基于MIKE模型的蔷薇河流域水系连通方案研究

徐乔婷，程 健，强 超，严春华

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

1 研究区概况

蔷薇河位于江苏省连云港市中部，流域面积为1143.85 km2，属于沂沭泗水系沂北地区。蔷薇河全长97 km，多年平均水位为2.5 m，年径流量约6.7亿m3。

连云港市内蔷薇河截水河道主要为龙梁河、石安河和蔷北截水沟，其中龙梁河、石安河分别截去东海县西、中部50 m和18 m等高线以上的洪水；蔷北截水沟为规划沿5 m等高线的截水沟，又称淮沭新河，由于该工程未完全按规划实施，5～18 m等高线之间的洪水入蔷北截水沟后仍汇入蔷薇河，来水水质存在污染风险，同时市域范围内蔷薇河沿线工农业及生活污染形势严峻，严重影响连云港市区用水安全。

2 模型建立

通过构建研究区域一维水动力水质数学模型，寻求蔷薇河流域合理的水系连通方案，解决水质安全问题。采用丹麦水力研究所(DHI)开发的MIKE系列软件，应用降雨径流(NAM)、水动力(HD)及对流扩散模块(AD)耦合构建流域水文、水动力及水质数学模型并进行方案设计。

NAM模型模拟流域内的降雨径流过程，产生的径流作为旁侧入流进入到HD模型的河网中，AD模块以HD模块的计算结果为基础，主要用于模拟可溶性物质和悬浮性物质在水体中的对流扩散过程。MIKE11模型能够很好地模拟水生态和水流环境，友好的人机界面和高度的可视化使其得到了广泛应用[1-6]。

2.1 模型构建

蔷薇河流域北至新沭河、南至蔷薇河枢纽、西至石安河、东至蔷薇河，河网主要概化为石安河、新沭河、蔷薇河、民主河、马河、蔷北截水沟、鲁兰河、白鲁干渠、乌龙河、磨山河共计10条河道。见图1。

图1 河网概化

2.1.2 工程调度规则概化

根据《三洋港挡潮闸调度方案》《临洪管理处工程控制运用及调度方案》，本次东站自排闸闸上控制水位2.5 m，临洪闸、乌龙河自排闸闸上控制水位2.0 m，当闸上水位高于控制水位，且闸上水位高于闸下水位，开闸排涝，否则关闸；当东站自排闸、乌龙河调度闸闸上水位高于3.0 m，且闸上水位低于闸下水位不能自排时，分别开启临洪东站、西站。

2.1.3 污染源概化

基于2011年全省污染源普查结果，并于2017年核实各数据资料，蔷薇河流域污染源主要有工业污染、城镇生活污染以及农村面源污染，主要污染物为COD，因此本研究区域污染物质主要考虑COD，其他河网污染物质不做详细模拟。工业污染主要是点源污染，依据企业排污口的位置将排污量、污染物浓度等进行概化并加入河网相应位置；城镇、农村面源污染根据社会经济调查资料并参照研究区土地利用图进行概化并加入各河段，采用完全混合模型进行分析计算。

2.2 模型率定

2.2.1 定解条件和参数选取

(1)定解条件。 一维河网水动力数学模型的定解条件包括初始条件和边界条件。

初始条件：河道蓄水控制水位均为1.5～1.8 m，本次河网初始水位为1.8 m，所有闸门处于全关状态。

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边界条件：上游边界取河道上游端点处流量过程；下游边界取外海潮位或设计潮型；内部边界利用实测或设计降雨过程，将水文计算的小区域产汇流计算成果耦合到一维河网水动力模型中。

(2)糙率选取。 本次根据沂北地区河道实际情况结合以往规划设计资料和经验值初步确定糙率，通过试算进行率定分析，确定新沭河段太平庄闸下滩面糙率取0.0350，泓道糙率为0.0225；其他区域骨干河道设计糙率取泓道为0.0225、滩面为0.0300。

2.2.2 水文参数获取

由于研究区域蔷薇河流域内各河道汇水范围出口无水文站点，缺少实测水位流量数据。本文采用水文比拟法，选取青口河黑林站上游流域(山东省境内)作为参证流域，黑林站作为流域出口，选取洙边、黑林、汪子头以及临沭等4站作为流域内降水代表站。以2015—2020年主汛期(6月1日—9月30日)作为率定时段。

除2018年外其余年份黑林站流量过程模拟值与实测值的吻合度较高，水文计算成果基本能反应黑林站以上流域降雨径流物理特性，满足计算要求。根据率定结果，将参证流域水文参数移植至蔷薇河流域各河道汇水范围降雨径流模型。

2.2.3 水动力参数率定

选取蔷薇河流域石梁河站、小许庄站、临洪闸站2017年7月17—30日逐日实测流量过程作为模型上边界，下边界采用连云港站实测潮位过程，区间汇流采用同期降雨、蒸发等实测数据资料，采用蔷薇河流域NAM降雨产汇流模型分别计算流域内各汇水区的产汇流过程，作为水动力模型区间汇流边界条件。

选用小许庄站、临洪闸站作为率定站点，对比分析率定站点实测和模拟水位，水位模拟对比结果见图2。

图2 蔷薇河2017年小许庄站、临洪闸实测值与计算值对比

根据对比结果最大水位差<0.1 m，水位涨落趋势一致，基本满足计算精度要求，参数设置合理，模型可以准确模拟蔷薇河流域洪水过程和水力计算。

2.2.4 水质模型率定

基于已通过率定和验证的水动力模型，选取2017年7月8日—8月5日为水质模型率定时段，采用同期水质监测数据作为边界条件以及率定站点的对比分析数据，率定水质模型的主要参数，分析结果见表1和图3。

表1 主要指标计算均值与实测均值对比

图3 各支流河口COD浓度计算值与实测值对比

根据表1和图3可知，蔷薇河干流COD的实测值与计算值变化趋势基本一致，均值相对误差<6%。整体来说水质模拟效果较好。存在部分误差的主要原因，一是降雨径流模拟存在偏差，二是面源污染难以定位。总体而言，蔷薇河流域主要水质指标实测与模拟值处于同一数量级，变化趋势基本一致，基本能够代表水质指标在河流中的对流扩散过程，能够达到研究要求。污染物降解系数取值为0.048/d。

3 方案拟定

为保证连云港市区饮用水源地的水质，进一步提升蔷薇河流域水质水环境，逐步实现水系结构的优化布局，依据流域现状，按照区域高低分排规划布局，根据蔷薇河饮用水源地水质保护要求以及现场查勘和沿线地形、水利工程等实际情况，拟定三种水系连通方案。具体方案拟定见表2。

表2 水系连通方案措施

4 水系连通方案对水质的影响分析

基于率定的研究区水动力水质耦合模型，选取2017年7月17—29日为研究时段，分析三种不同水系连通方案蔷薇河干流污染物浓度变化情况。海州水厂和茅口水厂为连云港市主要供给水厂，因此将其纳入重要评估节点。不同连通方案海州水厂和茅口水厂污染物浓度变化过程见图4，蔷薇河干流主要节点污染物平均浓度现值及减少值见表3。

表3 水系连通各方案COD污染物相对现状改善成果

图4 海州水厂、茅口水厂不同方案COD浓度变化过程

由模型计算结果可知，三个方案均能使蔷薇河干流主要污染物浓度有不同程度减小，其中方案一通过高桥河和叶荡大沟截取蔷北截水沟上游区域来水入鲁兰河，蔷北截水沟口以下河段水质有了一定的改善，污染物平均浓度减少超过20%。

方案二在方案一的基础上关闭民主河闸、马河闸，将民主河和马河上游区域来水调入蔷北截水沟再经鲁兰河外排，民主河口以下河段水质有了进一步改善，民主河口至蔷北截水沟口污染物平均浓度减少超过15%，蔷北截水沟口以下河段污染物平均浓度减少约40%，海州和茅口水厂取水口河段水质得到进一步改善。

方案三基于方案二，针对蔷薇河上游来水水质存在污染风险情况，在黄泥河与友谊河交汇处新建拦河堰引污水入蔷北截水沟，蔷薇河干流全线水质改善，民主河口以上河段污染物平均浓度减少超过10%，民主河口至蔷北截水沟口污染物平均浓度减少超过30%，蔷北截水沟口以下河段污染物平均浓度减少接近50%，海州和茅口水厂取水口河段水质进一步改善。

综上所述，各水系连通方案都使蔷薇河干流污染物浓度有了不同程度的减少，其中方案三对水质的改善效果最为明显，蔷薇河全线水质都得到提升，海州和茅口水厂取水口河段污染物浓度减少接近50%。

5 结 论

(1)研究构建了蔷薇河流域降雨径流-水动力-水质耦合模型，通过参数率定、模型验证，基本能够反映研究区水文水动力和水质物理特性，满足研究要求。

(2)蔷薇河流域的面源污染是连云港市饮用水源地的主要污染源，主要污染物为COD。实施不同水系连通方案均能使蔷薇河干流主要污染物浓度有不同程度减小，河道水质得到改善，方案三改善效果最为明显，能使连云港市区的饮用水源安全得到进一步保障，但具体方案实施还需分析研究蔷薇河流域防洪除涝要求。