基于MIKE11的温岭市平原河网水环境容量研究

徐凌云，陈江海

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 2004 3 4）

基于MIKE11的温岭市平原河网水环境容量研究

徐凌云，陈江海

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 2004 3 4）

针对温岭市平原地区河网特征，基于MIKE11软件建立温岭市平原河网水环境数学模型，并对模型进行率定，模型计算值和实测值吻合良好。基于已建立的模型，采用试错法，对研究区域的水环境容量进行研究，并以此为基础确定近、远期污染物排放控制目标。结果表明：①近期，90%保证率CODMn、NH3- N的环境容量分别为20 321.76 t · a-1和608.51 t · a-1,50%保证率CODMn、NH3- N的环境容量分别37 318.78 t · a-1和658.64 t·a-1；②远期，90%保证率CODMn、NH3- N的环境容量分别为10 298.00 t · a-1和507.21 t · a-1,50%保证率CODMn、NH3- N的环境容量分别27 087.13 t · a-1和557.74 t · a-1。

MIKE11软件；平原河网；试错法；环境容量；污染物削减率

1 问题的提出

温岭市位于浙江省东南沿海温黄平原南部，东濒东海，南连玉环县，西邻乐清市，北接台州市路桥区、黄岩区。境内地势西高东低，自西向东逐渐倾斜入东海；西部和西南部，多为绵延起伏的丘陵山区，间有小块河谷平原；北部、中部和东部为平原，地势平坦，局部为陆屿残丘。地形以平原为主，“四山一水五分田”是温岭市地貌的基本特征。

利用MIKE11模型软件进行温岭市平原河网水环境数值模拟，计算其不同目标年的水环境容量和污染物削减量，为温岭市平原河网河道的管理及污染物总量控制提供一定的科学依据[1]，推动温岭市“五水共治”的实施。

2 水环境现状分析

2.1 水域现状

温岭市境内主要水系为金清水系，其次西南部、东南部等外围有若干独立水系。境内有河道约1 745条，其中平原河流1 690条，山区性河流55条；总长1 773.7 km，其中平原河流1 685.6 km，山区性河流88.1 km，河网密度2 km/km2；台州市级河道4条，温岭市级主干河道33条；中型水库2座，小（1）型水库2座，小（2）型水库18座，山塘131座。水面率5.44%，温岭市水系见图1。

图1 温岭市水系示意图

2.2 水环境功能现状

根据《浙江省水功能区和水环境功能区划分方案》，温岭市共划分水功能区14个，区划河长151.7 km，湖库面积5.54 km2，涉及11条河道，3个水库。其中多功能区5个，占35.7%，饮用水源区4个，占28.6%，其他功能区5个，占35.7%。14个功能区中，现状水质为V ～ 劣V类水的有9个，均与目标水质相差2 ～ 3个等级，其余均为III类水，功能区水质达标率达到了14.3%。严重的水质污染已明显影响人们的生活。

2.3 污染源现状

根据《温岭市“十一五”环境保护规划》《2005年温岭市统计年鉴》的调查统计结果以及《全国水环境容量核算技术指南》推荐的排污系数，计算温岭市各分区污染物产生量，同时根据污染物入河量计算公式计算各类污染物入河量（见表1）。

表1 温岭市河网主要污染物入河量表

3 水量水质数学模型构建及参数率定

3.1 模型基本方程

MIKE11是由丹麦水力研究所开发的河网一维数学模型，对于水工建筑物众多、控制调度复杂的河网水量水质模拟尤为适用[2]。本文应用MIKE11模型对温岭市平原河网的水量水质进行模拟分析，为区域水环境容量的研究及河网水资源管理提供科学依据。

3.1.1 水量模型

在MIKE11 模型水动力模块（HD）中计算水量的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组[3]：

式(1)、(2)中：x为距离坐标，m；t为时间坐标，s；A为过水断面面积，m2；Q、h分别为流量及水位，m3、m；q为旁侧入流量，m3；α为动量系数，一般取1；C为谢才系数；R为水力半径，m；g为重力加速度。

采用Abbott六点隐式格式离散上述微分方程组，河道上每个网格点上水位和流量并不同时计算，而是按顺序交替布置水位点和流量点采用隐式的有限差分法分别进行计算[4 - 5]。

3.1.2 水质模型

河网一维对流扩散模型的基本方程表达如下：

式中：C 为模拟物质的浓度，mg/L；u 为河流平均流速，m/s；Ex为对流扩散系数；K 为模拟物质的一级衰减系数；x为空间坐标，m；t 为时间坐标，s。

MIKE11 对流扩散模块利用时间和空间中心隐式差分格式[6-7]求解上述方程。

对流扩散系数是一个综合参数项，包含分子扩散、湍流扩散以及剪切扩散效应。而在数值模型中，扩散系数除了与物理背景相关之外，还与计算空间大小、时间步长等相关。模型通过经验公式来估算对流扩散系数[8]：

式中：V是流速，m/s；a 和b是设定的参数。

3.2 河网概化

经过对河网、地形分析研究，计算模型中概化河道255条，计算河道断面1 343个，计算总河长820.0 km，计算河道水面积23.80 km2。河网概化的基本原则是概化后的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[5]，概化时主要考虑太湖水库和湖漫水库，水面积分别为3.87 km2和2.13 km2，概化后的河网水面率为5.44%。具体概化情况见图2。

图2 温岭市平原河网模型概化图

3.3 模型参数率定

边界条件采用2013年金清闸闸上水位、闸下潮位以及江厦排涝隧洞排水量等水文例行监测资料，率定站点为温岭、泽国、松门等水位站，采用试错法对水动力模型参数进行率定，即调试各河道的糙率，使得水位站的计算水位过程与实测水位相吻合，率定得到平原河网河道糙率为0.018 ～ 0.022，山区性河道糙率为0.022 ～ 0.028。

根据研究区域污染源及水质污染的特点，选择污染因子COD和氨氮作为水质模拟对象，根据2013年水质控制断面例行监测资料对监测断面水质进行率定，得到COD的降解系数取值0.08 ～ 0.12/d，氨氮的降解系数取值0.08 ～ 0.10/d。

模拟时段的计算水位值和实测值的对比见图3、图4，水位与水质值均吻合较好，统计得到计算水位值和实测值的平均绝对误差见表2；各主要控制断面水质率定计算值与实测值相对误差见表3。

图3 主要水文站点模型率定水位值与实测值对比图

图4 主要水质控制断面模型率定计算值与实测值对比图

表2 各站点水位计算值与实测值绝对误差表 m

表3 各主要控制断面水质率定计算值与实测值相对误差表 %

3.4 设计水文条件

河道水域设计水文条件采用90%保证率与50%保证率最枯月平均水位相应的容积和流量；水库和池塘设计水文条件采用死水位对应的容积。

温岭市境内有麻车桥站、松门站、泽国站、大溪站、金清站和温岭站，采用该6站水位资料分析不同水文条件下的水位，利用各分区水域水位—面积—容积曲线，得到各计算分区河网的平均蓄水量，并结合实际调查资料推算山区河道水域的设计流量和各水库及池塘的设计容积（其中未包括饮用水源区）。

4 水环境容量计算

4.1 计算方法

水环境容量的研究方法主要有公式法[9-11]、系统最优化法[12-14]、概率稀释模型法[15-16]、模型试错法[17-19]等计算方法。水环境容量计算中所用的水环境数学模型主要有Streeter - Phelps、WASP、Delft3D等模型软件[20]。

本文利用试错法对各河段的现状排污负荷进行调试，并通过模型进行反复试算，直至计算出的水质浓度与水质目标相近或相等，从而得出各个河段污染物最大允许排放量，即水环境容量。

4.2 计算结果

通过模型分别计算设计水文条件为保证率90%和50%时温岭市水环境容量（不含城南镇、坞根镇、石塘镇的独立水系），其中中期（2018年）目标按Ⅴ类、远期（2020年）目标按达到功能区水质控制，同时根据温岭市2013年现状污染源入河量，可计算得到相应的污染物削减率。水环境容量及相应污染物削减率结果见表4。

表4 温岭市水环境容量计算结果表

5 结论与建议

5.1 结 论

（1）利用MIKE11软件构建温岭市平原河网一维水环境数学模型，以2013年例行监测数据为依据对模型参数进行率定，得到河道糙率为0.016 ～ 0.023；氨氮降解系数为0.10 ～ 0.24/ d，平均值为0.16/ d；COD 的降解系数为0.11 ～0.24/ d，平均值为0.18/ d。

（2）采用模型对温岭市平原河网水环境容量进行不同水环境保护目标下的结果预测，预测结果表明：①近期90%保证率COD的环境容量为20 321.76 t · a-1，氨氮的环境容量为608.51 t · a-1；②近期50%保证率COD的环境容量为37 318.78 t · a-1，氨氮的环境容量为658.64 t · a-1；③远期90%保证率COD的环境容量为10 298 t · a-1，氨氮的环境容量为507.21 t · a-1；④远期50%保证率COD的环境容量为27 087.13 t · a-1，氨氮的环境容量为557.74 t · a-1。

（3）通过对比分析水环境容量与现状排污量，确定各河段污染物的削减量，从计算结果来看： ①90%保证率下，为满足近期区域COD水质目标达标，需削减18%的现状污染物，为满足近期区域氨氮水质目标达标，需削减68%的现状污染物；②50%保证率下，为满足近期区域氨氮水质目标达标，需削减66%的现状污染物；③90%保证率下，为满足远期区域COD水质目标达标，需削减59%的现状污染物，为满足远期区域氨氮水质目标达标，需削减74%的现状污染物；④50%保证率下，为满足远期区域氨氮水质目标达标，需削减71%的现状污染物。

5.2 建 议

为满足近远期区域水质目标，达到现状污染物的削减要求，本文对研究区域内的水污染截污减排提出建议：

（1）进一步完善配套管网设施，实现各镇（街道）污水处理设施全覆盖，逐步形成收集、处理和排放相互配套、协调高效的城乡污水处理系统，提高全市城乡污水处理率。

（2）提高农村污水治理技术，降低治理成本，提高资源利用率，重点开展实施禁养区养殖场关停、畜禽养殖污染治理、畜禽排泄物资源化利用、种植业肥药减量、控制库区农业面源污染等工程。

（3）延续和深化生活垃圾的治理规划，进一步完善垃圾收集、中转、处理体系。

（4）推动工业企业集中进入规划工业园区，通过对工业集中区进行综合环境管理，实现单位工业产值耗水量指标控制、废水污染物减排及工业用水重复利用率目标。对工业集中区外的企业通过污水纳管或自建污水处理设施重点控制水污染物的排放。

（5）结合温岭市城区及各镇建设规划，推进“海绵城市”建设工作，推广城市面源污染控制技术在城市建设、水务、环保等工程中的应用，有效减缓城镇建成区及待建区面源性污染物对城市河道水体的污染。

[1] 沈满红.浙江“五水共治”的基本经验[N].浙江日报，2015 - 07 - 14(014).

[2] 赵凤伟.MIKE11 HD模型在下辽河平原河网模拟计算中的应用[J].水利科技与经济，2014，20(8)：33 - 35.

[3] Danish Hydr aulic Institute (DHI).M IKE11 ：A Modelling Sy stem for Rivers and Channels Reference Manual[R].Denmark：DHI，2002.

[4] 杨洵，梁国华，周惠成.基于MIKE11的太子河观—葠河段水文水动力模型研究[J].水电能源科学，2010，28(11)：84 - 87，171.

[5] 徐祖信，卢士强.平原感潮河网水动力模型研究[J].水动力学研究与进展(A辑)，2003，18(2)：176 - 181.

[6] 马强，陈福荣，王颖．基于MIKE11 ECOLab模型的梁滩河流域水污染问题探讨[J].水电能源科学，2011，41(1)：33 - 36．

[7] 徐祖信，卢士强.平原感潮河网水质模型研究[J].水动力学研究与进展(A辑)，2003，18(2)：182 - 188.

[8] 王雪，逄勇，谢蓉蓉，等.基于控制断面水质达标的秃尾河流域总量控制[J].北京工业大学学报，2015，28(11)：123 - 128.

[9] 中国环境规划院.全国水环境容量核定技术指南[R].北京∶中国环境规划院，2003.

[10] 姚国金，逄勇，刘智森.水环境容量计算中不均匀系数求解方法探讨[J].人民珠江，2000(2)：47 - 50.

[11] 韩龙喜，朱党生，蒋莉华.中小型河道纳污能力计算方法研究[J].河海大学学报（自然科学版），2002，30(1)：35 - 38.

[12] 周密，王华东，张义生.环境容量[M].长春：东北师范大学出版社，1987：124 - 131.

[13] 于雷，吴舜泽，范丽丽，等.水环境容量一维计算中不均匀系数研究[J].环境科学与技术，2008，31(1)：116 - 119.

[14] 周刚，雷坤，富国，等.河流水环境容量计算方法研究[J].水利学报，2014，45(2)：227 - 234.

[15] 夏青，孙艳，贺珍，等.水污染物总量控制实用计算方法概要[J].环境科学研究, 1989，2(3)：1 - 73.

[16] 李如忠.河流水环境系统不确定性问题研究[D].南京∶河海大学，2004.

[17] 徐祖信，卢士强，林卫青.潮汐河网水环境容量的计算分析[J].上海环境科学, 2003，22(4)：254 - 257，290.

[18] 王卫平.九龙江流域水环境容量变化模拟及污染物总量控制措施研究[D].厦门∶厦门大学，2007.

[19] 何绍福，邢淑晶，郑鹏，等.福建沙溪沙县段水环境容量研究[J].福州大学学报（自然科学版），2015，43(3)：411 - 415.

[20]董飞，刘晓波，彭文启，等.地表水水环境容量计算方法回顾与展望[J].水科学进展，2014，25(5)：5 - 13.

Research on water environmental capacity in Wenling plain river network based on MIKE11

XU Ling - yun，CHEN Jiang - hai
(Shanghai Investigation，Design，Research Institute，Shanghai 200434，China)

According to the characteristics of river network in plain area of Wenling City，the water environment mathematical model of plain river network in Wenling which based on MIKE11 software was established and calibrated. The calculated results by the model meet the actual measured results.Based on the established model，the trial - and -error method was used to study the water environmental capacity of the research area. From the results of the model，the short - term and long - term pollutant discharge control limits were determined. The results shows：①In short - term，at 90% guarantee rate，the WEC of CODMnis 20 321.76 t · a-1，and the WEC of NH3- N is 608.51 t · a-1；at 50% guarantee rate，the WEC of CODMnis 37 318.78 t · a-1，and the WEC of NH3- N is 658.64 t · a-1；②In long - term，at 90% guarantee rate，the WEC of CODMnis 10 298.00 t · a-1，and the WEC of NH3- N is 507.21 t · a-1；50% guarantee rate，and the surplus WEC of CODMnis 27 087.13 t · a-1，and the surplus WEC of NH3- N is 557.74 t · a-1.

MIKE11 software；plain river network；trial - and - error method；environmental capacity；pollutant reduction rate

X52

A

1008 - 701X(2017)04 - 0012 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.04.004

2016-10-08

徐凌云(1988 - )，女，工程师，硕士，主要从事环境规划与管理，环境影响评价工作。

E - mail：42427168@qq.com