李業(yè)輝，駱志偉

（1.沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中國建筑第八工程局華南分公司，廣東 廣州 510730 ）

MIKE11由丹麥水利研究院（DHI）開發(fā)，所針對的河流、河口、灌渠等一維動態(tài)水質(zhì)水量模型是世界各國河流模擬的主要標準工具[1]。平原地區(qū)的水文、水動力和水質(zhì)特性復雜，國內(nèi)外大多采用數(shù)學模型方法對平原河網(wǎng)水文水質(zhì)進行模擬研究。如Doulgeris 等[2]應用MIKE11對Kerkini建模并提出水資源管理方案；馬天海等[3]應用MIKE建立了水動力水質(zhì)MIKE11耦合模型，較好地模擬了陽澄湖的河網(wǎng)水位水質(zhì)情況；趙凱等[4]利用MIKE11建立了復州河流域水質(zhì)水量耦合模型，并提出了綜合改善方案。鑒于近年來南北運河水系的水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，河流水系作為城市內(nèi)河河道干枯現(xiàn)象嚴重，河道淤泥堆積嚴重，水體混濁，水面有垃圾、水藻等漂浮物，水體富營養(yǎng)化嚴重，水生態(tài)系統(tǒng)急需得到改善[5]。對此，采用MIKE11軟件構建了沈陽市南北運河一維水質(zhì)水量調(diào)控耦合模型，同時采用實測資料對模型參數(shù)進行率定和驗證，研究了一系列南北運河水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控方案，并獲得了有效結(jié)論。

1 南北運河水質(zhì)水量耦合模型建立

選用MIKE11軟件構建沈陽市南北運河水質(zhì)水量耦合模型，模型包括水動力模塊、降雨徑流模塊和對流擴散模塊。模型以南北運河流域為計算單元，以流域降雨和上游閘壩放水量作為輸入，通過一維水動力計算和對流擴散計算耦合模擬研究區(qū)域各斷面流量、水位和水質(zhì)等情況，實現(xiàn)整流域放水、支流匯流、流域降雨匯流到河道等情況的全過程模擬[6]。通過對模型中點源匯入和上游放水量情況的研究，制定了四種調(diào)控措施進行調(diào)控模擬，進而分析各方案對斷面水質(zhì)達標情況的影響，確定最終有效性方案。

1.1 模型原理

水動力模擬選用MIKE11一維河道水動力模塊（HD），水質(zhì)模擬選用對流擴散模塊（AD），降雨匯流模擬選用RAM模塊。一維水動力計算是采用Abbott-Ionescu六點有限差分格式對一維河流非恒定流計算過程（圣維南方程組）進行求解[7]，按照順序交替計算方法在每一個計算點不同時間計算水位值和流量值。水動力計算公式見式（1）和式（2）：

式中：Q表示為斷面的過流流量；A表示為過水斷面的面積；x表示為沿水流方向的距離；t表示為水流流動的時間；q表示為河道單位長度的旁側(cè)入流流量；z表示為斷面的平均水位；n表示為曼寧系數(shù)；R表示為水力半徑；vx表示為旁側(cè)入流的流速在主流上的分量；Sf表示為摩阻坡降。

對流擴計算是根據(jù)對流擴散方程求解考慮污染物進入水體后的推流遷移、分散和轉(zhuǎn)化衰減過程。對水體中的有機污染物、泥沙、溶解氧、鹽分、無機物等溶解或者懸浮物進行時空分布情況的模擬[8]。降雨徑流模塊采用將產(chǎn)生的徑流作為旁側(cè)入流進入到MIKE11水動力模型的河網(wǎng)中，與HD模塊耦合計算[9]。

MIKE11水質(zhì)模擬部分采用MIKE11對流擴散模塊-AD模塊，該模塊以水動力模塊（HD）模塊為基礎，根據(jù)對流擴散方程求解考慮污染物進入水體后的推流遷移、分散和轉(zhuǎn)化衰減過程。對水體中的有機污染物、泥沙、溶解氧、鹽分、無機物等溶解或者懸浮物進行時空分布情況的模擬。在建立模型的過程中，需對邊界條件中上下邊界、點源排污口水質(zhì)條件進行添加，同時進行水質(zhì)參數(shù)、初始條件、縱向擴散系數(shù)和衰減系數(shù)的設置。目前在實際的研究過程中，很大部分物理規(guī)律變化模型的研究都可應用對流擴散方程組進行求解。

1.2控制方程：

式中：c表示污染物濃度（mg/L）；u表示為水流速度（m/s）；Ex表示離散系數(shù)；Kc表示綜合衰減系數(shù)；S表示源匯項（如支流、排污口）。

1.3 參數(shù)率定及驗證

模型參數(shù)的合理性直接決定模型計算的準確性，采用2017年1月1日～2017年12月31日分叉口和青年公園的流量和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)對水動力模型進行率定，采用上述率定兩個點位2016年1月～2016年12月的實測流量和水位值進行驗證，率定結(jié)果見表1、表2；采用2017年1月～2017年12月的南北運河水質(zhì)實測月數(shù)據(jù)對構建模型參數(shù)進行率定，2016年1月～2017年12月的南北運河水質(zhì)實測數(shù)據(jù)對構建模型進行驗證，率定結(jié)果見表3、表 4。

表1 斷面流量率定和驗證

表2 斷面水位率定和驗證

表3 斷面水質(zhì)率定

表4 斷面水質(zhì)驗證

水位平均絕對誤差小于10 cm，流量平均相對誤差小于5%，斷面COD、NH3-N濃度平均相對誤差均在10%以下，率定結(jié)果滿足《水文情報預報規(guī)范（GB/T22482-2008）》中對斷面流量、水位及污染物濃度的模擬要求，滿足構建模型的合理性。

2 水質(zhì)水量調(diào)控方案模擬

2.1 污染情況分析

根據(jù)沈陽市城鄉(xiāng)建設委員會發(fā)布的黑臭水體分布圖，南北運河均屬于黑臭水體從河道上水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)以及月度水質(zhì)調(diào)查情況看，北運河上游整體水質(zhì)情況較好，下游由于點源污染、降雨徑流和生態(tài)補水不足等原因水質(zhì)污染情況較為嚴重，COD為15.8～50.5 mg/L、NH3-N為0.4～3.5 mg/L。南運河受點源集中排污、降雨徑流和生態(tài)缺水等影響，整體河段污染較為嚴重，COD為14.8～66.9 mg/L、NH3-N為0.5～4.1 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002），沈陽市南北運河整體水質(zhì)情況部分時間段超標嚴重，為劣V類水。按照《沈陽市水環(huán)境功能區(qū)劃》，南北運河以農(nóng)灌、景觀功能定位，需執(zhí)行地表水Ⅳ類水體標準。

2.2 調(diào)控模擬方案設計

（1）截污調(diào)控方案。所謂治標治本，截污調(diào)控是禁止一些未達標廢水污水直接排入河內(nèi)，從源頭上得到有效的控制，勢必會大大改善河流污染嚴重的現(xiàn)象。沈陽市南北運河為城市內(nèi)河，河道兩側(cè)分布污染排污口眾多，所以截污排污口是十分重要的，我們要以既治標又治本的出發(fā)點對沈陽市南北運河進行水污染的治理工作?，F(xiàn)將南北運河沿線排污口全部做排污口截污處理，其他條件保持不變，進行截污調(diào)控模擬并進行預測。

（2）支流河達標調(diào)控。研究區(qū)域內(nèi)存在支流河穿越城區(qū)匯入沈陽市南北運河的情況，支流河穿越城區(qū)變成污水溝，水環(huán)境遭受破壞十分嚴重，此情況下的支流河匯入沈陽市南北運河對河道干流水質(zhì)情況沖擊嚴重，因此改善支流河水質(zhì)情況也是十分必要的。

（3）生態(tài)補水調(diào)控。上游鳥島閘門放水水質(zhì)較好，適當加大上游放水量可起到對河道污染物的稀釋作用，有效降低了污染物的濃度，起到南北運河水質(zhì)改善的目的。

本文將以上述的水量調(diào)控策略作為出發(fā)點，以現(xiàn)有的水質(zhì)水量調(diào)控方式為調(diào)控背景，制定一系列不同的水質(zhì)水量調(diào)控方案，其具體內(nèi)容如下：

（1）現(xiàn)狀基礎上的水量調(diào)控方案：維持干流和支流的排污現(xiàn)狀，僅以增大水庫下泄流量來實現(xiàn)下游河道水質(zhì)達標。

（2）截污基礎上的水量調(diào)控方案：維持支流的排污現(xiàn)狀，將南北運河干流排污口進行截流，結(jié)合水庫下泄流量來實現(xiàn)下游河道的水質(zhì)達標。

（3）支流達標基礎上的水量調(diào)控方案：維持干流的排污現(xiàn)狀，將支流河水質(zhì)治理至地表水IV類水標準，結(jié)合上游閘壩下泄流量來實現(xiàn)下游河道的水質(zhì)達標。

（4）截污和支流河達標基礎上的水量調(diào)控方案：通過單一調(diào)控方案并不能完全達到污染負荷削減目標，現(xiàn)針對南北運河制定多調(diào)控措施聯(lián)合調(diào)控方案，將干流排污口進行截留，并將支流河水質(zhì)治理至地表水IV類水標準，結(jié)合上游閘壩下泄量來實現(xiàn)南北運河下游河道的水質(zhì)達標。

2.2.1 現(xiàn)狀基礎上水量調(diào)控方案

通過利用上游閘壩進行合理調(diào)度調(diào)控，將上游較好水源引入水質(zhì)較差河流，加快水體進行快速置換和自凈能力，使原有水體水環(huán)境情況得到改善，是一種投資少、見效快且方便高效的河流生態(tài)修復技術。南北運河地區(qū)地勢較為平緩，河流由東向西流速較慢，沿河道放水閘門放水流量較小，導致水體的自凈能力下降。

現(xiàn)結(jié)合污染較為嚴重時間段和現(xiàn)行閘壩放水情況，根據(jù)閘門下泄流量限制最大值以及補水后水位高程等限制因素原則，制定加大北運河上游東塔進水閘和南運河上游東塔閘門放水量的模擬情景，具體模擬情景如下：

情景一：南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增加至5m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至15m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至10m3/s；東塔閘門三月日平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至9m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至4m3/s。

情景二：南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增至6m3/s，豐水期六至九月日平均下泄流量增加至17m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至12m3/s,；東塔閘門三月平均下泄流量增加至6m3/s，豐水期六至九月日平均下泄流量增加至10m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至5m3/s。

情景三：在現(xiàn)補水方案基礎上，南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水每日下泄流量增加2m3/s，東塔閘門每日下泄流量增加1m3/s。

2.2.2 截污基礎上水量調(diào)控方案

截污調(diào)控目前是公認的高效水環(huán)境治理的處理措施，所謂“治污先截污”，做到污水全收集、全處理，從源頭上控制污染物排放直接進入河流，從而有效地改善河流河道的水質(zhì)情況。通過對沈陽市南北運河上、中、下游五個斷面的污染模擬分析，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化的主要原因是點源污染，通過點源排放的高濃度COD和氨氮直接導致南北運河水生態(tài)環(huán)境變差。南北運河截污工程目前已開始進行，2018年沈陽加強對12條城區(qū)河流進行綜合治理，通過清淤、截污、污染源治理、環(huán)境整治四大工程，全面提升河流水質(zhì)，周邊生態(tài)環(huán)境得以恢復。

采取對南北運河兩岸沿線排污口進行截流以后，再制定南北運河上游閘壩水量調(diào)控方案，使干流斷面水質(zhì)達標。本文制定了以下方案：

南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至12m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m3/s；東塔閘門三月日平均下泄流量增加至3m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至5m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m3/s。

2.2.3 支流河達標基礎上水量調(diào)控方案

研究區(qū)域內(nèi)滿堂河支流河穿越城區(qū)匯入沈陽市南北運河，該支流河水環(huán)境遭受破壞十分嚴重，此情況下的支流河匯入沈陽市南北運河對河道干流水質(zhì)情況沖擊嚴重，因此改善支流河水質(zhì)情況也是十分必要的。采取對排污口進行截流以后，再制定大伙房水庫水質(zhì)水量調(diào)控方案，使干流斷面水質(zhì)達標。本文制定了以下方案：

南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增至6m3/s，豐水期六至九月日平均下泄流量增加至16m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至10m3/s,；東塔閘門三月平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期六至九月日平均下泄流量增加至8m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至4m3/s。

2.2.4 截污和支流河達標基礎上水量調(diào)控方案

采取對南北運河兩岸沿線排污口進行截流以后，再制定南北運河上游閘壩水量調(diào)控方案，使干流斷面水質(zhì)達標。本文制定了以下方案：南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m3/s；東塔閘門三月日平均下泄流量增加至3m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m3/s。

2.3 調(diào)控模擬方案比較

將各方案調(diào)控措施輸入到所建立的模型中，計算得到各方案下的各斷面水質(zhì)水量情況結(jié)果，以丁香湖后斷面為例，結(jié)果見表5和表6。

表5 各調(diào)控方案下丁香湖后斷面各方案調(diào)控下COD變化情況

表6 各調(diào)控方案下丁香湖后斷面各方案調(diào)控下NH3-N變化情況

由表5和表6可知，通過方案一進行調(diào)控，丁香湖后斷面存在部分時間段不能達到地表水IV類水標準，但較未調(diào)控時水質(zhì)得到了較好的改善；通過方案二進行調(diào)控，水質(zhì)改善浮動較小，整體水質(zhì)改善情況不如截污調(diào)控的效果；通過方案三進行調(diào)控，仍存在部分時間段水質(zhì)情況不達標，整體水質(zhì)改善效果不如截污調(diào)控的效果；通過方案四進行調(diào)控，北運河出水水質(zhì)幾乎可以達到地表水IV類水標準，南運河出水水質(zhì)六、七月份存在某些時刻不能達到地表水Ⅳ類水要求，整體改善效果明顯有效，斷面水質(zhì)達標率大幅提升。綜合比較方案四綜合調(diào)控方案調(diào)控效果最佳，COD對比濃度下降34.69%，NH3-N對比濃度下降45.63%。

目前沈陽市南北運河水質(zhì)情況較差，通過在現(xiàn)狀基礎上進行補水調(diào)控方案，丁香湖后斷面和龍王廟閘門前斷面在部分月份均存在部分時間段不能達到地表水IV水標準，但較未調(diào)控時水質(zhì)得到了較好的改善；通過截污基礎上水量調(diào)控方案，水質(zhì)改善浮動較大，整體水質(zhì)改善情況較現(xiàn)狀基礎上水量調(diào)控方案大幅提升；通過支流河基礎上水量調(diào)控方案，整體水質(zhì)改善效果不如截污基礎上水量調(diào)控方案的效果；通過截污和支流河達標基礎上的水量調(diào)控方案，南北運河出水水質(zhì)可以達到地表水IV類水標準，整體改善效果明顯有效，斷面水質(zhì)達標率大幅提升。

在通過對比四種水質(zhì)調(diào)控方案改善效果之后，在調(diào)控目標結(jié)果一致的情況下，選取水質(zhì)改善程度最大的方案，確定最優(yōu)的水質(zhì)水量調(diào)控方案如下：對南北運河兩岸沿線排污口進行截流以后，在支流河水質(zhì)達標的情況下，對南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m3/s；東塔閘門三月日平均下泄流量增加至3m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m3/s。

3 結(jié)論

（1）采用南北運河分叉口后斷面和青年公園后斷面從2017年1月～2017年12月的監(jiān)測流量、水位值對水動力模型進行率定。結(jié)果表明：南北運河分叉口后斷面平均流量的實測值與模擬值的相對誤差均值為4.03%，青年公園后斷面平均流量的相對誤差均值為4.07%；南北運河分叉口后斷面平均水位的實測值與模擬值的絕對誤差均值為0.068m，青年公園后斷面平均水位的絕對誤差均值為0.087m。率定結(jié)果符合模型對模擬的精度要求。

（2）采用南北運河分叉口斷面、北陵公園斷面、丁香湖斷面、青年公園斷面、龍王廟閘門前斷面五個斷面采用2017年1月到2017年12月的南北運河的逐月斷面COD、NH3-N濃度對構建模型參數(shù)進行率定，采用2016年1月到2016年12月的逐月斷面COD、NH3-N濃度對水質(zhì)模型進行驗證。并對模型的模擬值與真實值進行了精度的評價，結(jié)果表明：南北運河分叉口斷面、北陵公園斷面、丁香湖斷面、青年公園斷面、龍王廟閘門前斷面這五個斷面的COD模擬值和實測值的相對誤差均值分別為4.78%、3.67%、4.98%、3.28%、4.22%；斷面的NH3-N實測值與模擬值的相對誤差均值分別為4.15%、4.88%、5.26%、5.02%、4.60%。率定結(jié)果符合模型對模擬的精度要求。

（3）分別制定了現(xiàn)狀基礎上的水量調(diào)控方案、截污基礎上的水量調(diào)控方案、支流河達標基礎上水量調(diào)控方案、截污和支流河達標基礎上的水量調(diào)控方案這四種調(diào)控方案，在通過對比四種水量調(diào)控方案改善效果之后，在調(diào)控目標結(jié)果一致的情況下，選取水質(zhì)改善程度最大的方案，確定最優(yōu)的水質(zhì)水量調(diào)控方案如下：對南北運河兩岸沿線排污口進行截流以后，在支流河水質(zhì)達標的情況下，對南北運河上游東陵進水閘補地表水III類水，三月日平均下泄流量增加至4m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m3/s；東塔閘門三月日平均下泄流量增加至3m3/s，豐水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m3/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m3/s。