基于MAKE11模型的连云港市东部城区调水水质模拟

范兴业洪光雨张翠红 束德方

基于MAKE11模型的连云港市东部城区调水水质模拟

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东部城区是连云港市国际性海滨城市建设的主要区域，城区内现有水面面积较大，河道、水库等水体质量是当地水生态的关键因素，在水资源总量有限的条件下，研究如何通过水资源优化调度来改善水体水质，营造优美和谐的水生态环境，有重要的理论意义和应用价值。

一、研究区域概况

1.主要水体

连云港市东部城区研究区域范围总面积约90.35km2，常水位下水面面积约6.64km2，水面率约7.35%。区域内河道自南向北主要有东盐河、排淡河、大浦付河等7条河道，常水位水体面积约2.95km2；自西向东主要有开泰支河、开泰河、曹圩河等10条河道，常水位水体面积约为0.03km2；湖库水体胜利湖及周边水体面积3.40km2，昌圩湖水体面积0.26km2。现有主要水利工程有新城闸、西墅闸、元宝港闸、公兴港闸、大浦付闸等。

2.区域水体水质现状及调水情况

区域内排水实行雨污分流，工业及生活污水进污水处理厂达标处理后入海，不进入内河、湖泊。主要污染源为初期雨水过后带来的面源污染，大部分河库现状水质一般在Ⅲ-Ⅳ类水左右，主要超标项目为COD、NH3-N；排淡河、大浦付河等区域边界河道受区域外污水汇入影响，水质较差，一般在劣Ⅴ类，主要超标项目为COD、NH3-N、PHENOL。

东盐河经区域外的玉带河与市区饮用水源地蔷薇河相连，蔷薇河水质相对较好，现状条件下，可以从蔷薇河经东盐河调水补充区域内生态用水需求，但该调水线较长，容易受城区污水汇入的影响，且受其上游电厂闸规模及玉带河航运所限，调水需分时段进行，调水流量有限，不宜超过30m3/s。此外，该区域临近新沭河下游，三洋港挡潮闸投入使用后，三洋港闸上形成一平原水库，为该区域生态调水创造了良好条件，利用新沭河下游弃水可适当提高调水流量至50 m3/s。因此，可以在不同的水利工况下，研究从东盐河、从新沭河生态调水的不同效果，以制定出最佳的实施方案。

二、基于DHI-MAKE11模型的水体质量管控措施模拟

连云港东部城区河网较密，水动力复杂。本文利用DHI-MIKE11模型分析区域河网结构，设在研究区域水质恶化情况下，研究如何利用水利工程调水冲污，达到用水量最小、区域水体水质改善效果最佳的目标。

1.DHI-MIKE11简介

DHI-MIKE11水环境模型软件是丹麦水利研究院（Danish Hydraulic Institute，DHI）的水环境模拟综合软件。该软件可以通过MIKE11 HD（河网水动力模型）动态模拟河流及其水动力，通过MIKE11 SO（水工联合调度模型）自行定义操作规则来模拟闸、堰、泵等水工结构物的运行，通过MIKE11 AD（对流扩散模型）对污染物在河道中的对流和扩散进行计算、分析，模拟出区域水资源调度对河道水质的影响，从而帮助决策者制定最优的水利工程调度方案，实现改善区域河道水环境的目标。

2.研究方法

本文以COD为代表水质指标，假设区域内胜利湖、入海水道等主要水体初始水质为劣Ⅴ类（COD含量50mg/L），以东盐河、新沭河（COD含量20mg/L）为两个不同的调水水源，在不同的调水流量、不同的区域出水口（新城闸、西墅闸）条件下，研究提出区域水体水质得到有效改善（胜利湖及其周边水体COD含量降为30mg/L）时最优的工程与非工程措施。

3.模拟过程

（1）从东盐河调水，假设不同工况下的模拟成果

①设定不同出水口下的生态补水效果

假设从东盐河调水流量20m3/s，新城闸、西墅闸两个出水口同时排水，胜利湖及周边水体水质得到有效改善时，所需调水水量约1676万m3，在单开启西墅闸的情况下，所需调水水量约1237.7万m3。因此，根据模型分析成果，调水冲污时应只开西墅闸，对于新城闸闸上部分河段，待胜利湖及周边水体水质改善时，微开一下即可。

②设定不同入流量下的生态补水效果

假设由东盐河调水，设定不同的入流量，在单开启西墅闸的情况下，胜利湖及周边水体水质得到有效改善时，调水历时、所需水量见表1。根据模拟结果可知，小流量常态化调水对改善研究区域水质更为有利，但小流量冲污时间太长。

③改善水体质量的水利工程措施分析

A方案：设定东盐河调水流量20m3/s，只开西墅闸，根据模拟结果分析，玉竹河、昌圩河、玉竹河和程圩河连接河道为水动力死水区；大浦付河有一段盲河无法得到水力冲污；其他河道水动力良好、冲污效果较好。

B方案：根据A方案成果，在玉竹河与程圩河连接河道加1.0m3/s水泵，根据模拟结果分析，由于抽水从银珠河回流至程圩河，玉竹河、昌圩河下段冲污效果仍然不佳。

C方案：根据A、B方案成果，在玉竹河与程圩河连接河道加1.0m3/s水泵，同时在银珠河入程圩河处加闸，其他条件不变，根据模拟结果分析，程圩河入排淡河口处极少部分冲污效果略显不佳，其他河道效果良好。

表1 单开启西墅闸情况下，不同入流量对应的水质改善所需时间、水量

表2 新沭河上段引水组合内部水利工程措施后，不同入流量对应的水质改善所需时间、水量

（2）从新沭河调水，不同引水工程生态补水效果分析

新沭河从大浦闸至三洋港挡潮闸长约12.5km，从何处引水可以取得区域内水体冲污的最佳效果需要研究，现假定从新沭河上段、中段、下段引水，分析其冲污效果。

①从新沭河上、中、下段引水冲污效果对比分析

A方案：从新沭河上段引水，在大浦闸北新建引水工程，设由新沭河调入20m3/s，只开西墅闸，在胜利湖及周边水体水质得到改善时，根据模型分析，与从东盐河调水的A方案相比，死水区增加了程圩河上段。新沭河上段现状没有引水口，该方案需在大浦闸北侧新建穿堤涵洞及穿大浦河排水专道地涵。

B方案：从新沭河中段公兴港闸引水，其他条件不变，根据模型分析，与从东盐河调水的A方案相比，死水区增加了曹圩河与曹圩湖及开泰河上部一部分，与新沭河上段调水相比，减少了程圩河上段死水区，增加了几乎整条曹圩河与曹圩湖及开泰河上部一部分水动力死水区，其冲污效果明显不如从新沭河上段引水。该方案需新建穿大浦河排水专道地涵。

C方案：从新沭河下段元宝港闸引水，其他条件不变，根据模型分析，与从东盐河调水的A方案相比，死水区增加了开泰河上部及墅港河上部，与新沭河上段调水相比，减少了程圩河上段死水区，增加了开泰河上部及墅港河上部，其冲污效果好于中段公兴港闸引水，不如从新沭河上段引水。该方案仍需新建穿大浦河排水专道地涵。

②从新沭河上段引水与区域内部水利工程措施的组合分析

根据已有研究结果可知，从新沭河引水，A方案引水效果最好，但研究区域仍有水动力死水区，需要增加水利工程措施来改善其水动力条件。假定在程圩河南口、连接河道、银珠河入程圩河处设2.0m3/s闸门，根据模型成果，区域内水体除墅港河中段有一少部分水质改善较差外，总体水体质量改善良好。

假定调水流量分别为 20 m3/s、50m3/s，在胜利湖及周边水体得到改善时，其不同入流量对应的水质改善所需时间、水量见表2，由此可见，该条件下，用水总量相差不大，入流量增大冲污时间大为减少，说明在新沭河水量丰富有弃水情况下可以用较大流量引水冲污，水体改善时间段、效果好。

三、研究成果

DHI-MAKE11水动力、水工联合调度及对流扩散模型研究结论如下：

（1）东部城区的水资源调度补充生态用水时，应只开西墅闸，对于新城闸闸上部分河段，待胜利湖及周边水体水质改善时，微开一下新城闸即可解决。

（2）大浦付河为区域水资源调度冲污盲河段，其水质改善措施建议采用水生动植物净化该河段水质。

（3）从东盐河调水冲污时（在水量水质满足的情况下），在玉竹河与程圩河连接河道加水泵，同时在银珠河入程圩河处加闸，区域水体质量改善效果较好。但是，受到调水流量、调水时间、调水线路长等因素的制约，该调水线路可靠性较低。

（4）在新沭河上段大浦闸北新建引水工程，在程圩河南口、连接河道、银珠河入程圩河处设置闸门，区域调水冲污效果最好（不考虑投资），用水量最小。小流量冲污相比大流量冲污用水量差别不大，在新沭河弃水量丰富的情况下，可以用较大流量引水冲污，可大幅度缩短水体质量改善时间

（作者单位：1.连云港市水利局222004 2.江苏省水文水资源勘测局连云港分局 222004）