基于MIKE11的调水引流改善平原河网水质方法

康译文

（同济大学土木工程学院，上海 200092）

1 研究区水环境

该文所选研究区位于我国海岸线中段，是浙江台州境内比较关键的河道水系，地形以平原为主，整体地势较为平坦。研究区内主要水系为金清水系，该水系位于温黄平原的东部和南部，流域面积1201.8km2，发源于温岭市、黄岩区交界的太湖山东麓，东行至大溪后进入平原河网地区，大概有1500 条河道。根据该区水环境功能划分方案可知，研究区一共可以分成21 个水功能区：8 个多功能区、6 个饮用水源区以及7 个其他功能区。根据该研究区统计年鉴的统计结果可知，水环境主要受生活、农业和工业废水的污染，各类污染物的入河量见表1。

表1 平原河网主要污染物入河量表

据调查报告显示，该研究区的21 个水功能区内有12 个水功能区存在严重污染，现状水质为Ⅴ~劣Ⅴ类水，水质达标率仅9.85%，已经影响了周围人民的日常生活，所以需要对该研究区内的水环境进行修复。

2 水环境模型建立与调水引流修复

2.1 建立MIKE11水环境模型

MIKE11[1]是一个可以模拟各类水体的专业工程软件，该文为了研究平原河网流域水环境修复技术，引入MIKE11 建立水环境模型[2]。先选取合适的MIKE11 子模块。MIKE11 软件主要包括水动力（HD）、溃坝（DB）、水质生态（Ecolab）以及污染负荷计算（Load）等众多功能模块，因此MIKE11不仅可以模拟河流的水力学、水环境等信息，还可以呈现河流在空间与时间上的水文特点。该文主要运用水动力（HD）、降雨径流（RR）以及水质对流扩散（AD）这3 个功能模块。其中，HD 主要用于模拟研究区内河道的水位流量等水文状态，求解河道水位流量是HD 模块的基本功能，其计算如公式（1）所示。

式中：B为河道边界入流的流量数据；S为河道过水断面的面积数据；Q为河道过流的流量数据；t为计算点的时间参数；k为计算点的空间坐标。

根据水动力条件，采用对流扩散方程对河流水环境中的悬浮性物（SS）和可溶性污染物质进行计算，其基本方程如公式（2）所示。

式中：u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。

RR 模块中包括众多板块，如NAM、UHM 等，但该文在研究中主要使用RR 模块中的NAM 板块来模拟降雨产汇流的过程。NAM 板块是一种概念性、集总式的模型，如图1 所示。该模型能够基于数据支持来简化和定量模拟流域内的降雨产汇流过程，描述斜坡流量、土壤流量、基底流量和土壤含水量的变化等。

图1 NAM 模拟水文过程

RR 模块中的NAM 板块是将降雨产流转化成地表流域的过程。用非线性模型表述研究区域的地表降雨汇流过程需要联立曼宁方程和连续方程求解，理论公式如公式（3）、公式（4）所示。

式中：L为河流宽度；n为曼宁系数；hp为地面水深；V为地表的集水量；A为地表面积；d为水的深度；i为降雨强度。

河床糙率是河道水动力计算的主要参数。为提高模型的水动力模拟精度，该文针对长河不同河段河道的水力特性，分别从上游河源头至下游入河口对自然与人工河道糙率，即曼宁系数水力参数进行率定。基于初始参数反复调参试算，尽可能使流量的模拟值接近实测值。率定期内，水量模拟值与实测值的平均相对误差满足要求，自然的河流取值一般为0.3~0.4。

AD 是基于HD 模块实现的，主要用于模拟河道水体中各类物质的运输流程，也可以结合MIKE11 的其他模块对水环境污染物的扩散系数进行率定，从而确保MIKE11 水环境模型的精度。AD 模块的对流扩散如公式（5）所示。

式中：D为水环境污染物的浓度数据；v为河道水流速度数据；η为水环境污染物的扩散系数；μ为水环境污染物的衰减系数。

MIKE11水环境模型的建立流程[3]如下：1）获取MIKE11水环境模型建立所需的数据和边界条件，其中所需各类水量、水环境数据均来源于该研究区内的水利部门统计年鉴，模型边界条件则根据河道监测数据来设定。2）建立MIKE11水环境模型。水环境模型主要由河网、断面、边界降雨以及水质参数等文件组成，其中MIKE11 水环境模型的HD 模块生成需要先将研究区域的流域底图备份文件作为平原河网底图，在该底图上描绘出研究区域内各河道走向，并对地图坐标进行修正处理，然后将各河段的名称更改为实际河道的名称，从而实现河道信息的录入，并形成河网文件。3）建立研究区域河段的断面文件。使用Update Markers 功能将河段断面信息进行标记，实现断面信息的录入，并形成断面文件。同时再建立研究区域内河段的时间序列与HD边界文件，二者可以确保MIKE11 水环境模型正常运行并且不会对模型精度产生影响。4）建立HD 参数文件与模拟文件，以保证MIKE11 水环境模型可以平稳启动。在参数文件中将初始水位设定在河底与河床高度之间，确保模型正常运行计算，并控制模拟文件的柯朗数在8 以下，这样才能缩短MIKE11 水环境模型的运行时间。5）生成MIKE11 水环境模型的AD 模块。先在HD 模块基础上确定研究区内河道的污染因子和污染物的扩散系数、衰减系数，然后结合初始条件与边界条件信息生成MIKE11 水环境模型的AD 模块。6）生成RR 模块。MIKE11 水环境模型的RR 模块需要参考研究区内气象监测资料来建立，根据气象数据计算出研究区内日降水量和蒸发量，将其作为模型输入参数，并将雨水径流汇入河道的面源COD 等物质当作稳态排放污染物，以此生成RR 模块。最后将上述生成的全部文件联立起来，从而生成最终完整的MIKE11 水环境模型。

2.2 调水引流修复

调水引流在稳定内河水环境、修复水环境面貌方面成效显著。为此，该文以现状条件为基准，同时设计了2 种调水引流方案，即低水引清和高水引清，均在科学引排调度基础上，通过改变河道水体流动条件来实现平原河网流域水环境的修复[4]。

2.2.1 低水引清

在平原河网水位适宜的基础上，充分发挥现有水利工程的优势，在河道包围圈外，沿着河道两侧泵闸开始抽水，将平原河网的水位降低至12cm 左右。同时将平原河网内各处闸门都打开，通过向外抽排降低河道水位差。在河道水体抽排过程中，可以使用集中泵排与分散泵排2 种排水方式，通过排水促进河道水体流通，从而达到水环境修复的目的[5]。

集中泵排：包围圈外围沿平原河网侧泵闸中，集中开启高位水闸门向平原河网排水，排水流量均为5m3/s，其他低位水闸门侧口门关闭。

分散泵排：包围圈外围沿平原河网侧泵闸中，分散开启高位水闸门向运河排水，其他低位平原河网侧口门关闭。

2.2.2 高水引清

高水引清需要结合平原河网引水流量的实际要求，发挥平原河网沿线泵站的导流功能，将优质水体引入河道。并运用河道外围泵闸将河道水位控制在设计范围内，以分散泵排或者泵排结合自流的形式将河道内水体排出，从而达到平原河网流域水环境修复的目的。

2.2.3 水环境修复程度定量分析

为了更直观地描述2 种调水引流方案修复平原河网流域水环境的效果，该文以水环境浓度改善率为评价指标，定量分析平原河网流域水环境修复程度，其计算如公式（6）所示。

式中：G为平原河网流域水环境浓度改善率；C1为调水引流前平原河网流域水环境浓度；C2为调水引流后平原河网流域水环境浓度。

利用G来评估平原河网流域水环境修复程度时，如果所求G值大于零，说明平原河网流域水环境浓度呈下降状态；反之，如果所求G值小于零，说明平原河网流域水环境浓度呈上升状态。

3 修复效果分析

3.1 不同方案氨氮浓度改善率对比

为研究上述2 种调水引流方案对平原河网流域水环境的修复效果，该文分别获取了引水天数为1d~12d 的平原河网氨氮浓度改善率的变化情况，如图2 所示。

图2 平原河网流域水环境浓度改善率对比图

由图2 可知，随着引水天数的增加，这2 种调水引流方案下的氨氮浓度改善率均呈上升状态。当引水天数由1d 增加至5d 时，采用高水引清方法的平原河网流域水环境改善率显著增加，从20%提升至63%。主要原因是高水引清方案通过抽引优质水源来增加平原河网水系内清水的流通量，从而使氨氮浓度改善率得到了明显提升。而采用低水引清方法的平原河网氨氮浓度改善率虽然有所增加，但仅从20%提升至41%，其增加幅度大大低于高水引清方法。由此可以说明，平原河网氨氮浓度改善率和引水期间内河道水体流通量之间存在直接联系。当引水天数由6d 增至12d 时，低水引清与高水引清这2 种调水引流方案下的平原河网氨氮浓度改善率均稳定在63%，说明这2 种方案均可以较好地实现预期活水效果，并获取有效的水环境修复效果。

3.2 不同河道氨氮浓度改善率对比

在上述研究基础上，该文还详细探讨研究区内同一调水引流方案对不同河道水环境的修复效果，调水引流方案采用高水引清方案，引水天数为7d，结果见表2。

表2 高水引清下不同河道氨氮浓度改善率对比表

由表2 可知，在同一调水引流方案中，不同河道的氨氮浓度改善率各不相同，但都会随着引水时间增加呈上升趋势，并且当引水天数为5d 时，氨氮浓度改善率达到峰值。

4 修复建议

4.1 污染物排放减量

综合考虑污染可控性、既有排污格局和技术经济可行性等因素，兼顾效率与公平，结合经济优化分配法和污染贡献分析法，合理分配允许排污量至子流域各行政区划或控制单元，充分利用河流水环境纳污能力，在确保目标断面水质达标的同时，有效提高河流水环境质量。

4.2 水资源优化配置

为了实现水量优化配置、水资源科学利用，可在对长河流域降水、水资源总量、可利用量、现状情况下流域内水资源开发利用情况等进行分析的基础上，结合当前水资源管理的法律、法规及当地水资源管理的“三条红线”相关要求，优先考虑节水和再生水利用。在此基础上结合流域径流、洪水特征、地形条件以及土地利用规划等情况，通过建设蓄水活水工程、闸坝工程以及调蓄型湿地工程等，最大程度地保证河道生态用水，改善河道水动力条件，并改善河流水质。

4.3 水生态环境修复

根据“因河制宜、生态优先、最小干预、有水为蓝、无水则绿”的原则，突出“以水为脉、以绿为韵”的理念，结合防洪与水质改善工程建设内容，可通过加入绿廊、湿地、生态河道构建及生物多样性、增加动植物种类和群落组成等设计手法，拓宽河道现有生境和植物群落，适度营造生物栖息空间，构建联系山体—河道—湿地的多元生态、通行脉络，发挥河道生态环境资源的特殊优势，构建让长河呈现“水丰、水活、水净、水美”状态的健康水系网络。

5 结语

该文针对平原河网流域水环境遭受重度污染的问题，综合考虑水文特征与经济成本，应用MIKE11 水环境模型的HD、AD 以及NAM 模块模拟平原河网流域水环境，并设计了低水引清与高水引清2 种调水引流方案来修复平原河网流域水环境。由于该文所选研究区的资料不足，MIKE11 水环境模型中模拟的降雨径流量与实际数据有一定差距，造成了不可避免的误差，为了取得更好的净水效果，今后将继续深入研究以弥补这方面的不足，使MIKE11 水环境模型更精准。