王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 遼寧 東港 118300)

1 概述

渾河流域位于遼寧省中部，是遼河的主要支流，河流全長415.40 km，流域面積為11 481.0 km2，該流域在海城古城子鎮(zhèn)附近的三岔河和太子河匯入大遼河，并經(jīng)過營口市流入渤海[1]。大伙房水庫是渾河干流上的大型骨干控制工程，流域面積為5 437.0 km2，總庫容為22.68億 m3，是大(I)型水利工程，水庫設(shè)計(jì)年供水量為9.70×108m3。渾河流域大中型水庫特性一覽表，見表1。

表1 渾河流域大中型水庫特性一覽表

渾河閘位于渾河干流上，建于1959年，其主要功能是農(nóng)田灌溉[2]，該閘有32孔，其中22孔為攔河閘，其余10孔為進(jìn)水閘，該閘為寬頂堰，洞高為8.20 m，寬度為10.0 m，閘門的地面高度為31.50 m，經(jīng)過消除危險(xiǎn)和加固措施后改成30.50 m，閘寬度為257.40 m，閘門為弧形鋼閘門，高度為4.0 m，寬度為10.0 m，單門重量為7.70 t，隔離柵是一臺(tái)固定門式提升機(jī)，具有一門一機(jī)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，提升力為2×50 kN，規(guī)模為大(2)型。該流域內(nèi)有大型灌區(qū)7個(gè)[3]，其各灌區(qū)基本情況調(diào)查見表2。

表2 渾河流域大型灌區(qū)情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

2 渾河流域水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 水質(zhì)模擬與參數(shù)率定

2.1.1 污染源概化

計(jì)算河流水質(zhì)時(shí)，水質(zhì)污染源的概化是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的課題[4-5]，涉及排放口的概化和污染物負(fù)荷的概化，根據(jù)調(diào)查和分析統(tǒng)計(jì)，渾河流域的大多數(shù)工業(yè)企業(yè)都位于撫順至沈陽市所在河段流域，工廠和企業(yè)通過管道或溝渠排放污水，沿河分布著數(shù)十個(gè)污水出口，大小排放口的組合可以概括為29個(gè)點(diǎn)源排放口。見圖1。

2.1.2 特征污染物確定

根據(jù)2009年至2018年渾太流域水質(zhì)監(jiān)測資料及分析結(jié)果，該流域水質(zhì)污染已相當(dāng)污染。尤其在沈陽下游污染更為嚴(yán)重，平均COD濃度為41.60 mg/L，枯季為58.80 mg/L，平均氨氮濃度為5.89 mg/L，枯季為15.70 mg/L，因而本文計(jì)算有機(jī)物的水環(huán)境容量是選擇COD和氨氮作為代表。

2.2 參數(shù)率定

參數(shù)率定主要為衰減系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，分別代表自凈化的幅度和稀釋，使用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測值對(duì)參數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)2015-2018年該流域的排污量和水質(zhì)水量同步監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，其完整性和可靠性較好，故被質(zhì)參數(shù)的率定年。

2.2.1 擴(kuò)散系數(shù)

其計(jì)算公式為：

D=a×ub

(1)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)；a為擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)；b為擴(kuò)散系數(shù)指數(shù)；u為流速，m/s。采用Fischer半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的值進(jìn)行分析率定[6-7]。

(2)

式中：u為流速，m/s；B為河寬，m；H為水深，m；I為坡降；u*為摩阻流速。

由式(2)可知影響擴(kuò)散系數(shù)的因素，坡降i、河寬B是恒定的，由于該流域不同季節(jié)的上游水量不同，因此流速和水深會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此，為了與實(shí)際情況更加接近，對(duì)于不同時(shí)間段的不同部分，擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)α應(yīng)分別率定，擴(kuò)散系數(shù)的極限值應(yīng)單獨(dú)設(shè)定，擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)值b始終等于2，恒定系數(shù)值a在上限和下限之間進(jìn)行率定， 同時(shí)，設(shè)置AD參數(shù)后，河流D的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在5.0至20.0之間。選擇2018年作為水動(dòng)力模型對(duì)其結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 2018年渾河擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算成果表

2.2.2 衰減系數(shù)

污染物降解系數(shù)[8]是分析和衡量和水體污染程度的主要指標(biāo)之一，它與河流的地質(zhì)、河寬、深度及邊界條件有關(guān)，其公式為：

k=86.4u(lnc1-lnc2)/x

(3)

式中：k為衰減系數(shù)，d-1；u河段平均流速，m/s；x為上下斷面之間的距離，km；c1和c2為河段上下游污染物濃度，mg/L。

在水庫中，水流幾乎是處于靜態(tài)的[9]，其衰減特性與河道的衰減特性有所不同，因此，有必要設(shè)置水庫的衰減系數(shù)，詳見見表4。

表4 渾河衰減系數(shù)k率定結(jié)果 d-1

2.3 模擬結(jié)果及合理性分析

以2018年的該流域的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，由于該數(shù)據(jù)是以月為單位，因此該模型以月為單位進(jìn)行輸出，并選擇撫順和黃臘坨兩個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站的資料對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬。其擬合情況見圖2～圖5。

圖2 撫順站氨氮模擬值與實(shí)測值對(duì)比

圖3 撫順站COD模擬值與實(shí)測值對(duì)比

圖4 黃臘坨站氨氮模擬值與實(shí)測值對(duì)比

圖5 黃臘坨站COD模擬值與實(shí)測值對(duì)比

由圖2～圖5可知，水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)值之間仍然存在差距，但是汛期的模擬精度較高，而非汛期的模擬精度較低，從模擬效果的總體趨勢(shì)看，枯季特征污染物的濃度相對(duì)較高，而洪水期特征污染物的濃度相對(duì)較低，這說明河道水質(zhì)呈季節(jié)性變化， 模擬結(jié)果可以代表污染物擴(kuò)散和衰減的過程。

3 現(xiàn)狀年渾河水量水質(zhì)模擬

3.1 現(xiàn)狀年的選取

根據(jù)1959-2018年大伙房水庫自然入流量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及利用皮爾遜III型曲線進(jìn)行的頻率分析，屬于正常的枯水年，因此確定2018年為枯水年。

3.2 水動(dòng)力模擬結(jié)果分析

建立水量水質(zhì)模型，并將模擬值與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對(duì)比分析，見表5。

表5 渾河各測站年徑流量對(duì)比表 億m3

由表5可知，撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站年徑流總量誤差分別為21.59%、4.06%、4.19%，模擬效果良好。2018年撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站的實(shí)測月均流量和模擬流量結(jié)果對(duì)比圖見圖6～圖8。

圖6 撫順站實(shí)測徑流與模擬值對(duì)比

圖7 黃臘坨站實(shí)測徑流與模擬值對(duì)比

圖8 邢家窩棚站實(shí)測徑流與模擬值對(duì)比

結(jié)果顯示：撫順站流量的模擬值與實(shí)測值有很大差異，但總體變化趨勢(shì)趨于相同，4月和5月的模擬結(jié)果明顯高于實(shí)測值，分析表明，渾河閘閘上游在5月為農(nóng)業(yè)供水，導(dǎo)致該河流徑流較小，由于數(shù)據(jù)限制，該模型不包括農(nóng)業(yè)取水口，因此具有模擬數(shù)值較高，黃臘坨、邢家窩棚站的模擬值與實(shí)際監(jiān)測值的總體趨勢(shì)是一致的。 由于閘壩模擬中計(jì)算的不穩(wěn)定性和其他因素，水動(dòng)力模型的計(jì)算結(jié)果存在偏差，可進(jìn)一步用于水質(zhì)模擬。

3.3 水質(zhì)模擬結(jié)果

圖9～圖10是2018年全年撫順站特征污染物濃度模擬結(jié)果，可以看出水質(zhì)整體模擬效果較理想。

圖9 撫順站氨氮模擬結(jié)果實(shí)測值對(duì)比

圖10 撫順站COD模擬結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比

圖11～圖12是在枯季(3月和10月)和雨季(6月)，污染物的濃度沿縱剖面變化，汛期渾河干流的污染物特征濃度明顯低于枯水期，可以看出，河流徑流是限制旱季水質(zhì)改善的重要因素[10-11]，撫順站和興家窩棚站的化學(xué)需氧量濃度高于沈陽站和邢家窩棚站的其他地區(qū)，這與大量污水出口的聚集有關(guān)。

圖11 渾河流域氨氮沿程濃度

圖12 渾河流域COD沿程濃度

4 結(jié)語

本文選取位于撫順市～沈陽市區(qū)段內(nèi)污染源分布較密集的渾河干流區(qū)段作為渾河研究對(duì)象，范圍為大伙房水庫壩下～邢家窩棚水文站，利用MIKE11(HD)和(AD)模塊構(gòu)建水動(dòng)力水質(zhì)模型，并根據(jù)長序列水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證，確保模擬精度；應(yīng)用MIKE11(SO)模塊進(jìn)行調(diào)度模擬，最大程度還原研究區(qū)段內(nèi)徑流、水質(zhì)及水利工程運(yùn)行特征，提供用于聯(lián)合調(diào)度的響應(yīng)工具