俞云飛　趙文婧　李云霞　張　揚(yáng)

MIKE11水動力水質(zhì)耦合模型在北方某水源地治理工程的應(yīng)用

俞云飛趙文婧李云霞張揚(yáng)

針對近年來水源地周邊污染源威脅到供水安全的問題，采用MIKE11模型軟件建立水動力水質(zhì)耦合模型，以我國北方某水源地為例進(jìn)行了水質(zhì)趨勢變化模擬，并對治理方案實(shí)施后的效果進(jìn)行了預(yù)測，為論證實(shí)施的水源地綜合整治措施有效可行提供技術(shù)支撐。

水源地水動力水質(zhì)模型應(yīng)用

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展、國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市水源地周邊的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，給供水水質(zhì)安全帶來較大的潛在威脅，水源地綜合治理已經(jīng)迫在眉睫。治理方案的規(guī)模及效果論證是工程論證的必要條件，目前，運(yùn)用成熟的MIKE、QUAL和WASP綜合水質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件已成為研究該類問題的主要手段。本文采用MIKE11模型建立水動力水質(zhì)耦合模型并對水質(zhì)污染問題進(jìn)行預(yù)測，為論證實(shí)施的水源地綜合整治措施有效可行提供技術(shù)支撐。

1　研究區(qū)域概況

本次重點(diǎn)研究我國北方重要水源地潘家口、大黑汀水庫水源地 （以下簡稱 “潘、大水源地”），它是引灤工程的主體水源工程，擔(dān)負(fù)著天津、唐山兩市的城市生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，因此，保護(hù)好水庫的水質(zhì)，做好水污染防治工作，對津、唐兩地人民的生產(chǎn)和生活具有深遠(yuǎn)的影響。水庫位于河北省遷西縣的灤河干流上，水源地地跨河北省興隆、寬城、承德、遷西4縣，控制流域面積33 700 km2，占灤河流域總面積的75% ，總庫容為2 913億m3，多年平均庫容為24.5億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。水庫以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、灌溉及養(yǎng)殖。汛期主要集中在6～9月，汛期水量占全年總水量的70%～80%。

2　水動力及水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1模型原理

本次治理范圍涉及自烏龍磯至潘家口大壩之間河道和庫區(qū)、下池調(diào)蓄庫區(qū)、下池壩下至大黑汀大壩之間下池庫區(qū)，通過對庫區(qū)區(qū)間進(jìn)行分析和對潘、大水源地的水流特性分析的基礎(chǔ)上，采用一維非恒定流水流模型 （Saint-Venant方程組），首先對河段水流進(jìn)行模擬。描述河流一維非恒定流的基本控制方程如下：

水質(zhì)控制方程如下：

式中，t為時間；x為距離；Q為流量；h為水位；C為謝才系數(shù)；A為過流斷面面積；R為水力半徑；q為旁側(cè)單位長度入流流量；α為斷面不均勻系數(shù)；c為物質(zhì)組份的濃度；D為彌散 （擴(kuò)散）系數(shù)；v為水流速度；K為物質(zhì)組份的線性衰減系數(shù)；q為側(cè)向流量；C2為源匯項(xiàng)濃度。

2.2河道概化

依據(jù)本次治理工程范圍，按照相關(guān)河道概化基本原則，并根據(jù)河道所處位置及地形、地勢、河勢等具體情況對計(jì)算河道進(jìn)行概化，確定本次模型計(jì)算起始點(diǎn)為烏龍磯斷面，終點(diǎn)為大黑汀大壩。考慮到各支流的位置因素，本模型計(jì)算主要考慮支流為柳河、瀑河、灑河，作為旁側(cè)入流參與河道的水力、水質(zhì)計(jì)算，武烈河等支流已在烏龍磯以上河段匯入，不在計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)。

2.3模型邊界條件的確定

本次模擬時段選取全年時段，模型計(jì)算起點(diǎn)為烏龍磯斷面，該斷面的水文測量的流量數(shù)據(jù)作為模型上邊界，其輸入逐日流量邊界條件，其余支流作為點(diǎn)源入流考慮，即柳河、瀑河、灑河均作為點(diǎn)源匯入，監(jiān)測代表斷面分別為柳河石佛站、瀑河寬城站、灑河漢兒莊站。水質(zhì)邊界分別考慮點(diǎn)源分布、面源污染以及各支流的污染物貢獻(xiàn)。

2.4模型參數(shù)的選取

水質(zhì)模型的起止邊界與水動力學(xué)模型的起止邊界相同，本次計(jì)算預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)為總磷、氨氮。本次計(jì)算河段剖分單元為500 m，計(jì)算時間步長為30 s。水動力的主要參數(shù)選取如下，曼寧系數(shù)取值為0.033。

考慮到TP、NH3-N的降解系數(shù)與水流的速度、溫度、水深有密切關(guān)系，本次建模過程根據(jù)水深分別設(shè)置降解系數(shù)decay值， decay值設(shè)置情況詳見表1。

表1　降解系數(shù)decay值設(shè)置表

2.5模型率定及驗(yàn)證

河道植被、坡降、河床地質(zhì)、河道斷面形式及河道上的建筑物等都會對河道流態(tài)產(chǎn)生影響，因而河道的概化以及參數(shù)的選定會影響到計(jì)算成果。在本次水動力計(jì)算模型率定計(jì)算過程中，根據(jù)河道河床情況，河道的糙率取值范圍在0.033，驗(yàn)證特征點(diǎn)壩前斷面實(shí)測值。模型率定資料采用2012年全年逐日數(shù)據(jù)。由于實(shí)測的水質(zhì)序列數(shù)據(jù)較少，很難做到精確率定參數(shù)，通過率定結(jié)果分析看，TP、NH3-N模擬值與實(shí)測值總體上趨勢基本一致，庫區(qū)水位率定和驗(yàn)證結(jié)果見圖1。

圖1　庫區(qū)模擬水位與實(shí)測水位對比圖

3　治理工程實(shí)施效果預(yù)測

治理的工程措施主要包括入庫水質(zhì)凈化處理、河口環(huán)境綜合整治、庫區(qū)廢棄物處置工程、生態(tài)修復(fù)及小島生態(tài)重建工程等部分，非工程措施主要包括水質(zhì)監(jiān)測及應(yīng)急安全保障能力建設(shè)、水源地管理等。

對本次治理工程情景方案進(jìn)行模擬預(yù)測，并對重點(diǎn)斷面大黑汀庫區(qū)治理前后水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析，對照結(jié)果見圖2。

圖2　工程實(shí)施前后TP、NH3-N濃度對比圖

從對照結(jié)果可以看出，工程措施對庫區(qū)上游斷面水質(zhì)凈化效果明顯，該斷面水質(zhì)最大消解時刻值TP減少0.02 mg/L、NH3-N減少0.15 mg/L。

4　結(jié)語

（1）將MIKE11模型應(yīng)用于我國北方水庫水源地綜合治理工程中，通過詳實(shí)的水文資料和水質(zhì)實(shí)測資料進(jìn)行了參數(shù)率定與模型檢驗(yàn)。模型在率定期和驗(yàn)證期的模擬結(jié)果均良好，所確定的參數(shù)基本能反映水庫型水源地的水力特征和環(huán)境特點(diǎn)。

（2）應(yīng)用MIKE11模型對水源地水質(zhì)污染問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，入庫支流治理工程以及生態(tài)修復(fù)工程治理效果較為明顯，可使入庫污染負(fù)荷實(shí)現(xiàn)較大幅度削減，特別是對NH3-N等污染物的削減效果顯著，從而使水庫富營養(yǎng)化趨勢得到基本控制，使水源地水質(zhì)得到一定程度改善。

（3）由于監(jiān)測設(shè)施和管理的不完善，全時段水質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取難度較大，以及面源、點(diǎn)源污染物的估算不準(zhǔn)確，一些非法排污點(diǎn)未納入計(jì)算范圍，導(dǎo)致模擬值與實(shí)際值有一定偏差，建議在工程的下一步實(shí)施中通過補(bǔ)充斷面水質(zhì)監(jiān)測以及污染源數(shù)據(jù)來更新模型。

［1］伍遠(yuǎn)康，盧衛(wèi)，應(yīng)聰惠，等.數(shù)值模擬在配水改善河道水質(zhì)中的應(yīng)用 ［J］.水文， 2006，31（3）：56-59.

俞云飛男工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

趙文婧女工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

張揚(yáng)女工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

李云霞女工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

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