基于MIKE21的龙潭河水质改善数值模拟研究

魏建锋，司益清，李程智，张伟超，周 洋

(1.重庆市渝发水利科学研究院有限公司，重庆 401120；2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆 401120；3.重庆市水文监测总站，重庆 401120；4.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；5.温州市水利电力勘测设计院有限公司，浙江 温州 325002)

1 引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，水环境问题目前受到人们的重视。水质模拟是预测评价水环境问题的重要手段之一，近年来，国内外学者在水环境修复治理及管理等方面开展了诸多的科学研究和工程实践[1]。现在常用的模拟手段有基于统计方法或WASP[2]、SWAT[3]、QUAL2K[4]、MIKE[5～7]等模型进行污染源解析、污染物迁移转化模拟。MIKE21模型已广泛应用在水污染评估、排污口设计、污染物水环境过程模拟和污染物水环境行为预测[8～10]。模拟研究采用MIKE21模型对酉阳县龙潭河的现状水质以及采取“一河一策”措施之后的水质进行模拟，从而直观地体现“一河一策”措施的有效性。

2 研究区域概况

酉阳龙潭河流域位于酉阳县境内，地处距重庆550 km的东南边陲武陵山区，属于亚热带湿润气候区，降水量时空分布不均，年内降水主要集中于5～9月份，约占全年降水量的67.5%以上[11]。龙潭河主要支流有冷水河、王家河、溶溪河，流经腴地、涂市、麻旺、龙潭4 个乡镇。

本水质模型主要研究龙潭河酉阳县境内上游段，起于腴地乡上腴村岩根脚，止于龙潭镇五育村杨家滩，河段长62.7 km，流域面积1282.0 km2，多年平均流量31.5 m3/s。龙潭河流域内主要是城镇生活污水、农业面源等污染源，不存在大型的高污染工矿企业，排污对干流水质影响有限。通过龙潭河流域各水质监测断面的资料和现场踏勘情况，未发现龙潭河流域存在黑臭水体及劣质类水体。根据龙潭河水质资料，采用化学耗氧量(COD)、氨氮(NH3-N)作为污染物控制指标。

3 模型建立及参数设置

MIKE21模型是MIKE模型中的核心基础模块，主要适用领域包括湖泊、河流、水库、海洋、波浪及泥沙等方面的模拟研究[12]。选用水动力模块和水质模块，水动力模块为其他模块提供水流流速、流量与水位等基本的水力要素；水质模块用于分析污染物进入河流后的迁移转化过程，为定量分析水质情况提供依据[13～15]。

采用数学模型计算河流水域纳污能力，应对河流河道特征和水力条件进行简化，将龙潭河河流模型局部进行顺直处理，且在支流及规模以上排污口处进行分段。

3.1 网格划分和选择区域

模型采用三角网格划分研究区，三角网格能较好地拟合研究区水陆边界，生成网格时能随意调整网格密度、网格大小、最小允许角度和最大节点数。由CAD图得到研究区域相关数据，然后将水陆边界线数据导入MIKE自带的网格生成器生成研究区网格，并且对网格进行平滑处理，旨在缩短最大网格和最小网格的差值，提高计算速度。还需在模型中根据实际情况设置开边界，然后将水深数据导入网格中并插值生成研究区地形图。龙潭河流域计算河段流域面积1282.0 km2，河长62.7 km2，多年平均流量Q=31.5 m3/s。

3.2 计算模型

在MIKE21中建立的计算模型如图1所示，模型根据流域情况，在龙潭河各位置处设置监测断面,通过对各监测断面水动力情况和水质变化情况进行分析，最终得到龙潭河流域的水动力情况和不同污染负荷条件下的水质变化，一共在流域内设置了18个模拟监测断面，其中t1为上游进口断面，t18为下游出口断面，监测断面分布见图2。

图1 模拟模型

图2 监测断面分布

3.3 模型边界条件

(1)水动力模块边界。模型上游边界即入河口处设置流量数据，下游边界即河流出口处设置水位，均以时间序列文件输入。

(2)水质模块边界。模型上游边界即各入河口处设置水质评价因素(COD、NH3-N)浓度，根据监测界面实测值调整，下游边界采用无梯度边界条件，根据本次模拟任务分别选定不同工况条件下的水质边界条件。由于龙潭河发源于酉阳县，本模拟上游基础浓度值均为0 mg/L，本模型仅进行现状污染负荷水质及措施后污染负荷水质进行模拟，分析各工况下的污染负荷对龙潭河水质的影响，最后对比分析各工况下龙潭河水质情况，进行整治措施效果评估。

(3)干湿边界。本次模型计算启用干湿边界，在进行计算的过程中，每一时间步长计算网格的平均水深，经过实际调研及多次试算，确定干点水深hdry=0.005 m，半干湿水深hflood=0.05 m，湿水深hwet=0.1 m。

3.4 参数设置

(1)河床糙率和计算时间步长：河床底部糙率根据研究区域内实测水位和流速与模型模拟结果对比进行率定，模型计算时间步长根据CFL条件调整。

(2)衰减系数。为简化计算，在水质模型中，将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为综合衰减系数。经复核分析后，最终确定污染物综合衰减系数，取COD：2.314×10-6s-1，NH3-N：2.894×10-6s-1。

(3)初始条件。水动力初始条件包含初始水位和初始流速，其设定主要是保证模型能够平稳启动，因此应尽可能与模拟开始时刻的实际河流水动力条件一致。本次模拟初始水位采用下游边界处水位值，初始流速为零。水质初始条件包含各水质评价因素(COD、NH3-N)的浓度，研究中根据实测数据进行赋值。

(4)模拟工况。本次模拟依据年内不同水文特性分为枯水期、平水期、丰水期3种工况，对流域内污染负荷下龙潭河水质进行模拟计算，3种工况的流量依次设置为13.1、21.7、53.4。

4 模拟结果及分析

4.1 现状水质模拟

根据龙潭河污染负荷计算情况，模拟现状污染负荷入河后龙潭河水质浓度沿程变化情况，将模拟数据与实测数据进行对比，来验证模型的可靠性，模拟过程中龙潭河污染源输入采用各乡镇概化排污口。

在现状污染负荷输入条件下，龙潭河下游出口断面在枯、平、丰3个工况下的污染负荷COD浓度分别为0.447 mg/L、0.214 mg/L、0.109 mg/L；氨氮浓度分别为0.084 mg/L、0.040 mg/L、0.020 mg/L。模拟结果与水质实测数据基本相同，表明了MIKE21模型对于研究河段水质模拟的准确性与可靠性。枯水期时，龙潭河流量较小，污染物入河后，河流水质污染物浓度更高。且T13-T14断面位置COD及氨氮浓度均有大幅度增长，主要原因是龙潭镇概化排污口污染物输入，且相较于其他各概化排口，该排污口输入量更大。

4.2 “一河一策”措施后水质模拟

根据龙潭河“一河一策”相关整治措施，从水污染防治、水生态修复与保护水资源3个方面入手。具体措施包括：加强水资源利用管理；强化对水域岸线的管理，加强对涉河建设项目的管理；通过推进城镇污水管网建设，全面提高污水收集率与处理能力来治理点源污染；大力推进生态循环农业建设来解决农田面源污染；在水生态修复方面，主要通过水土保持、加强禁渔管理与生物多样性保护和生态流量管理与监督等举措来进行。

通过推算得到措施实施后污染负荷入河量，在排污口输入流量不变的情况下，模拟分析措施前后龙潭河水质变化情况，分析措施实施效果。龙潭镇、麻旺镇、涂市乡、腴地乡4个概化排污口的COD入河量依次为113.22 t/a、22.15 t/a、7.05 t/a、5.47 t/a；氨氮预测入河量依次为19.42 t/a、5.73 t/a、2.45 t/a、1.57 t/a。在措施后污染负荷输入条件下，龙潭河下游出口断面在枯、平、丰3个工况下的污染负荷COD浓度分别为0.332 g/L、0.161 mg/L、0.082 mg/L；氨氮浓度分别为0.066 mg/L、0.032 mg/L、0.016 mg/L。与预测污染负荷下龙潭河水质相比，下游断面COD浓度值在枯、平、丰3种工况条件下分别减小了0.115 mg/L、0.056 mg/L、0.028 mg/L；氨氮分别减少了0.018 mg/L、0.009 mg/L、0.004 mg/L，选取了枯水位条件下措施前与措施后特征指标浓度分布情况进行对比，具体对比数值见图3、图4。

图3 COD浓度对比

图4 氨氮浓度对比

结果显示，上、下游现状水质COD浓度最大相差0.332 mg/L、氨氮浓度最大相差0.063 mg/L，COD与NH3-N均呈现出污染物浓度上游比下游小的规律，且研究流域内污染物入河对河流水质影响较小。措施前和措施后COD浓度差值最大为0.121 mg/L，氨氮浓度最大相差0.018 mg/L，均出现在靠近下游断面处，因此，治理过程中要加强对龙潭河下游的水污染治理。

5 结论

根据龙潭河流域相关管理保护措施，推算措施实施后龙潭河流域污染负荷入河总量，其中主要污染物COD入河量为147.89 t/a、NH3-N入河量为29.17 t/a。较整治前污染负荷COD削减量约51.48 t/a(削减率约25.82%)，氨氮削减量约7.92 t/a(削减率约21.35%)。综上所述，龙潭河流域内整治措施实施后，对龙潭河水质有一定程度的改善，同时应加强对流域支流范围内污染源治理及水质控制，以保证龙潭河流域水质得到整体改善。