胡亞偉 常東明 高子樂 賈倩 鄭銀林

關(guān)鍵詞：ＭＩＫＥ１１；水系連通工程；水環(huán)境質(zhì)量；水環(huán)境容量；趙口引黃灌區(qū)；黃河下游

水系連通是提高河網(wǎng)水系生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要方式之一。通過新建、改建江河湖庫(kù)水系連接通道，優(yōu)化水資源配置格局，可增強(qiáng)水系自凈能力，促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展［１－３］。目前，ＭＩＫＥ１１、ＷＡＳＰ、ＥＦＤ等水環(huán)境模擬軟件已成為研究水環(huán)境問題的重要工具［４］，其中ＭＩＫＥ１１軟件可用于河流、灌溉渠道等河（渠）網(wǎng)的一維動(dòng)態(tài)水動(dòng)力、水質(zhì)模擬，進(jìn)行河渠灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)度、水質(zhì)預(yù)警等，具有計(jì)算穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，在水域水系連通研究中運(yùn)用廣泛［５－６］。如：高強(qiáng)［７］采用ＭＩＫＥ１１軟件建立水動(dòng)力模型，提出優(yōu)化河涌水系連通補(bǔ)水調(diào)度方案；周震［８］采用ＭＩＫＥ１１軟件從微觀尺度分析了巢湖流域不同水系連通狀況對(duì)河流水質(zhì)的影響；盧衛(wèi)等［９］采用ＭＩＫＥ１１軟件的水質(zhì)模塊評(píng)估分析了各種水系連通規(guī)劃及水源調(diào)蓄工程的水污染情況；潘劍光等［１０］利用ＭＩＫＥ１１軟件模擬了北方平原區(qū)城市水系的最優(yōu)水動(dòng)力情景，并據(jù)此得出實(shí)現(xiàn)水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)的污染負(fù)荷削減方案。但目前針對(duì)灌區(qū)復(fù)雜渠系的ＭＩＫＥ１１模型模擬研究較為缺乏。

為分析水系連通條件下灌區(qū)水環(huán)境變化效應(yīng)，以黃河下游趙口引黃灌區(qū)二期工程為例，基于ＭＩＫＥ１１軟件構(gòu)建灌區(qū)水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型，對(duì)閘控一維復(fù)雜河網(wǎng)的水動(dòng)力、水質(zhì)進(jìn)行模擬，評(píng)估水系連通工程對(duì)灌區(qū)退水受納水體水環(huán)境變化的影響，以期為趙口引黃灌區(qū)水資源利用、水生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

１研究區(qū)概況

趙口引黃灌區(qū)位于黃河下游，高程４０～８０ｍ?，F(xiàn)有骨干渠道１６條，支渠２４條，排水河溝道６２條。為滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，提升灌區(qū)用水效益，趙口引黃灌區(qū)二期工程對(duì)灌排工程和配套工程進(jìn)行了新建、改建等。對(duì)１４條骨干渠道進(jìn)行初襯改建，對(duì)東一干渠和陳留分干渠進(jìn)行擴(kuò)建，新建總干渠—運(yùn)糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟(jì)河輸水通道。灌區(qū)內(nèi)河流均屬于淮河流域渦河水系。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積為１４７７．４ｋｍ２。自趙口引黃灌區(qū)渠首閘引黃河水，退水受納水體主要為渦河和惠濟(jì)河。渦河為淮河第二大支流，利用段總長(zhǎng)１２４．７ｋｍ，輸水利用段為運(yùn)糧河溝口至玄武攔河閘。惠濟(jì)河為渦河第一大支流，利用段總長(zhǎng)２４．１６２ｋｍ，利用段有羅寨攔河閘和李崗攔河閘。工程完工后，會(huì)減小灌區(qū)輸水損失，提高灌溉水利用系數(shù)，提升豫東平原渠道和河溝水系的連通性，改善區(qū)域生產(chǎn)生活條件，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

２灌區(qū)水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型構(gòu)建

趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)內(nèi)河道、溝道、渠道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度和深度，在灌區(qū)水體橫向和垂向上各類污染物易混合均勻，符合一維穩(wěn)態(tài)模型的構(gòu)建、模擬條件。采用ＭＩＫＥ１１水動(dòng)力模塊（Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ，ＨＤ）和對(duì)流擴(kuò)散模塊（Ａｄｖｅｃｔｉｏｎ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＡＤ）構(gòu)建趙口引黃灌區(qū)水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型。

２．１水動(dòng)力模塊

水動(dòng)力模塊（ＨＤ）基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維明渠非恒定流方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)［１１－１２］。

連續(xù)方程為

式中：Ｂｓ為河寬，Ａ為斷面過流面積，ｔ為水體運(yùn)移時(shí)間，Ｑ為斷面流量，ｘ為按照水體流動(dòng)走向的直線里程，ｑ為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流水體流量，α為垂向速度分布系數(shù)，ｇ為重力加速度，ｈ為斷面水位，Ｃ為謝才系數(shù)，Ｒ為水力半徑。

采用Ａｂｂｏｔｔ－Ｉｏｎｅｓｃｕ六點(diǎn)隱式差分格式求解方程組，在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)中按順序交替計(jì)算水位和流量［１３］，可取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算以節(jié)省時(shí)間。

２．２對(duì)流擴(kuò)散模塊

對(duì)流擴(kuò)散模塊（ＡＤ）可模擬水體中可溶性和懸浮性物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散過程。對(duì)流擴(kuò)散方程如下：

式中：Ｃ１為受納水體污染物濃度，Ｃ２為旁側(cè)入流水體污染物濃度，Ｄ為污染物擴(kuò)散系數(shù)，Ｋ為污染物衰減系數(shù)。

污染物擴(kuò)散系數(shù)為綜合參數(shù)項(xiàng)，表示污染物沿水流方向的擴(kuò)散速率，公式為式中：Ｖ為水流速度，ａ、ｂ為模型中用戶設(shè)定的參數(shù)。

２．３模型構(gòu)建

２．３．１河網(wǎng)概化文件設(shè)置

河網(wǎng)概化原則為可基本反映河網(wǎng)水系的水力特性，使河網(wǎng)輸水、調(diào)蓄能力與實(shí)際相近或基本一致。根據(jù)地形、水力條件，運(yùn)用ＡｒｃＧＩＳ概化趙口引黃灌區(qū)二期工程范圍內(nèi)的河、溝、渠，選擇１６條骨干渠道和１７條河溝道導(dǎo)入ＭＩＫＥ１１形成連通的河網(wǎng)概化文件（．ｍｗｋ）。１６條骨干渠道分別為總干渠、東一干渠、東二干渠、陳留分干渠、朱仙鎮(zhèn)分干渠、石崗分干渠、躍進(jìn)干渠、幸福干渠、幸福西分干渠、幸福東分干渠、杞縣東風(fēng)干渠、東風(fēng)二干渠、幸福渠、團(tuán)結(jié)干渠、東風(fēng)（太康）干渠、宋莊干渠，１７條河溝道為渦河、惠濟(jì)河、孫城河、運(yùn)糧河、香冉溝、小溫河、小蔣河、小清河、渦河故道、小白河、鐵底河、大堰溝、湯莊溝、清水河、上惠賈渠、下惠賈渠、姜清溝。

２．３．２斷面及邊界設(shè)置

為提高模型模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)灌區(qū)地形在３３條河、溝、渠設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，在重要節(jié)點(diǎn)（水體交匯處）增加監(jiān)測(cè)斷面。

ＭＩＫＥ１１模型外部邊界包括水動(dòng)力模塊的水文動(dòng)力學(xué)邊界和對(duì)流擴(kuò)散模塊的水質(zhì)邊界。水文動(dòng)力學(xué)邊界的時(shí)間序列數(shù)據(jù)來自河、溝、渠的實(shí)測(cè)和設(shè)計(jì)資料（流量、水位），上游邊界為流量邊界，下游邊界為水位邊界。水質(zhì)邊界的時(shí)間序列數(shù)據(jù)來自實(shí)測(cè)水質(zhì)資料，水質(zhì)指標(biāo)包括總氮（ＴＮ）、總磷（ＴＰ）、氨氮（ＮＨ＋４－Ｎ）和硝氮（ＮＯ－３－Ｎ）。模擬的３３條河、溝、渠共包含７個(gè)邊界，其中有５個(gè)上邊界、２個(gè)下邊界。上邊界分布于總干渠、惠濟(jì)河、渦河、大堰溝、清水河，下邊界位于渦河和宋莊干渠。

２．３．３初始條件及參數(shù)設(shè)置

為使模型平穩(wěn)啟動(dòng)，初始條件設(shè)置應(yīng)盡可能與模擬開始時(shí)刻實(shí)際河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)條件一致，因此設(shè)定初始水位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。水動(dòng)力模塊中糙率ｎ可以衡量河床邊壁粗糙程度，其取值直接影響水動(dòng)力模型的計(jì)算精確度。根據(jù)已有研究成果，河網(wǎng)糙率取值為０．０２５～０．０３０，混凝土襯砌渠道糙率為０．０１１～０．０１９［１４－１５］。模型初步搭建的河道和渠道糙率設(shè)置在上述范圍內(nèi)選擇。對(duì)流擴(kuò)散模塊參數(shù)主要包括縱向擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)，國(guó)內(nèi)河流的縱向擴(kuò)散系數(shù)取值為５～２０ｍ２／ｓ［１６］。模型初步搭建時(shí)水質(zhì)組分（ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ）的縱向擴(kuò)散系數(shù)均在上述范圍內(nèi)設(shè)定，衰減系數(shù)初步設(shè)置為０．００２／ｈ。

２．３．４模型率定及誤差分析

利用實(shí)測(cè)的水文、水質(zhì)等數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，通過不斷調(diào)整各河、溝、渠的參數(shù)值，使模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確。

對(duì)渦河和惠濟(jì)河的河道糙率進(jìn)行率定，最終確定糙率值見表１。除渦河、惠濟(jì)河外，其他１５條河溝道的糙率率定為０．０２５；１６條干渠、分干渠糙率率定為０．０１６。

為評(píng)價(jià)模型率定結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)率定期（５月１—３１日）渦河下游魏灣閘附近斷面和惠濟(jì)河下游李崗閘附近斷面流量的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，采用效率系數(shù)與相關(guān)系數(shù)分析模型在灌區(qū)的適用性。渦河糙率的相關(guān)系數(shù)為０．８６５５、效率系數(shù)為０．８０８５，惠濟(jì)河糙率的相關(guān)系數(shù)為０．８１９４、效率系數(shù)為０．７９２１，滿足效率系數(shù)≥０．５且相關(guān)系數(shù)≥０．７的基本要求，表明率定后的糙率可較好地模擬實(shí)際水動(dòng)力過程。

為達(dá)到更好的模擬效果，對(duì)渦河和惠濟(jì)河的縱向擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)進(jìn)行率定。渦河縱向擴(kuò)散系數(shù)率定為９ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數(shù)分別率定為０．００２９０、０．０００６０、０．００４１０、０．００１３０／ｈ?；轁?jì)河縱向擴(kuò)散系數(shù)率定為８ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數(shù)分別率定為０．００２５０、０．０００５０、０．００３８０、０．０００８３／ｈ。其余河、溝、渠的縱向擴(kuò)散系數(shù)率定為８．５ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰減系數(shù)分別率定為０．００２７０、０．０００５５、０．００３９５、０．００１１０／ｈ。

對(duì)率定期（５月１—３１日）渦河下游魏灣閘附近斷面及惠濟(jì)河下游李崗閘附近斷面處ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ和ＴＰ濃度的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，得到縱向擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)的率定誤差，見表２。各水質(zhì)指標(biāo)的縱向擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)滿足效率系數(shù)≥０．５且相關(guān)系數(shù)≥０．７的基本要求，表明率定的縱向擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)可較好地模擬實(shí)際水動(dòng)力過程。

２．４水環(huán)境容量計(jì)算

水環(huán)境容量是指在給定水文條件和水域范圍、規(guī)定水質(zhì)目標(biāo)和排污方式的前提下，為保證水體功能正常使用，單位時(shí)間內(nèi)允許最大納污量，其由稀釋容量和自凈容量組成，可表示水域的自凈同化能力［１７－１８］。采用基于ＭＩＫＥ１１模型的ｍ值法計(jì)算灌區(qū)受納水體渦河和惠濟(jì)河的日均水環(huán)境容量［１９－２１］。

ＭＩＫＥ１１水質(zhì)模塊已充分考慮污染物的衰減作用，在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)只需考慮稀釋作用。污水進(jìn)入受納水體后的混合污染物濃度Ｃｓ計(jì)算公式為

３結(jié)果分析

３．１水系連通后受納水體水環(huán)境質(zhì)量變化情況

趙口引黃灌區(qū)二期工程區(qū)內(nèi)凈耕地面積為１４７０ｋｍ２，第一產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)作物主要有花生、棉花、玉米、小麥、西瓜等。灌區(qū)年內(nèi)雨量分配集中，６—９月汛期降水量占全年降水量的７５％～８５％，暴雨主要發(fā)生在７—８月。３—５月、７月和１１月為引黃灌溉期。

利用搭建的水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型分析新建總干渠—運(yùn)糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟(jì)河輸水通道后，渦河裴莊閘、吳莊閘、魏灣閘、玄武閘監(jiān)測(cè)斷面和惠濟(jì)河羅寨閘、李崗閘監(jiān)測(cè)斷面２０２１年１月１日—１２月１８日的水質(zhì)變化情況，各斷面的水質(zhì)變化情況較相似，選取渦河裴莊閘斷面和惠濟(jì)河羅寨閘斷面的模擬結(jié)果進(jìn)行展示，見圖１、圖２。水系連通前渦河４個(gè)閘口斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ濃度符合地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（ＴＮ≤１．５ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．３ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤１．５ｍｇ／Ｌ），惠濟(jì)河２個(gè)閘口斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ濃度符合地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)（ＴＮ≤２．０ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．４ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤２．０ｍｇ／Ｌ）。水系連通后６個(gè)斷面的ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ濃度整體均低于連通前的，表明在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上，水系連通性的提高使得灌區(qū)受納水體水環(huán)境質(zhì)量改善。汛期和灌溉期氨氮濃度較高，原因是氮肥以有機(jī)氮和氨氮為主，氨氮帶正電荷，易與帶負(fù)電荷的土壤結(jié)合，在汛期和灌溉期含有氨氮的土壤被沖刷入河，導(dǎo)致水體中氨氮濃度升高。

水系連通對(duì)河、溝、渠道及受納水體水質(zhì)改善具有積極的作用。增加灌區(qū)河、溝、渠連接節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行渠道襯砌改造后，灌區(qū)水系水力聯(lián)系、水體流動(dòng)性和連續(xù)性提高，促進(jìn)水量、能量、物質(zhì)流交換，加快水體循環(huán)。灌區(qū)通水灌溉后，長(zhǎng)距離輸水及水力機(jī)械運(yùn)動(dòng)使得水體復(fù)氧更加充分，有利于污染物的稀釋、擴(kuò)散和降解，增強(qiáng)水體自凈能力，增加河流水環(huán)境容量。同時(shí)部分引黃水通過河渠滲漏或灌溉回歸地下水，經(jīng)水體稀釋等可在一定程度上降低淺層地下水中的污染物濃度，提升水環(huán)境質(zhì)量。

３．２水系連通后受納水體水環(huán)境容量變化情況

水系連通前后渦河和惠濟(jì)河６個(gè)斷面的日均水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果見表３和表４。水系連通之后，渦河裴莊閘、吳莊閘、魏灣閘、玄武閘斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水環(huán)境容量整體為水系連通前的１．０～５．７倍。

惠濟(jì)河羅寨閘、李崗閘斷面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水環(huán)境容量整體為水系連通前的１．３～２．３倍。

水系連通后水環(huán)境容量增加，表明灌區(qū)退水受納水體的污染物最大容納負(fù)荷增大，維持水體生態(tài)系統(tǒng)平衡的綜合能力增強(qiáng)。在滿足基本水環(huán)境質(zhì)量要求的前提下，可進(jìn)行的水資源利用等人類活動(dòng)上限提高，有助于維持黃河下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保持水生態(tài)系統(tǒng)健康。

４結(jié)論

采用ＭＩＫＥ１１軟件構(gòu)建了趙口引黃灌區(qū)二期工程水動(dòng)力－水質(zhì)耦合模型，評(píng)價(jià)水系連通對(duì)灌區(qū)退水受納水體重要節(jié)點(diǎn)水環(huán)境質(zhì)量和水環(huán)境容量的影響。水系連通工程的實(shí)施使灌區(qū)退水受納水體渦河及惠濟(jì)河中ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的濃度降低，渦河各污染物的水環(huán)境容量整體為水系連通前的１．０～５．７倍，惠濟(jì)河污染物的水環(huán)境容量整體為水系連通前的１．３～２．３倍。通過新建總干渠—運(yùn)糧河—渦河和東二干渠—陳留分干渠—惠濟(jì)河輸水通道，增加了流域水環(huán)境容量，提高了水體復(fù)氧能力、自凈能力，改善了流域水生態(tài)環(huán)境。