MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用

2016-10-07俞云飞赵文婧李云霞

水利水电工程设计 2016年3期

关键词：水源地库区河道

俞云飞　赵文婧　李云霞　张　扬

俞云飞赵文婧李云霞张扬

针对近年来水源地周边污染源威胁到供水安全的问题，采用MIKE11模型软件建立水动力水质耦合模型，以我国北方某水源地为例进行了水质趋势变化模拟，并对治理方案实施后的效果进行了预测，为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。

水源地水动力水质模型应用

近年来，随着经济社会的快速发展、国家城镇化进程的进一步加快，城市水源地周边的环境问题日益严重，给供水水质安全带来较大的潜在威胁，水源地综合治理已经迫在眉睫。治理方案的规模及效果论证是工程论证的必要条件，目前，运用成熟的MIKE、QUAL和WASP综合水质数学模型软件已成为研究该类问题的主要手段。本文采用MIKE11模型建立水动力水质耦合模型并对水质污染问题进行预测，为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。

1　研究区域概况

本次重点研究我国北方重要水源地潘家口、大黑汀水库水源地（以下简称 “潘、大水源地”），它是引滦工程的主体水源工程，担负着天津、唐山两市的城市生活及工农业生产用水，因此，保护好水库的水质，做好水污染防治工作，对津、唐两地人民的生产和生活具有深远的影响。水库位于河北省迁西县的滦河干流上，水源地地跨河北省兴隆、宽城、承德、迁西4县，控制流域面积33 700 km2，占滦河流域总面积的75% ，总库容为2 913亿m3，多年平均库容为24.5亿m3，为多年调节水库。水库以供水为主，兼顾防洪、发电、灌溉及养殖。汛期主要集中在6～9月，汛期水量占全年总水量的70%～80%。

2　水动力及水质模型构建

2.1模型原理

本次治理范围涉及自乌龙矶至潘家口大坝之间河道和库区、下池调蓄库区、下池坝下至大黑汀大坝之间下池库区，通过对库区区间进行分析和对潘、大水源地的水流特性分析的基础上，采用一维非恒定流水流模型（Saint-Venant方程组），首先对河段水流进行模拟。描述河流一维非恒定流的基本控制方程如下：

水质控制方程如下：

式中，t为时间；x为距离；Q为流量；h为水位；C为谢才系数；A为过流断面面积；R为水力半径；q为旁侧单位长度入流流量；α为断面不均匀系数；c为物质组份的浓度；D为弥散（扩散）系数；v为水流速度；K为物质组份的线性衰减系数；q为侧向流量；C2为源汇项浓度。

2.2河道概化

依据本次治理工程范围，按照相关河道概化基本原则，并根据河道所处位置及地形、地势、河势等具体情况对计算河道进行概化，确定本次模型计算起始点为乌龙矶断面，终点为大黑汀大坝。考虑到各支流的位置因素，本模型计算主要考虑支流为柳河、瀑河、洒河，作为旁侧入流参与河道的水力、水质计算，武烈河等支流已在乌龙矶以上河段汇入，不在计算区域范围内。

2.3模型边界条件的确定

本次模拟时段选取全年时段，模型计算起点为乌龙矶断面，该断面的水文测量的流量数据作为模型上边界，其输入逐日流量边界条件，其余支流作为点源入流考虑，即柳河、瀑河、洒河均作为点源汇入，监测代表断面分别为柳河石佛站、瀑河宽城站、洒河汉儿庄站。水质边界分别考虑点源分布、面源污染以及各支流的污染物贡献。

2.4模型参数的选取

水质模型的起止边界与水动力学模型的起止边界相同，本次计算预测水质指标为总磷、氨氮。本次计算河段剖分单元为500 m，计算时间步长为30 s。水动力的主要参数选取如下，曼宁系数取值为0.033。

考虑到TP、NH3-N的降解系数与水流的速度、温度、水深有密切关系，本次建模过程根据水深分别设置降解系数decay值， decay值设置情况详见表1。

表1　降解系数decay值设置表

2.5模型率定及验证

河道植被、坡降、河床地质、河道断面形式及河道上的建筑物等都会对河道流态产生影响，因而河道的概化以及参数的选定会影响到计算成果。在本次水动力计算模型率定计算过程中，根据河道河床情况，河道的糙率取值范围在0.033，验证特征点坝前断面实测值。模型率定资料采用2012年全年逐日数据。由于实测的水质序列数据较少，很难做到精确率定参数，通过率定结果分析看，TP、NH3-N模拟值与实测值总体上趋势基本一致，库区水位率定和验证结果见图1。