MIKE11模型在台州市区河网纳污能力计算中的应用

林 金

(台州市水文站，浙江 台州 318000)

1 问题的提出

河流是城市诞生的摇篮，是城市文明的发祥地，人类的每一步发展都离不开水，如果人类只知道向水不断索取，而忽视对她的珍惜与保护，久而久之，将付出惨重的代价.流经9个欧洲国家、曾号称“欧洲下水道”的莱茵河在20世纪70年代鱼类完全消失，泰晤士河因污染死寂了150年之久，滇池蓝藻水华爆发……[1].河水污染频频告急，已严重危及到人类的生存安全.

多年来，台州市在水资源保护方面做了大量工作.市区河道通过近十年的综合整治工程建设，对区域内河网水质改善十分明显，但距离预期的水质目标仍有较大差距，市区内河的总体水质依然较差，许多河道水质仍处于劣V类水体，河道发黑发臭现象普遍.构建台州市区河道纳污能力测算模型，对市区椒江与永宁河、金清港之间的平原河网进行研究，分析提出已划分水功能区河道的纳污能力十分重要.

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

台州市区河流可划分成椒江水系(包括椒江干流、永宁将水系)和金清河网.其中永宁江为椒江支流.市区多年平均降水量1 722.7mm，降水时空分布不均，西部山区向东部递减，年内降水主要集中在梅汛期和台汛期.市区多年平均水资源量为162 253万 m3，人均水资源量为852 m3，东部平原水资源状况较为紧缺，主要依赖于西部的长潭水库供水.

本次纳污能力计算的研究范围是永宁江西江汇合口以下、秀岭水库、西溪水库以下，由椒江、永宁河、南官河、金清港包围的平原河网，共含7个水功能区.研究区域及河网分布情况(见图1)．

图1 研究区域河网分布图

2.2 模型及算法

本次研究主要采用的是MIKE11软件的水动力学模块(HD模型)，即明渠不稳定流隐式格式有限差分解*杭州市城市规划设计研究院.杭州城区水系综合整治与保护开发规划[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点中心隐式差分(Abbott)格式，其数值计算采用传统的“追赶法”，即“双扫”算法.该模型还可以根据不同地区的水流条件及亚临界水流，也可以从陡峭山区性河流到感潮河口的各种垂向均质水流条件的模拟，此外在进行完全水动力学模拟的同时，也可以进行各种简化的水流模拟，如扩散波、运动波及准稳定流的计算[1-2].

一维水动力学模型控制方程为Saint-Venant方程组：

式中：x—距离坐标；t—时间坐标；

A—过水断面面积；Q—流量；h—水位；

q—旁侧入流量；n—河床糙率系数；

R—水力半径；g—重力加速度.

水质模型也采用MIKE11计算.该水质模型描述一维非恒定流是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，方程离散利用Abbott六点隐式格式，离散后的线性方程组用追赶法求解.MIKE11中描述物质在水体中对流扩散的一维方程为：

式中：C—浓度；D—离散系数；A—断面面积；

K—线性衰减系数；C2—源/汇浓度；

q—横向入流；x—空间坐标；t—时间坐标

对流扩散方程采用中心和空间的隐式差分格式.水质过程与对流扩散过程耦合计算的过程如下：

(1)由对流扩散模块计算第n+1时间步的某一水质组分的浓度n+1，AD；

(2)计算由对流扩散引起的浓度梯度LCn+1，AD=(Cn+1，AD—Cn，AD)Lt；

(3)由水质模块计算第n+1时间步的该水质组分的浓度Cn+1，WQ；

(4)计算由水质过程引起的浓度梯度LCn+1，WQ=Cn+1，WQ—Cn，WQ/Lt；

(5)计算总的浓度梯度LCn+1，WQ=LCn+1，WQ+LCn+1，AD；

(6)对步骤5计算结果采用5阶龙格-库塔方法进行积分求解，得到该时间步的物质浓度.

2.3 河网概化

由于研究区域内水系多，河道断面变化复杂，若将大小不一的所有河道作为单一河道参与计算，工作量会十分庞大.因此，在充分掌握详细的天然河网、水文资料的基础上，以主干河道为根本，对河网中规模较小的河道进行概化处理.基本原则是概化河网要反映天然河网的基本水力特性，即概化后的河网在输水能力和调蓄能力上必须与实际河网基本一致[3].

河道断面均采用最新实测数据，根据2006-2011年实测水文数据，设置石柱站处测站为水位校正点.研究区域河系概化结果(见图2).

图2 台州市区河网概化图

3 参数的率定和验证

3.1 参数率定

水动力模型的参数率定主要考虑的是河道糙率n.先假定一个糙率值计算水位，时间步长设定为1 min，率定时间从2006-01-01—2008-12-31，共计3年时间.经过模型模拟之后所得的实测站处水位的计算值要普遍高于实测值.然后通过不断调整模型中河网的各个参数，使监测点水位的计算值与实测值差距逐渐减小，水位过程线充分吻合，得到的率定结果(见图3).

图3 实测站断面处水位计算值与实测值对比图

水质模型的参数率定由于具有较为完整的水质资料，所以运用2009-2010年的水质资料对模型进行率定，用2011年的水质资料对模型进行验证.

主要模拟河网中COD和NH3-N的浓度变化过程，首先设定一系列的初始参数，建立MIKE11 AD模块，以及输入水质边界，并在AD模块的基础上通过ECO lab模块对污染物质的变化过程进行模拟.

经过模型计算之后所得的验证站(石柱站)处的NH3-N浓度的实测与计算值数值整体偏差并不大，但是污染物浓度峰值出现时间计算值较实测值滞后，COD率定过程中也出现了同样的情况，分析其原因应该是由于污染物排放时间序列与实际不吻合，并且污染物排放位置有所偏差.对模型的参数进行修订，重新设置污染物入河位置以及污染物排放时间序列，然后对模型进行再次计算.计算结果(见图4).

图4 实测站断面处NH3-N、COD率定结果图

3.2 参数验证

依据麻车桥站、金清闸站等6个测站的2009-2011年的水位数据对水动力模型进行验证.将水位时间序列数据代入模型进行验证，结果(见图5).验证结果表明所建的水动力模型具有良好的重现性，基本能复演台州市河网的水流运动情况，可用于实际分析，从而可以进一步与水质模块进行耦合.

采用11年台州市河网水质资料对模型进行验证，验证结果(见图6).

图5 实测站断面处水位验证结果图

图6 实测站断面处NH3-N、COD验证结果图

由图可见，该模型已可以较好的模拟台州市区河网中NH3-N和COD的浓度变化过程.因此，可以运用该模型进一步进行台州市河网不同保证率水位情况下的纳污能力研究.

4 纳污能力测算结果

以较好的水质II类水作为初始水质条件，以各水功能区的目标水质作为预期达到的水质目标来计算台州市河网的纳污能力.河网中各类水质中污染物浓度依据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中给定的浓度确定.

将各条河的初始浓度以及各测站的90%保证率水位输入模型，先假设一较小的污染负荷进行计算，然后通过不断增加污水中的污染物浓度使得河流中的污染浓度不断提升直到计算结果中的污染物浓度出现与目标浓度相近的值时，则这时的污染物入河量即作为台州市区河网的纳污能力.经过模型计算纳污能力(见表1～表3).

表1 50%保证率水位下模型计算台州市区河网纳污能力 单位：t/a

表2 75%保证率水位下模型计算台州市区河网纳污能力 单位：t/a

表3 90%保证率水位下模型计算台州市区河网纳污能力 单位：t/a

5 结论与建议

5.1 结 论

(1)利用MIKE11模型建立了台州市区河道水质水动力模型，通过不断调整参数对台州市区河道水环境容量的计算，得到90%流量保证率下台州市区河道水环境容量以及现状污染负荷，对两者进行比较，COD与NH3-N的现状污染负荷均超过其水环境容量.

(2)基于流量历时曲线，根据台州市区河道2009-2011年流量系列，构建台州市区河道COD与NH3-N的负荷历时曲线，确立流量历时区间，并将负荷历时曲线划分为5个流量历时区域(FDI)：高流量区(0～10%)、流量大于68.7 m3/s；丰水区(10%～40%)、流量在22.8～68.7 m3/s之间；中流量区(40%～60%)、流量在10.7～22.8 m3/s之间；枯水区(60%～90%)、流量在3.57～10.7 m3/s之间；低流量区(90%～100%)、流量小于3.57 m3/s.

(3)采用负荷历时曲线模型对台州市区河道的最大日负荷进行计算，并对最大日负荷的月变化和季节变化进行分析.在1月份、11月份和12月份，河道对COD与NH3-N的日纳污能力很低，其中1月份的日纳污能力最低；在3～10月份的丰水期，河道对COD与NH3-N的日纳污能力很高，最高为8月，最低为5月.台州市区河道对COD与NH3-N的纳污能力最强在夏季，最弱在冬季；通过比较平均最大日负荷与50%保证率流量下的最大日负荷，可以看出，秋季的平均最大日负荷与50%保证率流量下的最大日负荷相差最大，春季相差最小.

(4)计算台州市区河道COD与NH3-N的多年平均负荷，确定最大日负荷的安全临界值，提出最大日负荷季节性及月的总量分配；基于污染物来源，确定污染源间的复合分配；并对不同流量历时区域进行了详细的复合分配.

5.2 建 议

(1)由于台州市区河道水质和流量的监测数据缺乏，因此，会影响河道水质水动力模型的模拟，对运用负荷历时曲线对水体COD与NH3-N的最大日负荷的估算会产生一定的影响.因此，在进一步研究中，要收集更多的实测样本资料，以便进行更全面、科学的计算.

(2)负荷历时曲线模型的构建基于污染物在水中完全混合[4]，对于较大的河流，其河宽较宽，污染物浓度在河宽方向上具有显著差异，不可看作完全混合，因此，符合历时曲线模型对河宽较宽的大河流不适用，特别是当岸边有污染源时，不可以用岸边附近的监测结果作为计算的初始数据.在以后的研究中，要对河岸污染源涉及到的范围进行单独处理，以减少个别区域对断面水质的影响.

参考文献：

[1]周雪漪．计算水力学[M]．北京:清华大学出版社，1994．

[2]杨国录．河流数学模型[M]．北京：中国海洋出版社，1993.

[3]徐祖信，卢士强．平原感潮河网水质模型研究与应用[J]．水动力学研究与进展，2003，l8(2)：182-188．

[4]程 艳，李炳花,此里能布,等．负荷历时曲线在流域水质特征分析中的应用[J]．水资源保护，2009，25(2)：33-37．