dòng)力模型基本方程及求解方法

①基本方程

對于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組。其連續(xù)性方程、X和Y方向動(dòng)量方程，可分別表示為：

式中，H為水深，H=h+ζ，其中ζ、h分別為水位和水深； p、q分別為x、y方向上的流通通量； c為謝才系數(shù)； g為重力加速度； f為科氏力系數(shù)； ρ為水的密度； W、Wx、Wy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量； fw為風(fēng)阻力系數(shù)； τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

(2)水質(zhì)模型基本方程及求解方法

①基本方程

水質(zhì)方程是以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)的。由于三維水質(zhì)輸移方程包含很多不可確定的參數(shù)，在現(xiàn)有條件下，模型的驗(yàn)證存在困難，考慮到資料及模型計(jì)算工作量等因素，采用垂向平均的二維水質(zhì)模型。二維水質(zhì)輸移方程為：

式中，Ci為污染物濃度； u、v為x、y方向上的流速分量； Ex、Ey為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)； Ki為污染物降解系數(shù)； Si為污染物底泥釋放項(xiàng)。

②方程數(shù)值解

對每一時(shí)間步長的計(jì)算采用剖開算子法進(jìn)行，具體分平流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)、源匯項(xiàng)對垂向二維水質(zhì)模型進(jìn)行求解。

平流項(xiàng)：求解n+1/3時(shí)刻中的值，差分格式如下：

式中，Uk為第k層上x方向的流速；Vk為第k層上y方向的流速；Ekx、Eky為第k層x方向和y方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。

采用特征線法進(jìn)行平流項(xiàng)的求解，將上式進(jìn)一步分裂成：

擴(kuò)散項(xiàng)：求解n+2/3時(shí)刻中的值，差分格式如下：

擴(kuò)散項(xiàng)數(shù)值通常較小，采用顯式求解。

源匯項(xiàng)：求解n+1時(shí)刻中的值，差分格式如下：

3.2　模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

由于走馬塘已經(jīng)劃定屬于排放通道，再預(yù)測分析對走馬塘的環(huán)境影響實(shí)際意義不大，因此重點(diǎn)考慮長江及其下游取水口水質(zhì)預(yù)測。模型計(jì)算范圍為長江(走馬塘入江口處上游7.5km范圍至下游15km范圍)。由于在研究區(qū)域長江段內(nèi)目前正在實(shí)施鐵黃沙綜合整治工程，因此，擬分別建立工程開展前、后研究區(qū)域的數(shù)學(xué)模型，以工程實(shí)施前所建模型以及實(shí)測數(shù)據(jù)開展相關(guān)水力參數(shù)的驗(yàn)證，以工程實(shí)施后所建模型開展區(qū)域水質(zhì)預(yù)測。鐵黃沙綜合整治工程實(shí)施前、后研究區(qū)域模型網(wǎng)格概化及地形內(nèi)插情況分別見圖2、圖3。

圖2　鐵黃沙綜合整治工程實(shí)施前研究區(qū)域模型網(wǎng)格概化及地形內(nèi)插圖Fig.2　The regional model of grid of generalizability and terrain insetbefore Tiehuangsha comprehensive improvement poject

圖3　鐵黃沙綜合整治工程實(shí)施后研究區(qū)域模型網(wǎng)格概化及地形內(nèi)插圖Fig.3　The regional model of grid of generalizability and terrain insetafter Tiehuangsha comprehensive improvement poject

3.3　邊界條件

①水文邊界條件

模型研究范圍內(nèi)長江下游段有兩個(gè)潮位監(jiān)測站，二干河十一圩閘下游和徐六涇水文站，上、下游邊界分別以兩個(gè)潮位站2010年枯季的水位實(shí)測值為邊界。

②水質(zhì)邊界條件

以各邊界的各類污染物的初始濃度為零，模擬計(jì)算擬建排污口分別在正常排放和非正常排放期間對長江的水質(zhì)影響。同時(shí)考慮望虞河引水期間作為邊界條件。

3.4　參數(shù)設(shè)置及模型驗(yàn)證

①參數(shù)設(shè)置

主要的水動(dòng)力參數(shù)：渦粘函數(shù)為Smagorinsky亞格子尺度模型；Smagorinsky系數(shù)為0.28；曼寧系數(shù)M為34(n=1/M，鐵黃沙工程實(shí)施前計(jì)算區(qū)域內(nèi)模型概化網(wǎng)格數(shù)為11 415個(gè)，鐵黃沙工程實(shí)施后計(jì)算區(qū)域內(nèi)模型概化網(wǎng)格數(shù)為10 915個(gè)。

水質(zhì)模塊計(jì)算參數(shù)：縱向擴(kuò)散系數(shù)Ex為33 m2/s；橫向擴(kuò)散系數(shù)Ey為0.5 m2/s；COD降解系數(shù)K為0.1 d-1；氨氮降解系數(shù)K為0.08 d-1；氟化物K為0。

②模型驗(yàn)證

根據(jù)上文建立的鐵黃沙工程實(shí)施前研究區(qū)域內(nèi)模型網(wǎng)格劃分以及二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，利用2010年望虞河閘(下游)潮位站逐日潮位資料，對2010年11月18日至11月20日一個(gè)潮周期的潮位計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的合理性，模型計(jì)算值與實(shí)測值對比見圖4。

圖4　望虞河閘(下游)模擬與實(shí)測水位對比圖Fig.4　Comparison of simulated and measured downstreamwater level diagram of Wangyu lake dam

4模型應(yīng)用

4.1　計(jì)算方案設(shè)計(jì)

根據(jù)與相關(guān)部門的咨詢，目前走馬塘江邊閘尚未制定相應(yīng)的調(diào)度方案，其啟閉工作主要根據(jù)現(xiàn)場需要靈活制定。長江的潮汐類型呈不規(guī)則的半日潮,一般每日潮位二漲二落，閘門開啟主要在長江落潮期。由于受走馬塘江邊閘的調(diào)控影響，從偏安全的角度出發(fā)，本次進(jìn)行多計(jì)算方案預(yù)測。

方案一：正常工況下，考慮落潮期間江邊閘門開啟，從偏安全角度考慮，按江邊閘的設(shè)計(jì)流量計(jì)算，取100 m3/s(在實(shí)際運(yùn)行過程中，該流量僅出現(xiàn)在豐水期，在枯水期流量將遠(yuǎn)低于100 m3/s)，4 h后閘門內(nèi)、外水位基本可持平。污染物濃度取污水處理廠排污水質(zhì)與走馬塘水體混合水質(zhì)，預(yù)測此種工況下園區(qū)污水處理廠污水排放對長江水環(huán)境的影響。

方案二：該方案為假定方案，將排污口設(shè)在閘控下游位置，即通過長江口直接排入長江。排放水質(zhì)取污水處理廠尾水設(shè)計(jì)排水水質(zhì)。

方案三：與方案一類似，假定污水處理廠發(fā)生事故排放，預(yù)測此種工況下園區(qū)污水處理廠污水排放對長江水環(huán)境的影響。

方案四：與方案二類似，假定將排污口設(shè)在閘控下游位置，即通過長江口直接排入長江。排放水質(zhì)取污水處理廠尾水事故排水水質(zhì)(即污水處理廠接管水質(zhì))。

方案五：該方案亦為假定方案，此方案假定閘控設(shè)施在很長時(shí)間內(nèi)未開閘(與淮河流域污染事故發(fā)生特點(diǎn)類似)，在突然開閘情況下，大量污水集中下泄。由于閘前聚集了大量尾水，因此排污水質(zhì)取污水處理廠尾水水質(zhì)。

表1　地表水環(huán)境預(yù)測方案一覽表

4.2　保護(hù)目標(biāo)分布

本項(xiàng)目研究區(qū)域，特別是走馬塘入江口下游存在多個(gè)取水單位，見表2。

4.3　預(yù)測結(jié)果

經(jīng)MIKE21軟件計(jì)算，本次5個(gè)計(jì)算方案對下游保護(hù)目標(biāo)的影響見表3。

表2　論證水域范圍內(nèi)保護(hù)目標(biāo)基本情況統(tǒng)計(jì)表

表3　尾水排放對長江干流保護(hù)目標(biāo)影響情況表

由預(yù)測結(jié)果分析可知，以COD為例，方案一對下游保護(hù)目標(biāo)取水口的最大瞬時(shí)貢獻(xiàn)值為0.038 mg/L，污染物貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為2.5‰。方案二對下游保護(hù)目標(biāo)取水口的貢獻(xiàn)值為0.002 8 mg/L，污染物貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為0.18‰。方案三對下游保護(hù)目標(biāo)取水口的最大瞬時(shí)貢獻(xiàn)值為0.04 mg/L，污染物貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為2.67‰。方案四對下游保護(hù)目標(biāo)取水口的貢獻(xiàn)值為0.023 mg/L，污染物貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為0.15‰。方案五對下游保護(hù)目標(biāo)取水口的最大瞬時(shí)貢獻(xiàn)值為0.13 mg/L，污染物貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為8.6‰。

經(jīng)MIKE21軟件模擬預(yù)測，排污口分別設(shè)置在走馬塘和長江口分析對比可知，排污口直接設(shè)置在長江上的方案對下游的影響相對較小，這主要是因?yàn)橐晕菜欧帕孔鳛槿牒恿?，相比長江的流量來說，0.347 m3/s的流量顯得微不足道，污染物在很短時(shí)間內(nèi)即可與長江水進(jìn)行完全混合。排污口設(shè)置在走馬塘上，由于受江邊閘閘控的影響，污水在短時(shí)間內(nèi)的集中下泄(最高可達(dá)100 m3/s)對長江下游保護(hù)目標(biāo)的瞬時(shí)貢獻(xiàn)值要稍大。

5結(jié)論

隨著越來越多閘控設(shè)施的建成，在閘控的影響下河流水文情況發(fā)生了諸多變化。我國在20多年前頒布了相關(guān)導(dǎo)則，其中推薦的河流預(yù)測模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)如今預(yù)測預(yù)警的需求，針對某個(gè)具體的排污行為，筆者建議應(yīng)根據(jù)周邊地形情況、水文特征等自行建模，目前市場上已經(jīng)有眾多商業(yè)軟件集成了這方面的功能，在眾多軟件中，MIKE系列軟件在我國應(yīng)用極其廣泛并被證明是有效的。本次針對某擬設(shè)排口通過MIKE21建模并經(jīng)率定和驗(yàn)證。經(jīng)預(yù)測可知，排污口設(shè)置在內(nèi)河和長江上對下游的水環(huán)境影響是有一定區(qū)別的，主要體現(xiàn)在瞬時(shí)貢獻(xiàn)值上，但是影響值均較小。本文從環(huán)境角度上考慮，仍建議排污口設(shè)置在走馬塘上，一方面由于走馬塘仍有一定的污染物降解能力，總體來說減少了污染物排入長江的量；另一方面在長江上設(shè)置排污口的技術(shù)和施工難度相對較大。需要強(qiáng)調(diào)閘控的主管單位要特別注意吸取淮河流域類似的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在豐水期避免河水短時(shí)間內(nèi)的集中下泄，以免造成突發(fā)的環(huán)境污染事故，同時(shí)做好洪水預(yù)報(bào)工作，做到防洪排澇與環(huán)保互贏。

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Application of MIKE Model in the Water Environmental Impact

Assessment under Dam Regulation

YANG Dao-jun, HU Qi-yu, SHE Yan-ling

(Nanjing University Academy of Enviromental Planning&Design Co., Ltd., Nanjing 210093, China)

Abstract:Dam regulation facilities changing the natural flow regime of natural rivers.Those facilities imporve the utilization efficiency of water resources,and also the capacity of the flood regulation,but from the environmental perspective, those hinder the normal migration and diffusion of pollutants in water,and is harmful to the pollutant dilution degradation. Aiming at the upstream river of the discharge behavior. simple Lake mode or river model can not fit for The present situation in environmental impact prediction.It Should establish the model according to the actual hydrological conditions. In this paper, take a a sewage treatment plant of Jiangsu for example, Design of five kinds of different working conditions of the prediction scheme, and the application of Danish MIKE21 to establish the model to simulate, The results show that the ansatz sewage range and degree of influence in different conditions are different, But in general, impact is very small.

Key words:MIKE21 model; impact assessment; dam regulation

作者簡介：楊道軍(1982—)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，工程師，主要從事環(huán)境評價(jià)及水資源研究，E-mail： dyang@njuie.cn

收稿日期：2014-10-29

中圖分類號(hào)：X820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6444(2015)01-0086-06

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.022