基于MIKE11的城市河网雨水径流污染模拟研究

王晨婉 李笑晋 （天津理工大学环境科学与安全工程学院 天津 300384)

张会 高丹 （山东省济南市排水管理服务中心 山东济南 250100)

雨水径流污染是城市河道水环境污染的重要因素。在降雨过程中，雨水及所形成的径流排入河流，对地表水乃至地下水造成污染。污染的发生具有随机性、污染物排放不确定性、污染负荷的时空差异性以及监测、控制、管理难度大等特点。目前，应用数学模型研究流体水量水质特性成为各种研究机构和管理部门的重要方式，通过建立河道污染数学模型，了解流体的紊动输移规律和污染物在水体中的输移扩散规律，从而进行合理的污染物浓度预测。我国在城市雨水径流污染模型研究方面己经取得了一定有价值的研究成果。[1，2]

本文旨在通过监测雨水径流及受纳水体的水量水质，基于河道模拟软件MIKE11，模拟河道水量水质的变化规律，探究建立排入雨水情况与受纳水体之间的内在关系。在此基础上，结合雨水水质水量，对降雨形成的污染物迁移扩散进行预测预报。该研究能够为水污染预测预警系统提供技术支撑，可提高城市主管部门应对辖区内水环境各类风险预警和水污染防治的科学决策能力。

1 研究河网概况

研究河网位于济南市老城区内，所在河系是一条南北向贯通的河道，上游为羊头峪东沟，中游为历山路边沟，下游为研究河网。上游羊头峪东沟起源于济南千佛山山脉，下游汇入小清河。研究河网现状河形比较规整，断面为矩形河床，全长为13.2km，河系汇水面积17.78km2。研究河网属于典型的城市河流，它是济南市中心城区主要排洪河道，近年来受河道侵占、棚盖及雨污混流的影响，河水流动性差，河道污染严重，行洪断面严重不足，防洪标准仅为20年一遇。[3]

研究河网由一条主干流及左右两条分支组成，如图1所示，主干流长约8400m，左支流长约2200m，右支流长约3000m。研究河网两侧居民区较多，排污口较多，水流动性差，且相对集中，非常具有代表性。

图1 研究河段的河网形状

2 研究河网水力水质模型（MIKE11）的建立

MIKE11是由DHI公司研究和开发的用于水体模拟的软件，并带有对流扩散、水质生态、泥沙传输、降雨径流、洪水预报、实时操作及溃坝模拟等模块。

2.1 水动力模型

2.1.1 HD水动力模型简介 河网水动力模拟的基本目的是提供河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息，并模拟泵站和闸门调度规则对河道水文条件的影响，为水质模型提供基础信息。水动力学模型采用的是MIKE11HD模型，[4]基本原理为圣维南方程组。其差分格式采用了六点中心隐式格式，数值计算采用传统的追赶法，即双扫算法。计算网格由水位点和流量点交叉组成，[5,6]圣维南方程组为：

式中：Q为流量；A为断面面积；q为旁侧入流；h为水深；C为谢才阻力系数；R为水力半径；α为动量系数，一般取值为1。

2.1.2 水动力模型的构建 根据实测的水文要素信息进行流域描述、河道断面形状定义、模型边界的水文数据输入及填加水工构筑物，完成水动力模型构建。首先依据现有地形图进行河网概化，其原则是能基本反映天然河网的水力特性，即概化后河网、湖泊的输水能力和调蓄能力与实际河网、湖泊相近或基本一致。[7]其次，定义河网断面文件，确定河道相关参数。本文中进行河道形状定义主要考虑以下因素：河道形状定义为梯形；参照资料文献定义河底高程。通过河网断面文件的输入，结合河网文件，完成模拟河网的物理形状。本文中河道形状较规则，坡度变化不大。河流初始条件和河床糙率n，也是水流数学模型中需要确定的参数。河床糙率主要反应了水流、泥沙、河道特性等多种因素的综合阻力作用，[8]依据相关参考文献，河网初始水深设为0.3m，由于河流底部比较均匀，设置糙率值（n）为0.025。再次，设定边界条件及模拟时间。结合研究河网的河道断面资料、2011年实测水文数据及相关研究资料，确定研究河网的水位与流量。设定模拟时间为24h，其中排放雨水前模拟时间9h，排放雨水模拟时间2h，排放雨水后模拟时间13h。时间步长为1min，即每分钟记录一次模拟结果。到此就完成水动力模拟文件的输入。最后，结合模拟结果及实地监测数据，确定并调整水动力模型的参数值，完成水动力模型的构建。

2.1.3 水动力模拟结果 水动力模拟结果可以观察河网水位流量、断面水位等水力参数的变化情况。图2和图3分别为研究河网的水位和流量动态模拟结果。

图2 研究河网水位动态模拟

图3 研究河网流量动态模拟

图4为研究河网某一时刻的纵截面水位图，蓝绿色部分代表河道此刻的水位情况，红色间断线表示模拟区间水位最大值。研究河网流量较稳定，因此水位模拟结果随时间变化不大，蓝绿色部分的最大值与红色间断线的距离很近。

图4 研究河网主干流水位动态模拟

2.2 水质模型的构建

2.2.1 AD水质模型的简介 MIKE11AD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为模拟水质指标浓度；D为扩散系数；Q为流量；A为断面面积；K为综合衰减系数；C2为源汇项浓度；q为旁侧入流。

水质方程中需要确定的参数有两个：扩散系数D和综合衰减系数K。

2.2.2 水质模型建立 扩散系数D是反应河流纵向混合特性的重要参数，它主要受水流条件、断面特征及河道形态等因素的影响，这里采用经验值5m2/s。

污染物综合衰减系数K是对污染物在水体中物理、化学和生化反应过程的一个综合描述，包括了河道自净、沉降及吸附等复杂的反应过程。本文中分别在黄台南路边沟西口南岸、柳行河中断四号桥北河西侧、南全福大街、柳行河北头一号桥北河西侧这4个站点，进行表面取水的实测数据，运用DRB200反应器、分光光度计等仪器监测。依据实地监测数据，基于MIKE11软件的数学原理，确定COD的衰减系数为0.12/d，NH3-N的衰减系数为0.08/d。

2.2.3 水质模拟结果 将基于MIKE11模型的模拟结果与现场实测值进行对比。从图5、图6可以看出：随着研究河网主河道长度的增加，COD值和NH3-N值整体是呈缓慢下降的趋势，在主河道2400m和4000m左右COD值和NH3-N值骤然上升是由于左右支流汇入的缘故。模拟结果表明，模拟值与实测值基本吻合，可为河网水质模型和暴雨模拟计算提供准确的水质条件。

图5 研究河网的COD率定结果

图6 研究河网的NH3-N率定结果

3 暴雨模拟与分析

3.1 暴雨模拟

研究河网上游主河道西侧2400m处（胶济铁路南边）设有雨水排水口，该排水口建有雨水泵站，雨水排放量较大。本文针对夏季暴雨模拟研究河网水量变化及污染物的迁移规律。模拟暴雨由上午9点开始历时2小时，至11时结束，基于MIKE 11软件构建的河网模型，预测暴雨事件造成的河道污染的危害范围、时间与程度。

3.2 模拟结果与分析

图7 研究河网主河道COD的变化情况，高线与低线分别代表河道拟时段内COD浓度最大值与最小值，中间线为模拟时刻的COD浓度情况

图8 研究河网主河道NH3-N的变化情况，高线与低线分别代表河道拟时段内NH3-N浓度最大值与最小值，中间线为模拟时刻的NH3-N浓度情况

由图7、图8可以看出：在降雨开始初期，雨水及所形成的径流流经城市地面等冲刷、聚集了一系列污染物，研究河网在雨水口处污染物急剧增加并向下游扩散达到纵坐标最高线，见图7（b）及图8（b）；在11:00降雨停止后，污染物继续向中下游扩散，研究河网主河道中下游的COD、NH3-N含量持续增加，见图7（c）与图8（c）；随着时间的推移和左右支流流量的汇入，由于河流本身的自净和纳污能力，研究河网中下游河道污染物的浓度逐渐下降，在15:00左右研究河网河道污染物浓度达到稳定，之后基本保持稳定，见图7（d）与图8（d）。模拟结果显示，暴雨结束4个小时后，暴雨引起的河网水质恶化影响逐渐消除，河网水质恢复到暴雨前的状态。

4 结语

本文根据研究河网实测资料与历史数据，基于MIKE11软件构建了河流水动力与主要水质指标COD、NH3-N迁移规律模型；并利用实测数据对模型进行率定和验证，模拟值和实测值吻合良好，该模型能够准确模拟研究河网水量水质情况。

在模型基础上，进一步模拟城市暴雨对研究河网河道的影响规律，模型结果显示：受降雨影响河道水环境质量恶化，相关水质指标剧增，在位于胶济铁路南边河西侧的雨水口处，NH3-N值由 1.3mg/L增加到最高达 4.4mg/L，COD值由21mg/L增加到最高达46.2mg/L，由于前期雨水的污染物含量较大，因此排入河网雨水后，河网污染物的含量迅速增高；后期雨水带来的污染物较少，此刻河网整体的污染物浓度逐渐降低，暴雨影响持续4个小时之后，在河道自净作用下水质质量恢复正常；模拟结果与实测值相符。该模型能够用于降雨径流对研究河网水量水质影响的预测。

城市水环境系统预测是城市水环境管理的重要手段和决策依据，它是利用先进的信息技术，建立城市河道信息发布系统和应急处置体系，以有效支撑城市水环境的科学保护。针对突发的暴雨，预测的时间越短，就越能提高应急处置的主动性和及时性，减少灾害损失。此外，河道水环境预测河道水污染控制系统规划、系统分析、截流前期雨水方案制定及河网污染控制管理具有重要意义。■

[1]刘俊勇，张云，崔树彬.东江三角洲水环境综合模型及其应用研究[J].人民珠江，2008（6）:4-8.

[2]马铁民.松花江水质模型简介[J].东北水利水电，2007，25（9）：48-51.

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[4]梁彬锐.MIKE11模型在沙井河片区防洪排涝工程中的应用[J].中国农村水利水电，2008（7）:81-83.

[5]王领元.丹麦MIKE11水动力模块在河网模拟计算中的应用研究[J].中国水运（学术版），2007，7（2）：106-107.

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[8]李吉学，汪中华.MIKE11在入河排污口设置研究中的应用[A].中国水利学会.中国水利学会2010学术年会论文集（上册）[C].郑州：黄河水利出版社，2010.