M IKE11 在引清调水效果分析中应用

2014-03-22 08:30杜娟

杜娟

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

杜娟

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

为改善安徽省颍上县新城水系河网水质，在分析外围水系条件的基础上制定了颍上县水资源引清调度方案，并利用 M IKE11 作为计算平台，构建了颍上县河网水动力水质模型。模型计算结果表明，引清调度方案在一定程度上可以改善河网水质。

引清调水；M IKE11；改善水质；安徽颍上县

由于城市化快速扩张，工业化进程加快等因素，城市河网水体受到污染，加上水体流动性较差，河道出现了季节性或常年性的黑臭。下文通过安徽省颍上县的设计实例，利用 M IKE11 计算软件，结合污染负荷预测计算，评估规划方案改善规划区水系水质的作用等问题。

1 项目区概况

颍上县隶属阜阳市管辖，位于安徽省西北部，淮河中游北岸，总面积 1 859 km2。颍上县境内河湖众多，主要河流有淮河、颍河、西淝河和小润河等。淮河是县域南部界河，在颍上县境内长 98 km，县域内主要支流有颍河、西淝河等。

颍河是淮河的最大支流，由北向南从县域中部穿过，发源于河南省西部伏牛山脉，地跨豫、皖两省，河道全长 619 km，流域总面积 36 651 km2。颍河自界首进入安徽省境内，并流经阜阳市的界首、太和、阜阳、颍上等县市，于沫河口入淮河，安徽省境内河道长约 207 km，其中颍上县境内长约103 km。

利用颍上闸上蓄水水位较高，与闸下水位以及规划区水系常水位有一定落差的有利条件，引水入城加强水体流动。引水水源为颍河闸上颍河来水，考虑到五里湖大沟的水质保护要求以及水动力条件，排水方向为颍河闸下。

水体流动总体方案为“北引南排”，即河西片从颍上闸上通过新建的五里井闸引水，从许庙站及曹沟涵排水；河东片从新长林排灌站引水进城，通过五里沟排涝涵及五里沟排涝站排水。

通过可引水量分析，常规引水流量为 7 m3/s，河西片引水流量为 5 m3/s，河东片为 2 m3/s。

3.1 水动力水质模型

采用水量水质耦合模型分析计算规划方案对改善水体流动性、缩短水体置换周期、提高水环境质量的作用和效果。模型采用丹麦国家水力学研究所开发的一维非恒定流水动力与水质计算软件M IKE11 为建模平台，应用的计算模块包括水动力（HD）模块、对流扩散（AD）模块、控制建筑物模拟（SO）模块等。

1）水动力模型

描述水流在明渠中运动的一维非恒定流基本方程是圣维南方程组，包括式（1）质量方程与式（2）动量方程：

质量方程：

式中：t，x——时、空变量；Z，Q，U——分别是各断面的水位，m，流量，m3/s，流速，m/s；A，B，R——分别是各断面的过水断面面积，m2，水面宽，m；水力半径，m；q——单位河长的均匀旁侧入流；n——河道糙率系数；g——重力加速度，9.8 m/s2。

圣维南方程是二元一阶拟线性双曲型偏微分方程，无法通过解析法精确求得计算结果，采用Abbott六点隐式差分格式离散偏微分方程组，并补充定解条件推求近似结果。采用 M IKE11 水动力（HD）模块、控制建筑物模拟（SO）模块搭建水动力模型。

2）水质模型

规划范围水系水深相对较浅，污染物质分布在断面上较为均匀，因此选用一维非稳态水质模型。城市地区主要为生活污水及工业废水排放污染，内河主要污染物质为有机物，因此水质指标选用 COD 和 NH3-N 进行分析。

污染物质在水中的分布与浓度主要与自身的降解、随水流的运动以及污染物的扩散相关，水质过程符合一阶动力反应式，水质过程的控制方程

式中：C——某种水质指标（如 COD）的浓度，mg/L；A——断面面积，m2；Q——断面流量，m3/s；EX——纵向扩散系数，m2/s；K——生物降解系数，d-1；C2——外部汇入同种污染物质的浓度，mg/L；q——附带该污染物质的旁侧入流流量，m3/s。

该方程为偏微分方程，依附于水动力方程组采用 6 点隐差分格式进行数值求解，应用 M ike 11软件AD模块作为计算平台。

3.2 河网概化

河网概化遵循突出主干河道，使概化后河网的河道容积与实际河道容积基本上保持一致，河道断面过流能力、控制建筑物规模及调度情况与实际情况相一致的原则。

规划范围内共概化河道 85 条（段），总长100.85 km，河网概化密度 1.26 km/km2，概化湖泊 3 处，没有概化的水面通过附加蓄水容积反应在计算河网中。概化控制建筑物 26处。概化后模型共有水位计算节点 170 个，流量计算节点 85 个。

根据近远期水体流动方案，根据污染负荷预测，分别计算近远期引清调水后内河水系各代表断面水质改善情况，并进行统计分析。见表 1和图1，2。

表1 各代表断面水质改善效果统计表

图1 引调水方案各代表断面 COD 变化过程线

1）利用感潮河网模型软件对颍上县城区河道进行河网概化，构建了一维河网水动力水质模型。

2）通过计算引水 7 d 后规划范围水系水质同样有较大改善，各代表断面的 COD 和 NH3-N 指标基本可达 IV 类水质标准，满足颍上县城区内河水系水质控制目标。

动量方程：

TV67

1002－0624（2014）07－0004－02