MIKE11模型在臺州市區河網納污能力計算中的應用

林 金

(臺州市水文站，浙江 臺州 318000)

1 問題的提出

河流是城市誕生的搖籃，是城市文明的發祥地，人類的每一步發展都離不開水，如果人類只知道向水不斷索取，而忽視對她的珍惜與保護，久而久之，將付出慘重的代價.流經9個歐洲國家、曾號稱“歐洲下水道”的萊茵河在20世紀70年代魚類完全消失，泰晤士河因污染死寂了150年之久，滇池藍藻水華爆發……[1].河水污染頻頻告急，已嚴重危及到人類的生存安全.

多年來，臺州市在水資源保護方面做了大量工作.市區河道通過近十年的綜合整治工程建設，對區域內河網水質改善十分明顯，但距離預期的水質目標仍有較大差距，市區內河的總體水質依然較差，許多河道水質仍處于劣V類水體，河道發黑發臭現象普遍.構建臺州市區河道納污能力測算模型，對市區椒江與永寧河、金清港之間的平原河網進行研究，分析提出已劃分水功能區河道的納污能力十分重要.

2 研究對象和方法

2.1 研究對象

臺州市區河流可劃分成椒江水系(包括椒江干流、永寧將水系)和金清河網.其中永寧江為椒江支流.市區多年平均降水量1 722.7mm，降水時空分布不均，西部山區向東部遞減，年內降水主要集中在梅汛期和臺汛期.市區多年平均水資源量為162 253萬 m3，人均水資源量為852 m3，東部平原水資源狀況較為緊缺，主要依賴于西部的長潭水庫供水.

本次納污能力計算的研究范圍是永寧江西江匯合口以下、秀嶺水庫、西溪水庫以下，由椒江、永寧河、南官河、金清港包圍的平原河網，共含7個水功能區.研究區域及河網分布情況(見圖1)．

圖1 研究區域河網分布圖

2.2 模型及算法

本次研究主要采用的是MIKE11軟件的水動力學模塊(HD模型)，即明渠不穩定流隱式格式有限差分解*杭州市城市規劃設計研究院.杭州城區水系綜合整治與保護開發規劃[Z]，2007：1.*Danish Hydraulic Institure (DHI). MIKE11: A Modeling System for Rivers and Channels Reference Manual[R].上海：Danish Hydraulic Institute,2007..其差分格式采用了六點中心隱式差分(Abbott)格式，其數值計算采用傳統的“追趕法”，即“雙掃”算法.該模型還可以根據不同地區的水流條件及亞臨界水流，也可以從陡峭山區性河流到感潮河口的各種垂向均質水流條件的模擬，此外在進行完全水動力學模擬的同時，也可以進行各種簡化的水流模擬，如擴散波、運動波及準穩定流的計算[1-2].

一維水動力學模型控制方程為Saint-Venant方程組：

式中：x—距離坐標；t—時間坐標；

A—過水斷面面積；Q—流量；h—水位；

q—旁側入流量；n—河床糙率系數；

R—水力半徑；g—重力加速度.

水質模型也采用MIKE11計算.該水質模型描述一維非恒定流是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，方程離散利用Abbott六點隱式格式，離散后的線性方程組用追趕法求解.MIKE11中描述物質在水體中對流擴散的一維方程為：

式中：C—濃度；D—離散系數；A—斷面面積；

K—線性衰減系數；C2—源/匯濃度；

q—橫向入流；x—空間坐標；t—時間坐標

對流擴散方程采用中心和空間的隱式差分格式.水質過程與對流擴散過程耦合計算的過程如下：

(1)由對流擴散模塊計算第n+1時間步的某一水質組分的濃度n+1，AD；

(2)計算由對流擴散引起的濃度梯度LCn+1，AD=(Cn+1，AD—Cn，AD)Lt；

(3)由水質模塊計算第n+1時間步的該水質組分的濃度Cn+1，WQ；

(4)計算由水質過程引起的濃度梯度LCn+1，WQ=Cn+1，WQ—Cn，WQ/Lt；

(5)計算總的濃度梯度LCn+1，WQ=LCn+1，WQ+LCn+1，AD；

(6)對步驟5計算結果采用5階龍格-庫塔方法進行積分求解，得到該時間步的物質濃度.

2.3 河網概化

由于研究區域內水系多，河道斷面變化復雜，若將大小不一的所有河道作為單一河道參與計算，工作量會十分龐大.因此，在充分掌握詳細的天然河網、水文資料的基礎上，以主干河道為根本，對河網中規模較小的河道進行概化處理.基本原則是概化河網要反映天然河網的基本水力特性，即概化后的河網在輸水能力和調蓄能力上必須與實際河網基本一致[3].

河道斷面均采用最新實測數據，根據2006-2011年實測水文數據，設置石柱站處測站為水位校正點.研究區域河系概化結果(見圖2).

圖2 臺州市區河網概化圖

3 參數的率定和驗證

3.1 參數率定

水動力模型的參數率定主要考慮的是河道糙率n.先假定一個糙率值計算水位，時間步長設定為1 min，率定時間從2006-01-01—2008-12-31，共計3年時間.經過模型模擬之后所得的實測站處水位的計算值要普遍高于實測值.然后通過不斷調整模型中河網的各個參數，使監測點水位的計算值與實測值差距逐漸減小，水位過程線充分吻合，得到的率定結果(見圖3).

圖3 實測站斷面處水位計算值與實測值對比圖

水質模型的參數率定由于具有較為完整的水質資料，所以運用2009-2010年的水質資料對模型進行率定，用2011年的水質資料對模型進行驗證.

主要模擬河網中COD和NH3-N的濃度變化過程，首先設定一系列的初始參數，建立MIKE11 AD模塊，以及輸入水質邊界，并在AD模塊的基礎上通過ECO lab模塊對污染物質的變化過程進行模擬.

經過模型計算之后所得的驗證站(石柱站)處的NH3-N濃度的實測與計算值數值整體偏差并不大，但是污染物濃度峰值出現時間計算值較實測值滯后，COD率定過程中也出現了同樣的情況，分析其原因應該是由于污染物排放時間序列與實際不吻合，并且污染物排放位置有所偏差.對模型的參數進行修訂，重新設置污染物入河位置以及污染物排放時間序列，然后對模型進行再次計算.計算結果(見圖4).

圖4 實測站斷面處NH3-N、COD率定結果圖

3.2 參數驗證

依據麻車橋站、金清閘站等6個測站的2009-2011年的水位數據對水動力模型進行驗證.將水位時間序列數據代入模型進行驗證，結果(見圖5).驗證結果表明所建的水動力模型具有良好的重現性，基本能復演臺州市河網的水流運動情況，可用于實際分析，從而可以進一步與水質模塊進行耦合.

采用11年臺州市河網水質資料對模型進行驗證，驗證結果(見圖6).

圖5 實測站斷面處水位驗證結果圖

圖6 實測站斷面處NH3-N、COD驗證結果圖

由圖可見，該模型已可以較好的模擬臺州市區河網中NH3-N和COD的濃度變化過程.因此，可以運用該模型進一步進行臺州市河網不同保證率水位情況下的納污能力研究.

4 納污能力測算結果

以較好的水質II類水作為初始水質條件，以各水功能區的目標水質作為預期達到的水質目標來計算臺州市河網的納污能力.河網中各類水質中污染物濃度依據《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中給定的濃度確定.

將各條河的初始濃度以及各測站的90%保證率水位輸入模型，先假設一較小的污染負荷進行計算，然后通過不斷增加污水中的污染物濃度使得河流中的污染濃度不斷提升直到計算結果中的污染物濃度出現與目標濃度相近的值時，則這時的污染物入河量即作為臺州市區河網的納污能力.經過模型計算納污能力(見表1～表3).

表1 50%保證率水位下模型計算臺州市區河網納污能力 單位：t/a

表2 75%保證率水位下模型計算臺州市區河網納污能力 單位：t/a

表3 90%保證率水位下模型計算臺州市區河網納污能力 單位：t/a

5 結論與建議

5.1 結 論

(1)利用MIKE11模型建立了臺州市區河道水質水動力模型，通過不斷調整參數對臺州市區河道水環境容量的計算，得到90%流量保證率下臺州市區河道水環境容量以及現狀污染負荷，對兩者進行比較，COD與NH3-N的現狀污染負荷均超過其水環境容量.

(2)基于流量歷時曲線，根據臺州市區河道2009-2011年流量系列，構建臺州市區河道COD與NH3-N的負荷歷時曲線，確立流量歷時區間，并將負荷歷時曲線劃分為5個流量歷時區域(FDI)：高流量區(0～10%)、流量大于68.7 m3/s；豐水區(10%～40%)、流量在22.8～68.7 m3/s之間；中流量區(40%～60%)、流量在10.7～22.8 m3/s之間；枯水區(60%～90%)、流量在3.57～10.7 m3/s之間；低流量區(90%～100%)、流量小于3.57 m3/s.

(3)采用負荷歷時曲線模型對臺州市區河道的最大日負荷進行計算，并對最大日負荷的月變化和季節變化進行分析.在1月份、11月份和12月份，河道對COD與NH3-N的日納污能力很低，其中1月份的日納污能力最低；在3～10月份的豐水期，河道對COD與NH3-N的日納污能力很高，最高為8月，最低為5月.臺州市區河道對COD與NH3-N的納污能力最強在夏季，最弱在冬季；通過比較平均最大日負荷與50%保證率流量下的最大日負荷，可以看出，秋季的平均最大日負荷與50%保證率流量下的最大日負荷相差最大，春季相差最小.

(4)計算臺州市區河道COD與NH3-N的多年平均負荷，確定最大日負荷的安全臨界值，提出最大日負荷季節性及月的總量分配；基于污染物來源，確定污染源間的復合分配；并對不同流量歷時區域進行了詳細的復合分配.

5.2 建 議

(1)由于臺州市區河道水質和流量的監測數據缺乏，因此，會影響河道水質水動力模型的模擬，對運用負荷歷時曲線對水體COD與NH3-N的最大日負荷的估算會產生一定的影響.因此，在進一步研究中，要收集更多的實測樣本資料，以便進行更全面、科學的計算.

(2)負荷歷時曲線模型的構建基于污染物在水中完全混合[4]，對于較大的河流，其河寬較寬，污染物濃度在河寬方向上具有顯著差異，不可看作完全混合，因此，符合歷時曲線模型對河寬較寬的大河流不適用，特別是當岸邊有污染源時，不可以用岸邊附近的監測結果作為計算的初始數據.在以后的研究中，要對河岸污染源涉及到的范圍進行單獨處理，以減少個別區域對斷面水質的影響.

參考文獻：

[1]周雪漪．計算水力學[M]．北京:清華大學出版社，1994．

[2]楊國錄．河流數學模型[M]．北京：中國海洋出版社，1993.

[3]徐祖信，盧士強．平原感潮河網水質模型研究與應用[J]．水動力學研究與進展，2003，l8(2)：182-188．

[4]程 艷，李炳花,此里能布,等．負荷歷時曲線在流域水質特征分析中的應用[J]．水資源保護，2009，25(2)：33-37．