闸坝调控下的MIKE模型在水环境影响预测评价中的应用

杨道军，胡琦玉，佘雁翎

(南京大学环境规划设计研究院有限公司， 南京　210093)



闸坝调控下的MIKE模型在水环境影响预测评价中的应用

杨道军，胡琦玉，佘雁翎

(南京大学环境规划设计研究院有限公司， 南京210093)

摘要：闸控设施的存在，改变了天然河流的自然流态，闸控虽然在一定程度上提高了水资源利用效率，增强了洪水的调节能力，但从环保角度考虑，闸控却阻碍了水污染物正常的迁移扩散，并不利于污染物稀释降解。针对闸控上游的排污行为，现状情况下不能再以简单的湖泊模式或河流模式进行环境影响预测，应根据实际水文条件建立模型。本次针对江苏某污水处理厂拟设排口，设计了五种不同工况下的预测方案，并应用丹麦MIKE21建立模型进行模拟计算，结果表明拟设排污在不同工况下的影响范围和程度均不同，但总体来说影响均较小。

关键词：MIKE21模型；影响预测；闸坝调控

随着社会经济的发展，河流上修建各类闸控已经非常普遍，闸控设施的修建更多的是从水资源利用角度出发，发挥了兴利作用，但从环保角度考虑，由于阻隔了河水的天然流态，闸控可能会导致突发性的污染事故发生，近年来这类事故发生的频率越来越高，根据资料检索，淮河流域类似的事故发现已经多次。这种污染事件一般没有固定的排放方式，属于突然发生，短时间内的废水集中下泄对下游水环境质量造成较大影响。目前我国经济的增长方式还是相对粗犷，经济的增长伴随着废水排放的增加，废水的最终出路必然是天然水体，越来越多的废水排放与阻隔的、不利于污染物扩散河流形成了一对矛盾体，因此如何有效地预测预警这类排污行为对下游水环境的影响变得非常重要。我国早在1993年就已经颁布了《环境影响评价技术导则 地面水评价》(HJ/T 2.3—93)，该导则列举了有关一维、二维等水质预测模型。但是经过20多年的发展，这些模型已经不能完全适用现状的排污行为，比如由于河流上闸控的存在，该河流已经不是真正意义上的“河流”，在闸控的关闭期间，河流其实为狭长形的水库，并没有流量，该河流如果还利用导则推荐的模式预测水质则显得不合适，预测结果必然也不太符合实际。因此，为了客观预测闸控上游的排污行为对下游水质的影响，应建立与之相对应的模型，为主管部门决策提供依据[1- 3]。

1案例区域概况

太湖流域地处长江三角洲核心区域，经济发达、人口密集、城市集中，涉及江苏、浙江、上海和安徽三省一市，流域面积36 900 km2。太湖流域水环境问题日益突出，水污染事件时常发生，为了进一步加大太湖治理力度，国家发布了《太湖流域水环境综合治理总体方案》。为提高引江济太效率和效益，需对望虞河西岸实施有效控制。走马塘拓浚延伸工程是实现望虞河西岸控制，进一步扩大望虞河引江规模、改善引江入湖水质、提高太湖水环境容量的必要条件。该工程主要解决望虞河西岸控制后，引江济太期间西岸地区的排水出路，改善区域水环境，并改善区域航运条件。

走马塘拓浚延伸工程南自京杭运河起，利用沈渎港、走马塘、锡北运河拓浚，并从无锡境内的后庄东起穿过无锡境内，于常熟市王庄东北的张、虞二市交界止，基本沿着二市交界向东北方向延伸平地开河与七干河相接，再拓浚七干河入江，全长66.30 km。工程主要涉及无锡市锡山区、新区和苏州市的常熟市、张家港市。为调节走马塘的水位，建设走马塘江边枢纽工程，距离长江口约600 m。走马塘疏浚后其功能主要定位为排水通道。

2案例项目概况

江苏常熟新材料产业园位于常熟沿江产业带。园区规划总面积5.04 km2，其中一期规划面积2.97 km2，二期规划面积2.07 km2。园区以氟化工产业为主导，园区已引进美国、法国、日本、比利时、中国台湾、中国香港等国家和地区的50多家企业。

作为园区的基础配套设施——新材料产业园污水处理厂目前已建成，现状处理规模为1.0万t/d，污水处理规模不能满足发展需求，因此需要扩建，由于区域地理位置的特殊性，走马塘作为该地区的尾水排放通道，因此首选将排污口设置在走马塘上。

3模型建立

3.1　水动力水质二维数学模型建立

由于地表水导则推荐的模式较简单，不符合本次计算要求，因此考虑建立数学模型，数学模型已经不再需要手动编程技术，国际上已经有多款商业软件。目前较为流行的地表水商业软件有SMS、CEDAS、SWAN、MIKE、DELFT3D、EFDC等。其中MIKE系列软件在我国应用较广，该软件已经在一些大型工程中广泛应用，如长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调工程、重庆城市排污工程等。丹麦DHI公司开发的MIKE21数学模型属于平面二维表面流数学模型，可广泛地应用于潮汐、水流、风暴潮等二维水力学现象的研究。

(1)水动力模型基本方程及求解方法

①基本方程

对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，由于水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化比沿水平方向的变化要小得多，因此，将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组。其连续性方程、X和Y方向动量方程，可分别表示为：

式中，H为水深，H=h+ζ，其中ζ、h分别为水位和水深； p、q分别为x、y方向上的流通通量； c为谢才系数； g为重力加速度； f为科氏力系数； ρ为水的密度； W、Wx、Wy为风速及在x、y方向上的分量； fw为风阻力系数； τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量。

(2)水质模型基本方程及求解方法

①基本方程

水质方程是以质量平衡方程为基础的。由于三维水质输移方程包含很多不可确定的参数，在现有条件下，模型的验证存在困难，考虑到资料及模型计算工作量等因素，采用垂向平均的二维水质模型。二维水质输移方程为：

式中，Ci为污染物浓度； u、v为x、y方向上的流速分量； Ex、Ey为x、y方向上的扩散系数； Ki为污染物降解系数； Si为污染物底泥释放项。

②方程数值解

对每一时间步长的计算采用剖开算子法进行，具体分平流项、扩散项、源汇项对垂向二维水质模型进行求解。

平流项：求解n+1/3时刻中的值，差分格式如下：

式中，Uk为第k层上x方向的流速；Vk为第k层上y方向的流速；Ekx、Eky为第k层x方向和y方向的紊动扩散系数。

采用特征线法进行平流项的求解，将上式进一步分裂成：

扩散项：求解n+2/3时刻中的值，差分格式如下：

扩散项数值通常较小，采用显式求解。

源汇项：求解n+1时刻中的值，差分格式如下：

3.2　模型计算范围及网格划分

由于走马塘已经划定属于排放通道，再预测分析对走马塘的环境影响实际意义不大，因此重点考虑长江及其下游取水口水质预测。模型计算范围为长江(走马塘入江口处上游7.5km范围至下游15km范围)。由于在研究区域长江段内目前正在实施铁黄沙综合整治工程，因此，拟分别建立工程开展前、后研究区域的数学模型，以工程实施前所建模型以及实测数据开展相关水力参数的验证，以工程实施后所建模型开展区域水质预测。铁黄沙综合整治工程实施前、后研究区域模型网格概化及地形内插情况分别见图2、图3。

图2　铁黄沙综合整治工程实施前研究区域模型网格概化及地形内插图Fig.2　The regional model of grid of generalizability and terrain insetbefore Tiehuangsha comprehensive improvement poject

图3　铁黄沙综合整治工程实施后研究区域模型网格概化及地形内插图Fig.3　The regional model of grid of generalizability and terrain insetafter Tiehuangsha comprehensive improvement poject

3.3　边界条件

①水文边界条件

模型研究范围内长江下游段有两个潮位监测站，二干河十一圩闸下游和徐六泾水文站，上、下游边界分别以两个潮位站2010年枯季的水位实测值为边界。

②水质边界条件

以各边界的各类污染物的初始浓度为零，模拟计算拟建排污口分别在正常排放和非正常排放期间对长江的水质影响。同时考虑望虞河引水期间作为边界条件。

3.4　参数设置及模型验证

①参数设置

主要的水动力参数：涡粘函数为Smagorinsky亚格子尺度模型；Smagorinsky系数为0.28；曼宁系数M为34(n=1/M，铁黄沙工程实施前计算区域内模型概化网格数为11 415个，铁黄沙工程实施后计算区域内模型概化网格数为10 915个。

水质模块计算参数：纵向扩散系数Ex为33 m2/s；横向扩散系数Ey为0.5 m2/s；COD降解系数K为0.1 d-1；氨氮降解系数K为0.08 d-1；氟化物K为0。

②模型验证

根据上文建立的铁黄沙工程实施前研究区域内模型网格划分以及二维水动力水质模型，利用2010年望虞河闸(下游)潮位站逐日潮位资料，对2010年11月18日至11月20日一个潮周期的潮位计算值与实测值进行对比，验证模型的合理性，模型计算值与实测值对比见图4。

图4　望虞河闸(下游)模拟与实测水位对比图Fig.4　Comparison of simulated and measured downstreamwater level diagram of Wangyu lake dam

4模型应用

4.1　计算方案设计

根据与相关部门的咨询，目前走马塘江边闸尚未制定相应的调度方案，其启闭工作主要根据现场需要灵活制定。长江的潮汐类型呈不规则的半日潮,一般每日潮位二涨二落，闸门开启主要在长江落潮期。由于受走马塘江边闸的调控影响，从偏安全的角度出发，本次进行多计算方案预测。

方案一：正常工况下，考虑落潮期间江边闸门开启，从偏安全角度考虑，按江边闸的设计流量计算，取100 m3/s(在实际运行过程中，该流量仅出现在丰水期，在枯水期流量将远低于100 m3/s)，4 h后闸门内、外水位基本可持平。污染物浓度取污水处理厂排污水质与走马塘水体混合水质，预测此种工况下园区污水处理厂污水排放对长江水环境的影响。

方案二：该方案为假定方案，将排污口设在闸控下游位置，即通过长江口直接排入长江。排放水质取污水处理厂尾水设计排水水质。

方案三：与方案一类似，假定污水处理厂发生事故排放，预测此种工况下园区污水处理厂污水排放对长江水环境的影响。

方案四：与方案二类似，假定将排污口设在闸控下游位置，即通过长江口直接排入长江。排放水质取污水处理厂尾水事故排水水质(即污水处理厂接管水质)。

方案五：该方案亦为假定方案，此方案假定闸控设施在很长时间内未开闸(与淮河流域污染事故发生特点类似)，在突然开闸情况下，大量污水集中下泄。由于闸前聚集了大量尾水，因此排污水质取污水处理厂尾水水质。

表1　地表水环境预测方案一览表

4.2　保护目标分布

本项目研究区域，特别是走马塘入江口下游存在多个取水单位，见表2。

4.3　预测结果

经MIKE21软件计算，本次5个计算方案对下游保护目标的影响见表3。

表2　论证水域范围内保护目标基本情况统计表

表3　尾水排放对长江干流保护目标影响情况表

由预测结果分析可知，以COD为例，方案一对下游保护目标取水口的最大瞬时贡献值为0.038 mg/L，污染物贡献值占标率为2.5‰。方案二对下游保护目标取水口的贡献值为0.002 8 mg/L，污染物贡献值占标率为0.18‰。方案三对下游保护目标取水口的最大瞬时贡献值为0.04 mg/L，污染物贡献值占标率为2.67‰。方案四对下游保护目标取水口的贡献值为0.023 mg/L，污染物贡献值占标率为0.15‰。方案五对下游保护目标取水口的最大瞬时贡献值为0.13 mg/L，污染物贡献值占标率为8.6‰。

经MIKE21软件模拟预测，排污口分别设置在走马塘和长江口分析对比可知，排污口直接设置在长江上的方案对下游的影响相对较小，这主要是因为以尾水排放量作为入河量，相比长江的流量来说，0.347 m3/s的流量显得微不足道，污染物在很短时间内即可与长江水进行完全混合。排污口设置在走马塘上，由于受江边闸闸控的影响，污水在短时间内的集中下泄(最高可达100 m3/s)对长江下游保护目标的瞬时贡献值要稍大。

5结论

随着越来越多闸控设施的建成，在闸控的影响下河流水文情况发生了诸多变化。我国在20多年前颁布了相关导则，其中推荐的河流预测模式已经不能完全适应如今预测预警的需求，针对某个具体的排污行为，笔者建议应根据周边地形情况、水文特征等自行建模，目前市场上已经有众多商业软件集成了这方面的功能，在众多软件中，MIKE系列软件在我国应用极其广泛并被证明是有效的。本次针对某拟设排口通过MIKE21建模并经率定和验证。经预测可知，排污口设置在内河和长江上对下游的水环境影响是有一定区别的，主要体现在瞬时贡献值上，但是影响值均较小。本文从环境角度上考虑，仍建议排污口设置在走马塘上，一方面由于走马塘仍有一定的污染物降解能力，总体来说减少了污染物排入长江的量；另一方面在长江上设置排污口的技术和施工难度相对较大。需要强调闸控的主管单位要特别注意吸取淮河流域类似的经验教训，在丰水期避免河水短时间内的集中下泄，以免造成突发的环境污染事故，同时做好洪水预报工作，做到防洪排涝与环保互赢。

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Application of MIKE Model in the Water Environmental Impact

Assessment under Dam Regulation

YANG Dao-jun, HU Qi-yu, SHE Yan-ling

(Nanjing University Academy of Enviromental Planning&Design Co., Ltd., Nanjing 210093, China)

Abstract:Dam regulation facilities changing the natural flow regime of natural rivers.Those facilities imporve the utilization efficiency of water resources,and also the capacity of the flood regulation,but from the environmental perspective, those hinder the normal migration and diffusion of pollutants in water,and is harmful to the pollutant dilution degradation. Aiming at the upstream river of the discharge behavior. simple Lake mode or river model can not fit for The present situation in environmental impact prediction.It Should establish the model according to the actual hydrological conditions. In this paper, take a a sewage treatment plant of Jiangsu for example, Design of five kinds of different working conditions of the prediction scheme, and the application of Danish MIKE21 to establish the model to simulate, The results show that the ansatz sewage range and degree of influence in different conditions are different, But in general, impact is very small.

Key words:MIKE21 model; impact assessment; dam regulation

作者简介：杨道军(1982—)，男，安徽马鞍山人，硕士研究生，工程师，主要从事环境评价及水资源研究，E-mail： dyang@njuie.cn

收稿日期：2014-10-29

中图分类号：X820.3

文献标识码：A

文章编号：2095-6444(2015)01-0086-06

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.022