MIKE11在河流环境需水量估算中的应用

李璜，颜剑波，张德见，李翔

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙 410014)

MIKE11在河流环境需水量估算中的应用

李璜，颜剑波，张德见，李翔

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙 410014)

在对7Q10法、90%保证率最枯月平均流量法、10年最枯月平均流量法、环境功能设定法、稳态水质模型法和数学模型法等常用的环境需水量计算方法的内涵、优缺点及适用性进行比较的基础上，推荐数学模型法作为资料条件较好河流环境需水量的计算方法。结合具体工程案例，采用MIKE11水质模型对某水利工程下游河段的环境需水量进行了计算。总结了采用数学模型法计算河流环境需水量的方法、步骤和注意事项，以期对于类似工程的环境需水量计算提供借鉴和参考。

MIKE11；水电工程；环境需水量计算；数值模型法

水电工程特别是一些调节性能较好的大中型水电工程，由于水库运行对天然径流的调节作用较大，工程下游河道在某些时段不可避免地存在一定程度的减水影响(与天然径流相比)。此外，一些水利工程或取水设施的建设，由于会从河流中取走部分流量，也会导致工程下游存在一定的减水问题。在评价这类水电工程或取用水工程对下游水环境影响时，往往需要论证分析下游基本的生态环境用水需求(亦称“生态流量”)。无论下游生态环境用水概念如何定义，从应用的角度维持河流水环境质量的最小稀疏净化水量(以下简称环境需水量)是河道基本生态环境用水需求之一[1-2]。目前，针对河流水质计算已有相关规范进行规定，但针对河流环境需水量计算的规范尚未出台。尽管在一些文献及政策性的技术指南里推荐了一些环境需水量计算方法，但是实际应用中这些方法存在什么问题，是否有更实用的方法，目前国内相关的探讨研究还比较少。

1 常用方法的实用性分析

目前在一些文献及政策性的技术指南里推荐的计算河流环境需水量的方法有：7Q10法、90%保证率最枯月平均流量法、10年最枯月平均流量法、环境功能设定法、稳态水质模型法以及数学模型法等。这些方法可归纳为3类：水文统计法、环境水文学方法和水质模型法。各种方法的简介、优点、缺点及适用范围具体如表1所示。

表1 常用河流环境需水量计算方法特点一览表

水文统计法在实际应用中也经常用来估算河流生态需水(即维持河流生态系统基本稳定的最小流量)，用作河流环境需水量计算时，仅适用于一些污染负荷较小的河流，且该方法不能反映不同污染负荷条件下的稀疏净化用水需求，因此一般情况不宜采用此类方法。

环境功能设定法和稳定水质模型法都以计算河段全河段满足水环境功能目标为边界条件，其中环境功能设定法虽然既考虑了河流的水文特性，又考虑了水体的稀释净化功能，但未考虑水体对污染物的降解净化功能。此外，该方法通过分段计算再求和可能导致整条河流环境需水量偏大。图1(a)是环境功能设定法的计算方法示意图，假设工程下游某污染物初始浓度为C0，初始流量为Q0，在工程下游X1处有一污染源q0汇入，假设汇入断面污染物立即混合，混合后污染物浓度刚好满足水体环境功能目标限值，随着污染物降解，在X2处污染物浓度又降至C0，此时又有同样规模的污染源q0汇入，汇入后污染物浓度也刚好满足水体环境功能目标限值，X2之后无污染源汇入，污染物浓度持续降低至某一稳定值。如采用环境功能设定法，在X1、X2处将计算河流分成三段，则1段、2段、3段的环境需水量分别是0、Q0、Q0，各段计算结果求和之后是2Q0，实际上工程下泄Q0流量即可满足下游环境需水量。

稳态水质模型法实际上是从纳污量计算公式反向推演得来，通过分段计算取最大值的方法可能导致计算结果偏小。图1(b)是稳态水质模型法计算方法示意图，与图1(a)的区别仅是X1处污染源汇入后，污染物尚未降至初始浓度C0，X2处污染源即已汇入，导致有一段河道水质超标(CS+ΔC)。因此，如采用稳态水质模型法，各段计算结果取最大值是Q0，实际上此种情况环境需水量应是介于Q0和2Q0之间的一个流量。

图1 环境功能设定法和稳态水质模型法计算方法示意图Fig.1 Schematic diagram of environmental function model and steady water quality model method

数值模型计算法根据环境水力学的原理，建立水量、污染物和水质三者之间的响应关系，通过数值离散的方法建立工程下游计算河段的水质数学模型。通过连续变换数值模型的边界条件(下泄流量)，寻求满足某个或多个控制断面(关键断面)水质达标的流量，该流量即对应某特定工程的环境需水量。本文以水环境模拟软件MIKE 11的AD模块为例，说明采用数值模型法计算河流环境需水量的方法，同时提出关于MIKE11模型应用的相关建议。

2 MIKE11水质模型的概况

MIKE11是由丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的一维水模拟软件。MIKE11水动力模型(HD模块)是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维Saint-Venant方程，模拟结果为河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息。

MIKE11对流扩散模型(AD模块)根据HD模块计算获得的水动力条件，应用对流扩散方程计算污染物浓度。可以通过设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物质，所以可作为简单的水质模型使用。MIKE 11的一维水动力基本方程、对流扩散方程及其数值解法等，详情可参考文献[7]。

3 环境需水量估算的案例

3.1工程总体概况

南方地区拟建的某水库项目具有灌溉、供水及发电等综合功能，水库总库容1.17亿m3，坝址以上流域面积284 km2，坝址处多年平均流量11.59 m3/s。项目区水系图如图2所示。水库坝址位于J河中游，J河与S河汇合后为Z河，J河与S河集雨面积相当。J河坝址以下先后汇入三条支流。项目区水系水文基本情况如表2所示。

3.2工程周边环境

本项目位于山区，J河及S河流域范围内均无工矿企业分布，主要污染源为农村生活污染源和农业面源。水库下游J河主要接收两个乡镇(A镇、B镇)以及周边乡村居民生活污水，此外J河两侧分布有一定面积的农田，主要种植水稻。农田施用化肥以氮肥和磷肥为主。

表2 项目区水系水文基本情况

图2 某水库工程下游水系及污染源分布图Fig.2 Downstream water system and pollution source distribution map of a reservoir project

根据当地城乡发展规划及环保规划，到规划水平年，本水库项目已建成，A镇和B镇的生活用水均取自本水库。规划建设3座污水处理厂，对A镇、B镇及周边农村生活污水收集后集中处理，处理污水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准。3座污水处理厂的服务范围、处理规模及排放口位置及主要污染物排放标准如表3所示。工程下游J河两岸农业面源的估算结果如表4所示。根据当地水环境功能区划，J河及各支流现状水质及水质目标要求如表5所示。

表3 污水处理厂污染排放特征

注：因规划的B镇污水处理厂和河西污水处理厂排放口相距较近，表3中概化为同一位置。

表4 J河两岸农业面源的估算表

表5 J河及各支流现状水质及水质目标

3.3计算范围及控制断面选取

工程位于农村山区，水库运行可能影响的水系流域范围内主要为农村集镇生活污染源和农业面源，现状水系均满足水功能区划标准。主要的污染物为有机污染，选取COD、NH3-N、TP作为计算污染物因子。

J河坝址下游无水质敏感目标，根据J河坝址下游水系汇入情况，1#、2#、3#支流多年平均流量较小，S河和J河流量相当，因此选取计算范围为J河坝址下游至S河汇合处，长度约12 km。根据水功能区划，J河1#支流汇入口处为II类水体功能区的上边界，可设置1个计算断面。本案例中考虑到J河上游来水及1#支流来水水质均满足II类水质要求，区间无污染物排放，II类水功能区的上边界计算断面可取消。综合分析，仅选取J河流域出口为控制断面，为避开流域出口假定水位边界的影响，控制断面选定为流域出口以上1 km处。

3.4边界条件及主要参数确定

本工程计算边界条件如表6所示。J河现状水质监测在坝址处及J河流域出口分别布置了监测断面，具有连续3 d的水质监测数据，其中坝址断面观测了流量，J河流域出口观测了水位。本工程采用MIKE11 HD建立的水动力模型根据上游流量下游水位条件进行率定，主要参数糙率取0.04。采用MIKE11 AD建立的水质模型主要参数采用现状水质进行率定，计算污染物COD、NH3-N、TP的降解系数分别取0.03 l/d、0.02 l/d、0.01 l/d，扩散参数取5 m2/s。

3.5计算结果

根据计算结果，为满足J河流域出口COD、NH3-N、TP等水质因子达标，需下泄的流量分别为0.04 m3/s、0.1 m3/s、0.04 m3/s。综合分析，本工程的环境需水量对生态基流的要求为0.1 m3/s。

4 MIKE11模型应用的建议

本文采用DHI MIKE11 AD模块的水质模拟功能进行环境需水量计算，AD模块水质模拟基于对流扩散方程，模拟水体中溶解或悬浮物质的输运。不仅可以模拟保守物质，而且可以通过设定恒定的衰减系数来模拟非保守物质。由于MIKE11是一维模型，是基于污染物在横断面上均匀混合的假设条件，因此主要适合多年平均流量小于150 m3/s的中小型河流[5]。此外，对于一些峡谷型河道如我国西南地区河道，流量可能大于150 m3/s，但由于流速较大，污染物在横断面上很容易混合均匀，也可以采用一维模型计算。

MIKE11 AD模块主要的两个参数是扩散系数和衰减系数。扩散系数为混合扩散系数，包括分子扩散、紊动扩散、剪切离散等各种因素，可以利用保守物质进行率定。一般的经验值对于小溪为1～5 m2/s，河流为5～20 m2/s。

表6 本工程计算边界条件一览表

MIKE11 AD模块在对流扩散模块中仅模拟一级降解过程，模型中的衰减系数为综合降解系数，一般可以通过模拟区域内不同监测点的可降解物质浓度进行率定。如果没有实测数据做率定，可以参考相关文献中类似区域的污染物降解速率或通过实验得到。在类比其他河流污染因子衰减系数时，应主要类比河流在水温、流速、水质等方面的相似性，一般情况下水温越高、流速越大、水质越好，污染物衰减系数也越大。

5 小结

MIKE11水质模型是目前应用较多的水环境模型之一。本文结合具体工程案例，分析采用MIKE11计算某水库下游环境需水量的方法、步骤及注意事项。MIKE11本身并不复杂，但针对具体工程如何进行边界条件概化、模型参数如何获取等，则需要一定的工程经验。本文对于采用一维数值模型法开展河流环境需水量计算的工程实践具有指导意义和参考价值。

[1] 倪晋仁, 崔树彬, 李天宏, 等. 论河流生态环境需水[J]. 水利学报, 2002, 9(9): 14- 26.

[2] 王西琴, 刘昌明, 杨志峰. 河道最小环境需水量确定方法及其应用研究(Ⅰ)——理论[J]. 环境科学学报, 2001, 21(5): 544- 547.

[3] 国家环境保护总局环境工程评估中心. 水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南[A]. 2006.

[4] 城乡建设环境保护部. 制订地方水污染物排放标准的技术原则与方法：GB 3839—1983[S]. 北京: 中国标准出版社, 1983.

[5] 水利部. 水域纳污能力计算规程：GB 25173—2010[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010.

[6] 崔起, 于颖. 河道生态需水量计算方法综述[J]. 东北水利水电, 2008, 26(282): 44- 47.

[7] Danish Hydraulic Institute. MIKE11:a modeling system for rivers and channels, reference manual[R]. Copenhagen: DHI, 2007.

TheApplicationofMIKE11intheCalculationofRiverEnvironmentalWaterDemand

LI Huang, YAN Jian-bo, ZHANG De-jian, LI Xiang

(Powerchina ZhongNan Engineering Co., Ltd., Changsha 410014, China)

Based on the comparison of meaning, pros and cons, as well as applicability between several common calculation methods for river environmental water demand such as 7Q10 method, 90% minimum monthly average flow rate guaranteed method, 10-year minimum monthly average flow method, environmental function model, steady water quality model, and mathematical model method, finally the mathematical model method was recommended in this paper. Combined with a specific engineering project, MIKE11 water quality model was used to calculate the river environmental water demand of the lower reaches of a water conservancy project. This paper summarized the methods, steps and precautions of calculating the river environmental water demand by mathematical model method. The results of this paper provided a reference and had significance in the calculation of environmental water demand in other similar projects.

MIKE11; hydropower project; calculation of environmental water demand; mathematical model method

2017-08-17

李璜(1981—)，男，湖南郴州人，工程师，硕士，主要研究方向为水利水电工程环境保护，E-mail：5166357@qq.com

颜剑波(1984—)，男，湖南邵阳人，高级工程师，硕士，主要研究方向为水电水利工程环境保护，E-mail：691112653@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.004

X171.4

A

2095-6444(2017)06-0014-05