基于MIKE 11 HD河道水质补水调度方案的应用研究

张 雪，余胜男

(深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广东 深圳 518020)

端午节赛龙舟是中华民族传统赛事，部分城市每年都会举办一次，而近年来，赛艇运动也越来越平民化，正逐渐走进百姓生活，成为民众的业余爱好，同时其比赛对塑造品牌效应、提升城市形象有极大帮助。赛龙舟及赛艇运动要求长、直赛道，随着各城市河道整治工程的实施，在河道中进行比赛已成为可能，因此，如何保障比赛期间河道的水量和水质则变得尤为重要。

由于中国赛艇协会拟在深圳市大沙河下游河口段举行赛艇比赛，为保证赛艇项目的顺利开展，需对深圳市大沙河进行补水调度，以提高河道水环境容量，改善河道水质，确保河道水质水量满足比赛要求。本文将以大沙河为实例进行研究，总结、提炼方法，为此类赛事的补水调度提供参考借鉴的理论依据。

1 计算原理和方法

结合流域内引、调、挡、壅水工程，建立大沙河的水动力模型；初步拟定几种补水方案作为模型输入边界条件，将模型模拟结果代入河道水环境容量公式，计算补水后河道各项水质指标含量；再基于模糊数学法，评价水质情况，从而确定补水方案的可行性。

1.1 河网水动力模型

MIKE 11 HD[1]的河网水动力模型[2]基于一维非恒定流圣维南方程组：

式中，t—时间坐标，s；x—空间坐标，m；A—过流断面面积，m2；Q—流量，m3/s；h—水位，m；q—旁侧入流流量，m3/s；C—谢才系数；R—水力半径，m；α—动量校正系数；g—重力加速度，m/s2。

1.2 水环境容量

水环境容量由两部分组成：稀释环境容量和自净环境容量。由于引水在河网内的停留时间较短，水体因自净改善水质的作用非常有限，稀释成为水资源调度改善河道水质最主要的机理之一[2]。

本文水资源调度污染物稀释研究的思路如下：

第1步，分析确定水资源调度区污染物的主要种类和主要污染物浓度水平，调查污染物排放总量(污水量q污，主要污染物浓度C污)；第2步，根据MIKE水动力模型模拟补水方案，确定河道的引补水量Q补、补水水质C补；第3步，确定现有流量Q现、水质本底浓度C现；第四步，忽略自净作用的前提下，假定沉淀可忽略不计，计算水资源调度后稀释水体的水质C，则C=(C污·q污+C现·Q现+C补·Q补)/(q污+Q现+Q补)

图1 水动力计算的河网概化图

1.3 模糊数学法

模糊数学法是计算水质综合评价指数方法之一[3]，它引用了模糊矩阵复合运算方法，先对各单项参数的隶属度进行评价，然后考虑各项参数在总体中的地位，配以适当的权重[4]，再用模糊概念进行推理，经过模糊矩阵复合运算[5]，得出综合评价结果。

2 实例应用

2.1 大沙河流域概况

大沙河为深圳湾水系入海河流，流域面积92.99km2，河长13.83km。上游建有西丽、长岭皮2座水库，控制集雨面积38.93km2；中游建有西丽再生水厂，设计规模5万m3/d；下游段为感潮河段，河口建有1座水闸。

2.2 河网概化

河网概化的基本原则是被概化后的河道能够反映天然河道的基本水力特性，Mike模型中通过输入河流走向、各横断面形式及河底高程，使得模型概化后的河道在输水能力上与实际的河道基本保持一致。本次计算上边界为长岭皮、西丽水库坝下，下边界为河口水闸下游100m处。

2.3 边界条件

本模型将研究河道共划分为2个计算河段，共456个断面，3个流量上边界(上游两水库下泄流量过程及中游西丽再生水厂排放水量)，1个水位下边界(潮位过程线[6])，考虑河道中游2座壅水堰，桥梁20座，河口处闸门1座，其成果能够满足本次计算要求。水动力计算的河网概化图如图1所示。

2.4 计算工况(补水方案)

根据大沙河河道周围水源情况，拟定大沙河补水主要有以下4个方案。

方案1：本次赛艇比赛位于大沙河河口感潮河段，因此可以利用河口潮汐变化通过水闸的调度对河道进行补水，在低潮时泄水、高潮时补水，当高潮补水达不到要求水位时，利用泵站抽取海水补充不足水量。

方案2：部分水量利用潮汐变化补海水，部分水量通过上游水库补水。

方案3：部分水量利用潮汐变化补海水，部分水量通过附近原水管和上游水库补水。

方案4：全部水量由上游水库补水。

2.5 计算参数

模型模拟效果好坏主要与模型参数取值是否合理有直接的关系。本研究建立的MIKE 11河道一维水动力模型关键参数为河道糙率，即曼宁系数。大沙河多年来分上游段和中下游段分段治理，目前全河段已治理完成。选取典型年1966年6月份的潮位作为现状水平年潮位变化，上游考虑两水库渗漏来水，利用现状河口处实测水位数据对模型参数进行调试，经调试计算，河道曼宁系数中上游段可取为0.035，下游段取为0.03时，河道各个断面水位过程模拟得较好，河口以上4km河道的水位为现状实测水位2.1m。结果如图2所示。

图2 水动力计算河道纵断面水位图

项目方案1方案2方案3方案4大潮小潮大潮小潮大潮小潮大潮小潮河道本底7.8810.927.8810.927.8810.927.8810.92补水水源水量/万m3海水43.4735.4221.7218.6811.158.11——原水————1010——再生水1.716.728.68.68.818.8110.149.46长岭皮水——14.8614.8615.2215.2235.0432.68补水时间8h12min1d8h16min41h17min41h17min42h17min42h17min48h40min45h24min

2.6 模型计算成果

利用潮汐变化的水位差，在低潮时泄水、高潮时补水，不足水量由各计算工况下补水水源及时补充，以河口处潮位、补水水源及为满足比赛达到的赛道2.1m水位要求为边界条件，通过模型可计算各工况下补水时间和各水源补水水量，模型计算成果见表1。以工况4为例可知，本次根据潮汐特征，分别选取1个大潮和1个小潮进行模拟，大潮情况再生水补水量为10.14万m3，长岭皮水库补水量为35.04万m3，补水时间需48h40min，小潮情况再生水补水量为9.46万m3，长岭皮水库补水量为32.68万m3，补水时间需45h24min。

2.7 稀释水体水质指标计算

河道水质本底值、再生水及长岭皮水库水采用实际水质检测值，结合水动力模型计算各补水方案的补水水量。以方案4为例，根据水环境容量计算方法计算不同潮型下河道补水后的水质各项指标值，成果见表2。

表2 稀释水体水质指标值计算成果表

2.8 模糊数学计算

根据GB3838- 2002《地表水环境质量标准的地表水水质分级标准》见表3。

表3 水质分级标准表 单位：mg/L

某项参数的隶属度，用线性函数表示，由此根据稀释水体水质指标数值计算其对应的隶属函数得出一个4×5的模糊关系矩阵：

根据分指数超标情况进行加权，超标越多，权重越大。根据公式计算出单项参数的权重值Wi，并为进行模糊运算，对各项参数的权重值进行归一化运算得出参数的权重Vi。可计算各参数指标的权重值，见表4。

表4 各项水质权重值计算表 单位：mg/L

然后进行模糊矩阵复合运算，该算法与普遍矩阵类似，只将矩阵乘法运算中的加号“+”改为“∨”，将乘号“·”改为“∧”。“∨”的意义为取加数中最大者为“和”，“∧”的意义为取相乘两数较小者为“积”，由此得到模糊矩阵的复合运算：

B大潮= [0.31 0.18 0.24 0.27]

=[0 0.24 0.31 0 0]

B小潮=[0.33 0.18 0.22 0.27]

=[0 0.22 0.33 0.22 0]

计算得到的矩阵B表示该水质的隶属度评价结果，经过归一化后，结果见表5。

表5 大小潮工况下方案4的水质隶属度分析表

由表5可见，按方案4补水后大沙河下游段的水质为地表水Ⅲ类。同理，另外3个方案的综合评价指标见表6。

表6 大小潮工况下其它方案的水质隶属度分析

由表5、6可知，方案1水质为V类，方案2、方案3水质为Ⅳ类，方案4水质为Ⅲ类，仅方案4能满足赛艇比赛对河道水质的要求，可采用此补水调度方案。

3 结语

在河道水动力模型基础上，利用模糊数学法计算河道水环境容量，并应用于实际赛艇比赛中，对补水效果进行评价，方法简便易行，可为此类赛事的补水调度提供参考借鉴作用。