李璜，顏劍波，張德見，李翔

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南長沙 410014)

MIKE11在河流環(huán)境需水量估算中的應(yīng)用

李璜，顏劍波，張德見，李翔

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南長沙 410014)

在對7Q10法、90%保證率最枯月平均流量法、10年最枯月平均流量法、環(huán)境功能設(shè)定法、穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法和數(shù)學模型法等常用的環(huán)境需水量計算方法的內(nèi)涵、優(yōu)缺點及適用性進行比較的基礎(chǔ)上，推薦數(shù)學模型法作為資料條件較好河流環(huán)境需水量的計算方法。結(jié)合具體工程案例，采用MIKE11水質(zhì)模型對某水利工程下游河段的環(huán)境需水量進行了計算?？偨Y(jié)了采用數(shù)學模型法計算河流環(huán)境需水量的方法、步驟和注意事項，以期對于類似工程的環(huán)境需水量計算提供借鑒和參考。

MIKE11；水電工程；環(huán)境需水量計算；數(shù)值模型法

水電工程特別是一些調(diào)節(jié)性能較好的大中型水電工程，由于水庫運行對天然徑流的調(diào)節(jié)作用較大，工程下游河道在某些時段不可避免地存在一定程度的減水影響(與天然徑流相比)。此外，一些水利工程或取水設(shè)施的建設(shè)，由于會從河流中取走部分流量，也會導致工程下游存在一定的減水問題。在評價這類水電工程或取用水工程對下游水環(huán)境影響時，往往需要論證分析下游基本的生態(tài)環(huán)境用水需求(亦稱“生態(tài)流量”)。無論下游生態(tài)環(huán)境用水概念如何定義，從應(yīng)用的角度維持河流水環(huán)境質(zhì)量的最小稀疏凈化水量(以下簡稱環(huán)境需水量)是河道基本生態(tài)環(huán)境用水需求之一[1-2]。目前，針對河流水質(zhì)計算已有相關(guān)規(guī)范進行規(guī)定，但針對河流環(huán)境需水量計算的規(guī)范尚未出臺。盡管在一些文獻及政策性的技術(shù)指南里推薦了一些環(huán)境需水量計算方法，但是實際應(yīng)用中這些方法存在什么問題，是否有更實用的方法，目前國內(nèi)相關(guān)的探討研究還比較少。

1 常用方法的實用性分析

目前在一些文獻及政策性的技術(shù)指南里推薦的計算河流環(huán)境需水量的方法有：7Q10法、90%保證率最枯月平均流量法、10年最枯月平均流量法、環(huán)境功能設(shè)定法、穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法以及數(shù)學模型法等。這些方法可歸納為3類：水文統(tǒng)計法、環(huán)境水文學方法和水質(zhì)模型法。各種方法的簡介、優(yōu)點、缺點及適用范圍具體如表1所示。

表1 常用河流環(huán)境需水量計算方法特點一覽表

水文統(tǒng)計法在實際應(yīng)用中也經(jīng)常用來估算河流生態(tài)需水(即維持河流生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的最小流量)，用作河流環(huán)境需水量計算時，僅適用于一些污染負荷較小的河流，且該方法不能反映不同污染負荷條件下的稀疏凈化用水需求，因此一般情況不宜采用此類方法。

環(huán)境功能設(shè)定法和穩(wěn)定水質(zhì)模型法都以計算河段全河段滿足水環(huán)境功能目標為邊界條件，其中環(huán)境功能設(shè)定法雖然既考慮了河流的水文特性，又考慮了水體的稀釋凈化功能，但未考慮水體對污染物的降解凈化功能。此外，該方法通過分段計算再求和可能導致整條河流環(huán)境需水量偏大。圖1(a)是環(huán)境功能設(shè)定法的計算方法示意圖，假設(shè)工程下游某污染物初始濃度為C0，初始流量為Q0，在工程下游X1處有一污染源q0匯入，假設(shè)匯入斷面污染物立即混合，混合后污染物濃度剛好滿足水體環(huán)境功能目標限值，隨著污染物降解，在X2處污染物濃度又降至C0，此時又有同樣規(guī)模的污染源q0匯入，匯入后污染物濃度也剛好滿足水體環(huán)境功能目標限值，X2之后無污染源匯入，污染物濃度持續(xù)降低至某一穩(wěn)定值。如采用環(huán)境功能設(shè)定法，在X1、X2處將計算河流分成三段，則1段、2段、3段的環(huán)境需水量分別是0、Q0、Q0，各段計算結(jié)果求和之后是2Q0，實際上工程下泄Q0流量即可滿足下游環(huán)境需水量。

穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法實際上是從納污量計算公式反向推演得來，通過分段計算取最大值的方法可能導致計算結(jié)果偏小。圖1(b)是穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法計算方法示意圖，與圖1(a)的區(qū)別僅是X1處污染源匯入后，污染物尚未降至初始濃度C0，X2處污染源即已匯入，導致有一段河道水質(zhì)超標(CS+ΔC)。因此，如采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法，各段計算結(jié)果取最大值是Q0，實際上此種情況環(huán)境需水量應(yīng)是介于Q0和2Q0之間的一個流量。

圖1 環(huán)境功能設(shè)定法和穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型法計算方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of environmental function model and steady water quality model method

數(shù)值模型計算法根據(jù)環(huán)境水力學的原理，建立水量、污染物和水質(zhì)三者之間的響應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)值離散的方法建立工程下游計算河段的水質(zhì)數(shù)學模型。通過連續(xù)變換數(shù)值模型的邊界條件(下泄流量)，尋求滿足某個或多個控制斷面(關(guān)鍵斷面)水質(zhì)達標的流量，該流量即對應(yīng)某特定工程的環(huán)境需水量。本文以水環(huán)境模擬軟件MIKE 11的AD模塊為例，說明采用數(shù)值模型法計算河流環(huán)境需水量的方法，同時提出關(guān)于MIKE11模型應(yīng)用的相關(guān)建議。

2 MIKE11水質(zhì)模型的概況

MIKE11是由丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的一維水模擬軟件。MIKE11水動力模型(HD模塊)是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維Saint-Venant方程，模擬結(jié)果為河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息。

MIKE11對流擴散模型(AD模塊)根據(jù)HD模塊計算獲得的水動力條件，應(yīng)用對流擴散方程計算污染物濃度。可以通過設(shè)定一個恒定的衰減常數(shù)模擬非保守物質(zhì)，所以可作為簡單的水質(zhì)模型使用。MIKE 11的一維水動力基本方程、對流擴散方程及其數(shù)值解法等，詳情可參考文獻[7]。

3 環(huán)境需水量估算的案例

3.1工程總體概況

南方地區(qū)擬建的某水庫項目具有灌溉、供水及發(fā)電等綜合功能，水庫總庫容1.17億m3，壩址以上流域面積284 km2，壩址處多年平均流量11.59 m3/s。項目區(qū)水系圖如圖2所示。水庫壩址位于J河中游，J河與S河匯合后為Z河，J河與S河集雨面積相當。J河壩址以下先后匯入三條支流。項目區(qū)水系水文基本情況如表2所示。

3.2工程周邊環(huán)境

本項目位于山區(qū)，J河及S河流域范圍內(nèi)均無工礦企業(yè)分布，主要污染源為農(nóng)村生活污染源和農(nóng)業(yè)面源。水庫下游J河主要接收兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(A鎮(zhèn)、B鎮(zhèn))以及周邊鄉(xiāng)村居民生活污水，此外J河兩側(cè)分布有一定面積的農(nóng)田，主要種植水稻。農(nóng)田施用化肥以氮肥和磷肥為主。

表2 項目區(qū)水系水文基本情況

圖2 某水庫工程下游水系及污染源分布圖Fig.2 Downstream water system and pollution source distribution map of a reservoir project

根據(jù)當?shù)爻青l(xiāng)發(fā)展規(guī)劃及環(huán)保規(guī)劃，到規(guī)劃水平年，本水庫項目已建成，A鎮(zhèn)和B鎮(zhèn)的生活用水均取自本水庫。規(guī)劃建設(shè)3座污水處理廠，對A鎮(zhèn)、B鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村生活污水收集后集中處理，處理污水標準執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準。3座污水處理廠的服務(wù)范圍、處理規(guī)模及排放口位置及主要污染物排放標準如表3所示。工程下游J河兩岸農(nóng)業(yè)面源的估算結(jié)果如表4所示。根據(jù)當?shù)厮h(huán)境功能區(qū)劃，J河及各支流現(xiàn)狀水質(zhì)及水質(zhì)目標要求如表5所示。

表3 污水處理廠污染排放特征

注：因規(guī)劃的B鎮(zhèn)污水處理廠和河西污水處理廠排放口相距較近，表3中概化為同一位置。

表4 J河兩岸農(nóng)業(yè)面源的估算表

表5 J河及各支流現(xiàn)狀水質(zhì)及水質(zhì)目標

3.3計算范圍及控制斷面選取

工程位于農(nóng)村山區(qū)，水庫運行可能影響的水系流域范圍內(nèi)主要為農(nóng)村集鎮(zhèn)生活污染源和農(nóng)業(yè)面源，現(xiàn)狀水系均滿足水功能區(qū)劃標準。主要的污染物為有機污染，選取COD、NH3-N、TP作為計算污染物因子。

J河壩址下游無水質(zhì)敏感目標，根據(jù)J河壩址下游水系匯入情況，1#、2#、3#支流多年平均流量較小，S河和J河流量相當，因此選取計算范圍為J河壩址下游至S河匯合處，長度約12 km。根據(jù)水功能區(qū)劃，J河1#支流匯入口處為II類水體功能區(qū)的上邊界，可設(shè)置1個計算斷面。本案例中考慮到J河上游來水及1#支流來水水質(zhì)均滿足II類水質(zhì)要求，區(qū)間無污染物排放，II類水功能區(qū)的上邊界計算斷面可取消。綜合分析，僅選取J河流域出口為控制斷面，為避開流域出口假定水位邊界的影響，控制斷面選定為流域出口以上1 km處。

3.4邊界條件及主要參數(shù)確定

本工程計算邊界條件如表6所示。J河現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測在壩址處及J河流域出口分別布置了監(jiān)測斷面，具有連續(xù)3 d的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中壩址斷面觀測了流量，J河流域出口觀測了水位。本工程采用MIKE11 HD建立的水動力模型根據(jù)上游流量下游水位條件進行率定，主要參數(shù)糙率取0.04。采用MIKE11 AD建立的水質(zhì)模型主要參數(shù)采用現(xiàn)狀水質(zhì)進行率定，計算污染物COD、NH3-N、TP的降解系數(shù)分別取0.03 l/d、0.02 l/d、0.01 l/d，擴散參數(shù)取5 m2/s。

3.5計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，為滿足J河流域出口COD、NH3-N、TP等水質(zhì)因子達標，需下泄的流量分別為0.04 m3/s、0.1 m3/s、0.04 m3/s。綜合分析，本工程的環(huán)境需水量對生態(tài)基流的要求為0.1 m3/s。

4 MIKE11模型應(yīng)用的建議

本文采用DHI MIKE11 AD模塊的水質(zhì)模擬功能進行環(huán)境需水量計算，AD模塊水質(zhì)模擬基于對流擴散方程，模擬水體中溶解或懸浮物質(zhì)的輸運。不僅可以模擬保守物質(zhì)，而且可以通過設(shè)定恒定的衰減系數(shù)來模擬非保守物質(zhì)。由于MIKE11是一維模型，是基于污染物在橫斷面上均勻混合的假設(shè)條件，因此主要適合多年平均流量小于150 m3/s的中小型河流[5]。此外，對于一些峽谷型河道如我國西南地區(qū)河道，流量可能大于150 m3/s，但由于流速較大，污染物在橫斷面上很容易混合均勻，也可以采用一維模型計算。

MIKE11 AD模塊主要的兩個參數(shù)是擴散系數(shù)和衰減系數(shù)。擴散系數(shù)為混合擴散系數(shù)，包括分子擴散、紊動擴散、剪切離散等各種因素，可以利用保守物質(zhì)進行率定。一般的經(jīng)驗值對于小溪為1～5 m2/s，河流為5～20 m2/s。

表6 本工程計算邊界條件一覽表

MIKE11 AD模塊在對流擴散模塊中僅模擬一級降解過程，模型中的衰減系數(shù)為綜合降解系數(shù)，一般可以通過模擬區(qū)域內(nèi)不同監(jiān)測點的可降解物質(zhì)濃度進行率定。如果沒有實測數(shù)據(jù)做率定，可以參考相關(guān)文獻中類似區(qū)域的污染物降解速率或通過實驗得到。在類比其他河流污染因子衰減系數(shù)時，應(yīng)主要類比河流在水溫、流速、水質(zhì)等方面的相似性，一般情況下水溫越高、流速越大、水質(zhì)越好，污染物衰減系數(shù)也越大。

5 小結(jié)

MIKE11水質(zhì)模型是目前應(yīng)用較多的水環(huán)境模型之一。本文結(jié)合具體工程案例，分析采用MIKE11計算某水庫下游環(huán)境需水量的方法、步驟及注意事項。MIKE11本身并不復雜，但針對具體工程如何進行邊界條件概化、模型參數(shù)如何獲取等，則需要一定的工程經(jīng)驗。本文對于采用一維數(shù)值模型法開展河流環(huán)境需水量計算的工程實踐具有指導意義和參考價值。

[1] 倪晉仁, 崔樹彬, 李天宏, 等. 論河流生態(tài)環(huán)境需水[J]. 水利學報, 2002, 9(9): 14- 26.

[2] 王西琴, 劉昌明, 楊志峰. 河道最小環(huán)境需水量確定方法及其應(yīng)用研究(Ⅰ)——理論[J]. 環(huán)境科學學報, 2001, 21(5): 544- 547.

[3] 國家環(huán)境保護總局環(huán)境工程評估中心. 水電水利建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南[A]. 2006.

[4] 城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部. 制訂地方水污染物排放標準的技術(shù)原則與方法：GB 3839—1983[S]. 北京: 中國標準出版社, 1983.

[5] 水利部. 水域納污能力計算規(guī)程：GB 25173—2010[S]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

[6] 崔起, 于穎. 河道生態(tài)需水量計算方法綜述[J]. 東北水利水電, 2008, 26(282): 44- 47.

[7] Danish Hydraulic Institute. MIKE11:a modeling system for rivers and channels, reference manual[R]. Copenhagen: DHI, 2007.

TheApplicationofMIKE11intheCalculationofRiverEnvironmentalWaterDemand

LI Huang, YAN Jian-bo, ZHANG De-jian, LI Xiang

(Powerchina ZhongNan Engineering Co., Ltd., Changsha 410014, China)

Based on the comparison of meaning, pros and cons, as well as applicability between several common calculation methods for river environmental water demand such as 7Q10 method, 90% minimum monthly average flow rate guaranteed method, 10-year minimum monthly average flow method, environmental function model, steady water quality model, and mathematical model method, finally the mathematical model method was recommended in this paper. Combined with a specific engineering project, MIKE11 water quality model was used to calculate the river environmental water demand of the lower reaches of a water conservancy project. This paper summarized the methods, steps and precautions of calculating the river environmental water demand by mathematical model method. The results of this paper provided a reference and had significance in the calculation of environmental water demand in other similar projects.

MIKE11; hydropower project; calculation of environmental water demand; mathematical model method

2017-08-17

李璜(1981—)，男，湖南郴州人，工程師，碩士，主要研究方向為水利水電工程環(huán)境保護，E-mail：5166357@qq.com

顏劍波(1984—)，男，湖南邵陽人，高級工程師，碩士，主要研究方向為水電水利工程環(huán)境保護，E-mail：691112653@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.004

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0014-05