MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用

俞云飞　赵文婧　李云霞　张　扬

MIKE11水动力水质耦合模型在北方某水源地治理工程的应用

俞云飞赵文婧李云霞张扬

针对近年来水源地周边污染源威胁到供水安全的问题，采用MIKE11模型软件建立水动力水质耦合模型，以我国北方某水源地为例进行了水质趋势变化模拟，并对治理方案实施后的效果进行了预测，为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。

水源地水动力水质模型应用

近年来，随着经济社会的快速发展、国家城镇化进程的进一步加快，城市水源地周边的环境问题日益严重，给供水水质安全带来较大的潜在威胁，水源地综合治理已经迫在眉睫。治理方案的规模及效果论证是工程论证的必要条件，目前，运用成熟的MIKE、QUAL和WASP综合水质数学模型软件已成为研究该类问题的主要手段。本文采用MIKE11模型建立水动力水质耦合模型并对水质污染问题进行预测，为论证实施的水源地综合整治措施有效可行提供技术支撑。

1　研究区域概况

本次重点研究我国北方重要水源地潘家口、大黑汀水库水源地 （以下简称 “潘、大水源地”），它是引滦工程的主体水源工程，担负着天津、唐山两市的城市生活及工农业生产用水，因此，保护好水库的水质，做好水污染防治工作，对津、唐两地人民的生产和生活具有深远的影响。水库位于河北省迁西县的滦河干流上，水源地地跨河北省兴隆、宽城、承德、迁西4县，控制流域面积33 700 km2，占滦河流域总面积的75% ，总库容为2 913亿m3，多年平均库容为24.5亿m3，为多年调节水库。水库以供水为主，兼顾防洪、发电、灌溉及养殖。汛期主要集中在6～9月，汛期水量占全年总水量的70%～80%。

2　水动力及水质模型构建

2.1模型原理

本次治理范围涉及自乌龙矶至潘家口大坝之间河道和库区、下池调蓄库区、下池坝下至大黑汀大坝之间下池库区，通过对库区区间进行分析和对潘、大水源地的水流特性分析的基础上，采用一维非恒定流水流模型 （Saint-Venant方程组），首先对河段水流进行模拟。描述河流一维非恒定流的基本控制方程如下：

水质控制方程如下：

式中，t为时间；x为距离；Q为流量；h为水位；C为谢才系数；A为过流断面面积；R为水力半径；q为旁侧单位长度入流流量；α为断面不均匀系数；c为物质组份的浓度；D为弥散 （扩散）系数；v为水流速度；K为物质组份的线性衰减系数；q为侧向流量；C2为源汇项浓度。

2.2河道概化

依据本次治理工程范围，按照相关河道概化基本原则，并根据河道所处位置及地形、地势、河势等具体情况对计算河道进行概化，确定本次模型计算起始点为乌龙矶断面，终点为大黑汀大坝。考虑到各支流的位置因素，本模型计算主要考虑支流为柳河、瀑河、洒河，作为旁侧入流参与河道的水力、水质计算，武烈河等支流已在乌龙矶以上河段汇入，不在计算区域范围内。

2.3模型边界条件的确定

本次模拟时段选取全年时段，模型计算起点为乌龙矶断面，该断面的水文测量的流量数据作为模型上边界，其输入逐日流量边界条件，其余支流作为点源入流考虑，即柳河、瀑河、洒河均作为点源汇入，监测代表断面分别为柳河石佛站、瀑河宽城站、洒河汉儿庄站。水质边界分别考虑点源分布、面源污染以及各支流的污染物贡献。

2.4模型参数的选取

水质模型的起止边界与水动力学模型的起止边界相同，本次计算预测水质指标为总磷、氨氮。本次计算河段剖分单元为500 m，计算时间步长为30 s。水动力的主要参数选取如下，曼宁系数取值为0.033。

考虑到TP、NH3-N的降解系数与水流的速度、温度、水深有密切关系，本次建模过程根据水深分别设置降解系数decay值， decay值设置情况详见表1。

表1　降解系数decay值设置表

2.5模型率定及验证

河道植被、坡降、河床地质、河道断面形式及河道上的建筑物等都会对河道流态产生影响，因而河道的概化以及参数的选定会影响到计算成果。在本次水动力计算模型率定计算过程中，根据河道河床情况，河道的糙率取值范围在0.033，验证特征点坝前断面实测值。模型率定资料采用2012年全年逐日数据。由于实测的水质序列数据较少，很难做到精确率定参数，通过率定结果分析看，TP、NH3-N模拟值与实测值总体上趋势基本一致，库区水位率定和验证结果见图1。

图1　库区模拟水位与实测水位对比图

3　治理工程实施效果预测

治理的工程措施主要包括入库水质净化处理、河口环境综合整治、库区废弃物处置工程、生态修复及小岛生态重建工程等部分，非工程措施主要包括水质监测及应急安全保障能力建设、水源地管理等。

对本次治理工程情景方案进行模拟预测，并对重点断面大黑汀库区治理前后水质数据进行对照分析，对照结果见图2。

图2　工程实施前后TP、NH3-N浓度对比图

从对照结果可以看出，工程措施对库区上游断面水质净化效果明显，该断面水质最大消解时刻值TP减少0.02 mg/L、NH3-N减少0.15 mg/L。

4　结语

（1）将MIKE11模型应用于我国北方水库水源地综合治理工程中，通过详实的水文资料和水质实测资料进行了参数率定与模型检验。模型在率定期和验证期的模拟结果均良好，所确定的参数基本能反映水库型水源地的水力特征和环境特点。

（2）应用MIKE11模型对水源地水质污染问题进行了研究，结果表明，入库支流治理工程以及生态修复工程治理效果较为明显，可使入库污染负荷实现较大幅度削减，特别是对NH3-N等污染物的削减效果显著，从而使水库富营养化趋势得到基本控制，使水源地水质得到一定程度改善。

（3）由于监测设施和管理的不完善，全时段水质数据的获取难度较大，以及面源、点源污染物的估算不准确，一些非法排污点未纳入计算范围，导致模拟值与实际值有一定偏差，建议在工程的下一步实施中通过补充断面水质监测以及污染源数据来更新模型。

［1］伍远康，卢卫，应聪惠，等.数值模拟在配水改善河道水质中的应用 ［J］.水文， 2006，31（3）：56-59.

俞云飞男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

赵文婧女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

张扬女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

李云霞女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

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