基于减水河MIKE11建库后对水环境的影响

2019-01-02董红霞轩晓博

水科学与工程技术 2018年6期

卢慧，董红霞，轩晓博

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

翁结水库位于云南省临沧市耿马傣族佤族自治县，为澜沧江二级支流南碧河上规划建设的一座中型水库，总库容3880万m3，坝址距离澜沧江一级支流小黑江口67km。水库开发任务主要为生产生活和灌溉供水。水库运行后，坝址下游河道水量减少，造成了长67km的河段不同程度减水。河道减水后将使区间河流水面缩窄，水深变浅，流速趋小，河流的纳污能力下降，另一方面，灌区退水经沿线支流又汇入南碧河。为确保工程运行后，减水河段水质目标不下降，需下泄一定水量用于下游河道污染物稀释水量。

当前在河流、湖泊水质水动力研究中应用较为成熟的数值模型主要由DHI-MIKE、EFDC和WASP等，采用类似水环境数学模型进行河湖等地表水体的模拟研究应用广泛，如常旭、武亚菊等［1-3］应用DHI-MIKE、EFDC和WASP模型对河流和湖泊进行了数值模拟。本文基于DHI-MIKE11水动力、水质数学模型，确定翁结水库运行时的较优下泄过程，为工程运行后对下游河道水环境影响提供了科学依据。

1 DHI-MIKE模型及其基本原理

DHI-MIKE是由DHI（丹麦水利研究所）开发研制的系列软件，其根据多个数学模型集成开发研制成综合模型，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、水质、水温等水环境各个领域。本工程采用MIKE11一维模型进行模拟预测翁结水库下游河道水质情况。

1.1 水动力模块（HD）

MIKE11 HD模块基于一维明渠非恒定流方程，其理论基础是Saint-Venant方程组，水流连续方程反映了河道中的水量平衡，如式（1）：

动量方程如式（2）：

式中 A为过水断面面积；t为时间坐标；Q为流量；x为距离坐标；q为旁侧入流量；g为重力加速度；h为水位；C为谢才系数；R为水力半径。

1.2 水质模块（AD）

MIKE11 AD模块可对水体中的可溶性物质和悬浮性物质对流扩散过程进行模拟，根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算。

一维河流水质模型的基本方程为：

式中 C为模拟物质的浓度；μ为河流平均流速；Ex为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；t为时间坐标；x为距离坐标。

对流扩散系数是一个综合参数项，可通过经验公式估算：

式中 V为流速，来自水动力计算结果；a，b均为用户设定的参数。

2 数学模型构建和预测方案确定

2.1 灌区污染源情况

耿马灌区点源退水主要为耿马县生产生活退水，这部分退水经污水处理厂处理后以点源形式排入南碧河支流，最终汇入南碧河；灌区面源退水主要为农村生活面源及农田面源。根据对耿马灌区范围内现状年（2017年）和规划年（2030年）的污染源排放情况进行统计和预测，计算出灌区规划年较现状年入河污染源增加情况如表1。

表1 灌区入河污染源较现状年增加情况

2.2 模型构建

由于南碧河是翁结水库所在河流，同时下游减水河段为灌区主要退水河段，因此本文利用MIKE11软件在南碧河一维水动力学模型预测结果的基础上，增加入河排污口，构建南碧河一维水质模型。

水质模拟指标为COD和氨氮。模拟河段范围为翁结水库坝址至南碧河入小黑江汇口段，共67km。由于南碧河没有直接排入的点源，对于面源的排放，本次根据灌区范围内DEM高程数据和排涝渠系分布情况，基于GIS软件流域剖分和汇水路径分析功能，对灌区范围内面源退水路由进行了剖分，模拟河段区间污染源均概化成由支流十八道河、菜籽地河、芒信河、南木老河及挡帕河汇入南碧河，如图1。

图1 南碧河下游灌区污染物排放过程

本次模型上边界采用1972年6月～2014年5月共42年的流量资料，下边界为水位边界。考虑最不利情况，即预测河流流量在典型枯水年（P=90%）水文条件下的污染物排放过程。

3 坝址下游河道水质影响预测结果

将MIKE11水动力模块与水质模块进行耦合，模拟计算水库运行期间典型枯水年南碧河水质变化情况，选取南木老河与南碧河交汇口断面、芒片河与南碧河交汇口断面、入小黑江汇口断面3个代表断面进行对比分析，各断面水质预测结果如表2，表3和图2。

由表1，表2和图2可知，随着翁结水库坝下南碧河干流沿程工农业及生活供水量的不断增加，相应的退水污染物入河量不断增加，南碧河干流水质从上游至下游是逐渐变差的过程，污染物浓度增值在逐渐扩大，至灌区末梢小黑江汇口前断面，水质最差，相比工程建成前的COD、NH3-N浓度的增幅也最大。但工程建成后，南碧河干流水质总体均能满足水环境功能区划要求的地表水Ⅳ类目标，说明翁结水库下泄的水量过程能够满足下游河道水环境目标的要求。