基于MIKE21模型的汉江中下游水环境影响风险研究

2022-06-23赵晓磊

绿色科技 2022年10期

赵晓磊

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

由于水资源过度开发和缺乏保护，我国江河湖海正遭受严重的水环境问题，迫切需要加强治水工作[1]。遵循新时代治水要求，基于“安全、清洁、健康”的理念，我国围绕水资源管理、水环境治理、水生态保护、水景观建设和水管理措施等方面，提出控源截污、内源治理和生态修复等治理工程来提升水环境质量和加强水资源保护[2]。湖北省结合本省实际，于2017年针对汉江流域正式执行《湖北襄阳市汉江流域水环境保护条例》，并充分运用水质同步监测、遥感技术和地表水环境数学模型等手段，搭建汉江流域预警预报平台[3～5]，以此达到精准预测、科学分析、严格评判的作用，打通汉江流域预警通道“最后一公里”。

汉江是长江中游最长的一级支流，全长1577 km，近年来汉江中下游水环境事故频发[6, 7]，如硅藻水华事件、水体富营养化污染等，导致流域水质变差，严重影响沿江用水安全。本研究基于汉江中下游多年水质数据，应用MIKE21软件[8, 9]，建立二维水动力水质耦合模型，对汉江中下游水动力和水质变化过程进行模拟，分析污染物扩散及其影响变化，以期增强流域预警预报能力，为流域水生态环境风险管控提供理论支撑。

2 汉江中下游水环境现状评价

根据2017年正式执行的《湖北襄阳市汉江流域水环境保护条例》要求，汉江干流要求满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类水质标准，支流则满足Ⅲ类水质标准。

2.1 干流水质现状分析

基于收集到的汉江中下游干流丹江口坝下、襄阳、余家湖及仙桃等断面2008～2014年水质监测数据，选取CODMn、氨氮、TP作为代表指标，对各断面进行水质分析。

监测结果(图1)显示，丹江口坝下断面CODMn浓度在1.6～4 mg/L之间，氨氮浓度在0.062～0.546 mg/L之间，TP浓度在0.01～0.06 mg/L之间，除2011年7月份氨氮超标外，其余月份水质均满足Ⅱ类水；襄阳断面CODMn浓度在1～3 mg/L之间，氨氮浓度在0.057～0.456 mg/L之间，TP浓度在0.01～0.08 mg/L之间，水质较好，均能达到Ⅱ类水质；余家湖断面CODMn浓度在1.6～4 mg/L之间，氨氮浓度在0.068～0.91 mg/L之间，TP浓度在0.02～0.28 mg/L之间，可见余家湖断面大部分时间段能够达到Ⅱ类水质，但2008及2009年水质较差，部分月份出现Ⅲ类甚至Ⅳ类水，超标因子为氨氮和TP；仙桃断面CODMn浓度在1.4～4.2 mg/L之间，氨氮浓度在0.025～0.279 mg/L之间，TP浓度在0.001～0.16 mg/L之间，除个别月份CODMn和TP超标外，其他时段水质均能满足Ⅱ类标准。

总体而言，从CODMn、氨氮、TP3个指标来讲，汉江中下游干流各断面水质基本较好，除2008～2009年余家湖断面水质较差外，其它断面基本能够满足Ⅱ类水质要求。

2.2 入汇支流水质现状分析

根据收集到的汉江中下游入汇支流小清河、唐白河断面2008～2014年水质监测数据，选取CODMn、氨氮、TP作为代表指标，对入汇支流各断面进行水质分析。

监测结果(图2)显示，小清河断面CODMn浓度在2～21 mg/L之间，氨氮浓度在0.09～10.326 mg/L之间，TP浓度在0.03～0.86 mg/L之间，小清河断面2008～2012年水质较好，而2013～2014年水质较差，未能达到Ⅲ类水质要求；唐白河断面CODMn浓度在1.9～14.4 mg/L之间，氨氮浓度在0.106～3.67 mg/L之间，总磷浓度在0.03～0.79 mg/L之间，CODMn在大部分时段均能达到Ⅲ类标准，而氨氮、TP大部分监测时段浓度较高，水质未能达到Ⅲ类水质要求。

总体而言，从CODMn、氨氮、TP 3个指标来讲，汉江中下游入汇支流各断面水质大部分监测时段均无法保证满足Ⅲ类水质，部分时段水质污染较为严重，尤其是氮污染比较严重，需要特别重视。

3 模型构建

3.1 研究方案

本研究范围为汉江中下游干流丹江口坝下断面至汉川断面，沿途经襄阳市、宜城市、钟祥市、潜江市、仙桃市等县市，跨东经111°29′～113°57′，北纬30°22′～32°34′，呈西北东南方向分布。

收集重要水位站(襄阳、余家湖、宜城、皇庄、沙洋、仙桃)逐日水位数据、流量站(襄阳、余家湖、皇庄、仙桃)逐日流量数据以及重要水质站(襄阳、余家湖、仙桃)逐月水质数据、重点排污口和支流等监测断面的流量和水质数据，以丹江口坝下断面为上游边界，汉川断面为下游边界，构建MIKE21二维水动力-水质耦合模型，并对模型进行率定验证。

3.2 计算区域网格划分

计算区域网格划分的形式采用三角形与四边形网格的结合，由于汉江干流又长又窄，用三角形网格需要大量网格才能反映地形，故沿河道主流采用四边形网格，不仅可以减少网格量，减少计算时间，同时也能反映地形。本研究范围共划分为23765个单元网格，包含21588个节点(图3)。流域DEM数字高程共包含215199组原始数据，将高程数据导入到坐标系中，对网格进行高程插值，得到汉江中下游地形图(图4)。

3.3 初始条件与边界条件设定

由于河道太长，地形差异较大，造成各河段之间水位相差较大，将模拟时期第一天的河道水位作为模型的初始水位。汉江中下游面积广阔，单一污染物的模拟评价并不能准确反应流域内水质情况，因此选取CODMn、氨氮和TP作为水质模型模拟的指标，水质初始条件采用模型计算第一天的各污染物浓度，其中CODMn为1.8 mg/L，氨氮为0.247 mg/L，TP为0.03 mg/L。

本研究分别以丹江口坝下断面逐日平均流量和汉川断面逐日平均水位作为水动力模型的上、下边界，以丹江口坝下逐月水质作为水质模型入流边界。经实地调研和查阅资料，发现汉江中下游存在多个污染源和支流汇入，由于缺乏地形数据，将污染源和支流的流量及污染物浓度概化为点源输入到模型作为支流边界，经分析，该模型存在30个排污口和4条支流(唐白河、小清河、蛮河、竹皮河)汇入。

3.4 模型关键参数

3.4.1 水动力模块参数

底床糙率(底床摩擦力)表示水域底部对水流阻力的大小，是水力学模块中重要的率定参数[10, 11]。汉江中下游地形情况复杂，底床糙率需根据不同地形设置不同数值。查阅相关资料，并经过多次率定后，确定不同地形区域边界处底床糙率采用分段常数插值方法生成(图5)，其中丹江口坝下至襄阳段糙率为0.05，襄阳至余家湖段糙率为0.029，余家湖至宜城段糙率为0.05，宜城至皇庄段糙率为0.015，皇庄至沙洋段糙率为0.033，沙洋至汉川段糙率为0.015。

3.4.2 水质模块参数

降解系数是水质模块重要的率定参数[12]，表示污染物在水流的作用下衰减的快慢。查阅相关文献，并经过多次率定后，确定本研究水质模块CODMn的降解系数为0.045/d，氨氮的降解系数为0.062/d，TP的降解系数为0.042/d。

4 模型验证

4.1 水动力模型验证

在模型的验证中，通常采用2个目标函数来衡量模型结果，即绝对平均误差(AME)和均方根误差(RMSE)：

图5 底床糙率分布

(1)

(2)

式(1)、(2)中，ai为实测值；bi为预测值；n为预测值个数。AME和RMSE值越接近0，说明模型模拟精度越高。

输入2014年7～12月份上下游断面水位流量和入汇支流流量作为初始条件和边界条件，得到各断面水位(图6)、流量模拟结果(图7)，并计算实测水位与模拟值的平均误差、绝对平均误差及均方根误差(表1)，实测流量与模拟值的平均相对误差(表2)。

综上可知，各断面水位验证结果较好，实测水位与模拟值变化过程拟合程度较高，平均误差均小于21 cm、绝对平均误差均小于0.213 cm、均方根误差均小于0.229，模拟精度较高；实测流量与模拟值变化过程拟合程度较高，流量平均相对误差均小于13.8%。说明该水动力模型能较好地模拟汉江中下游水动力学变化过程。

4.2 水质模型验证

输入水质模型的初始条件和边界条件，即可模拟得到汉江中下游水质监测断面的水质动态变化过程和污染物浓度模拟结果(图8～10)，并计算各监测断面污染物实测浓度与模拟值的平均相对误差(表3)。

由图8～10、表3可知，各水质监测断面CODMn实测值与模拟值平均相对误差在13.3%～22.3%之间，模拟值与实测值比较接近，在可接受范围内。氨氮实测值与模拟值平均相对误差在17.7%～29.7%之间，也在可接受范围内。然而TP实测值与模拟值平均相对误差在12.7%～44.3%之间，模拟值与实测值变化趋势相近、但相对误差稍大，其主要原因是水体中水环境因子变化复杂、相互影响，且目前大坝调度数据、排污口和支流数据未经完全统计，不能精确反映汉江中下游污染物浓度变化。总体而言，CODMn、氨氮和TP的误差整体在可控范围内，表明构建的水质模型能够较准确的模拟流域内CODMn、氨氮和TP的变化情况。

图6 各断面水位验证

图7 各断面流量验证

表1 各断面水位验证结果统计

表2 各断面流量验证结果统计

图8 襄阳站水质验证

图9 余家湖站水质验证

图10 仙桃站水质验证

表3 各断面水质验证结果统计

5 突发水污染事故对干流水质影响模拟研究

5.1 情景模拟

近年来，汉江中下游频频出现突发水污染事故，导致下游水质在短期内突然恶化，严重威胁沿江居民用水安全，制约生态平衡和社会经济的发展。假定余家湖段下游潜江市城北污水处理厂(112°52′23″E，30°28′26″N)入河排污口断面于模拟期内(2014年3月1日)突发水污染事故，污染物就近流入汉江，COD浓度为10000 mg/L，排放流量为0.2 m3/s，事故持续排放时间为1 d(3月1日0点至3月2日0点)，其余时间采用城镇污水处理厂一级A排放标准。模拟该河段突发水污染事故后需历时多久才会基本恢复事故前背景值(Ⅱ类水)[13～15]。

5.2 边界条件确定

5.2.1 流量设计

分别收集整理汉江中下游代表性断面(襄阳、余家湖、皇庄、仙桃)逐日流量和丹江口坝下逐月流量，并将其分别按10%、50%、90%水文频率设置大、中、小3种流量，进行水文频率配线，得到P-Ⅲ型曲线下的统计参数(表4)。根据水文分析结果，襄阳、余家湖、皇庄、仙桃断面均选择月最大流量P=10%时的计算值作为大流量设计值、均值流量P=50%时的计算值作为中流量设计值、最小流量P=90%时的计算值作为小流量设计值；丹江口坝下断面选择月均流量P=10%时的计算值作为大流量设计值、P=50%时的计算值作为中流量设计值、P=90%时的计算值作为小流量设计值。与前4个代表性断面相比，丹江口坝下断面大流量与中流量设计值偏小、而小流量设计值偏大的原因可能是丹江口水库蓄水运行调蓄，导致丹江口坝下流量过程均化，也可能是由于数据频率较低，样本数量不够，导致水文频率配线计算结果与实际存在偏差。

表4 各断面流量水文配线参数

5.2.2 水动力边界条件

襄阳、余家湖、皇庄、仙桃断面计算结果中，大、中、小流量设计值结果相差不大，选取襄阳断面的流量计算结果作为模拟工况的入流特征流量，即选择3926.63 m3/s为大流量设计值、816.05 m3/s为中流量设计值、387.23 m3/s为小流量设计值。另外由于丹江口坝下断面数据频率较低，水文频率配线计算结果与其它断面结果差异较大，为综合考虑各种工况，同时选取丹江口坝下P=10%时的计算值1787.68 m3/s为流量工况设计值，共计4种入流流量设计工况。

下游边界条件中由于缺少汉川断面流量数据，故采用仙桃断面流量与汉川断面水位进行拟合，首先将汉川日平均水位与仙桃日平均流量根据水位进行排序，将相同水位对应流量的平均值作为该水位对应的流量值，将水位与对应的流量进行对数拟合(图11)，水位(y)与流量(x)的关系为：y=4.5903In(x)-11.696，拟合的R2值为0.8967，计算工况下的汉川水位流量关系曲线见图12。

5.2.3 水质边界条件

模型模拟的水质指标主要为CODMn、氨氮和TP，考虑到汉江中下游干流各监测断面以这3个指标进行评价时结果较好，故选择多年监测结果中最高浓度即最不利情景作为模型计算工况中的入流水质浓度，故丹江口坝下断面CODMn取4 mg/L，氨氮取0.546 mg/L，TP取0.06 mg/L。

图11 汉川水位与对应平均流量对数拟合结果

图12 计算工况下汉川水位流量关系曲线

5.3 污染物扩散影响研究

5.3.1 大流量设计值(Q=3926.63 m3/s)

此工况下，该突发事故并未对下游河道造成污染(图13)，突发事故刚发生时形成的污染带均为Ⅱ类水，其中有部分河段逐渐被稀释降解为Ⅰ类水。

图13 3月2日0点突发事故工况形成的污染带

5.3.2 中流量设计值(Q=816.05 m3/s)

此工况下，突发事故刚发生时形成的污染带下游部分河段被污染为Ⅲ类水(图14)，造成的污染并非很严重；随着水体流动，历经24 h后污染带范围向下游扩散(图15)，上游逐渐被稀释为Ⅱ类水；历经约55 h后污染带基本恢复到Ⅱ类水(图16)。

图14 3月2日0点突发事故工况形成的污染带

图15 突发事故24 h后形成的污染带

5.3.3 小流量设计值(Q=387.23 m3/s)

此工况下，突发事故刚发生时形成了显著的污染带，下游很长一段河道被污染为Ⅳ类水(图17)；随着水体流动，历经约71h后Ⅳ类水逐渐被稀释降解，还存在较长河段的Ⅲ类水(图18)；历经97h后所受污染河段基本恢复为Ⅱ类水(图19)。

图16 突发事故约55 h后形成的污染带

5.3.4 丹江口坝下断面P=10%时流量设计值(Q=1787.68 m3/s)

此工况下，该突发事故并未对河段造成污染(图20)，与大流量设计值时效果一致，突发事故刚发生时形成的污染带水质均满足Ⅱ类水，并有部分河道逐渐被稀释降解为Ⅰ类水。

图17 3月2日0点突发事故工况形成的污染带

图18 突发事故约71 h后形成的污染带

图19 突发事故97 h后形成的污染带

5.3.5 小结

当流量设计值取3926.63 m3/s和1787.68 m3/s时，该突发事故下游河道仍为Ⅱ类水，可见并未对下游河道造成污染；当流量设计值取816.05 m3/s时，该突发事故下游部分河段被污染为Ⅲ类水，并历经约55 h后该突发事故下游河道基本恢复到Ⅱ类水；当流量设计值取387.23 m3/s时，该突发事故工况下游很长一段河道被污染为Ⅳ类水，历经约71h后Ⅳ类水污染范围被稀释降解为Ⅲ类水，共计历经97 h后，污染带基本恢复到Ⅱ类水。