基于MIKE11模型构建的流域现状年水量水质模拟

张美英

（辽宁江海水利工程有限公司，沈阳 110003）

1 概述

浑河是辽河流域的一条支流，流向为从东北流向西南，经过抚顺市、沈阳市、辽阳市和鞍山市，河流总长415.5km，流域面积11480km2，在海城市附近，由三岔河和太子河汇合并汇入大回河，向南通过营口市，进入辽东湾［1］。浑河流域丘陵区占总流域面积65%，平原占总流域面积的35%，浑河是一个非对称水系，东侧支流密集，水量丰富，西侧支流较少，水量较少。浑河流域上游为山区，山地高程一般在410～850m之间，从中部到抚顺的地势呈逐渐上升趋势，与沈阳附近的辽河平原相连形成丘陵地区。

2 水质模型构建

MIKE11（AD）模型用于模拟浑河流域的水质，受数据、模型、技术等不确定因素限制，该模拟结果的准确性存在一定偏差。然而，从变化趋势看出，模拟结果可代表河流水质随时间和河段的变化特征［1］，结果可靠合理。

河段所在的浑太水系流经辽宁省中心城区，主要污染包括工业废水和生活污水排放［2］，因此，建立了一维点源污染水质模型用于河段研究。

2.1 水质模拟与参数率定

2.1.1 污染源概化

污染源概化是目前河网水质计算中相对复杂课题，基于排污口和污染物负荷的概化［2］，包括污水排放、排放浓度及污染物类型。根据环保部门提供的调查资料来看，浑河流域的大多数企业都位于抚顺市至沈阳市的区域内，使用集中式管道或沟渠对污染物进行排放，沿河小型排污口与相邻的大型排污口合并，形成29个排污口。

2.1.2 污染物特征确定

根据浑河流域沿线企业的产业结构，结合流域水污染防治现状，选择影响水功能区域的主要污染物计算水污染能力［2］。

据2015～2018年沿线各水质监测结果分析，浑河干流段水质污染已达重污染或重度污染水平，尤其沈阳下游区域污染最为严重，其COD平均浓度已达41.60mg/L，而枯水期COD平均浓度58.80mg/L，氨氮平均浓度5.89mg/L，而枯水期氨氮平均浓度可达15.70mg/L。根据地表水环境质量标准，其COD浓度、氨氮浓度均属于劣V类水质，是影响水质的主要污染物［2］，因而选择COD和氨氮代表水质有机物的容量［3］。

2.2 参数率定

MIKE11对流扩散模型的主要参数包括衰减系数和扩散系数，分别表示自净和稀释作用的大小［3］，使用常规水质监测站的监测值确定参数值。由于2015～2018年实测监测数据和水质水量监测数据的完整性和可靠性良好，做为选择水质参数的率定年。

2.2.1 扩散系数

扩散系数计算如式（1） ：

式中 D为扩散系数；a为扩散系数常数；b为扩散系数指数；u为流速（m/s）。

Fischer半经验公式对扩散系数的值进行分析率定，如式（2）：

式中 u为流速（m/s）；B为河宽（m）；H为水深（m）；I为坡降；u*为摩阻流速（m/s）。

从式（1）可知影响扩散系数的主要因素，其坡度I和河流宽度B是恒定的。由于上游来水量的不同，其流量和水深也随之变化，为了使其更接近实际情况，扩散系数常数a是按照不同时间段分开率定的［3］，并根据来水量的不同分别建立扩散系数极限，扩散系数指标值b恒定等于2，且恒定系数值a在上限和下限之间确定，同时，在AD参数设定时，河流D经验系数为5.0～20.0。

选择2018年水动力模型流速模拟结果进行计算，可得扩散系数如表1。

表1 2018年浑河扩散系数计算成果 单位：m2/s

2.2.2 衰减系数

衰减系数是计算水体水质吸收污染物能力的非常重要的参数［3］，与河流的水文要素状况密切相关，计算如式（3）：

式中 k为衰减系数（d-1）；u为河段平均流速（m/s）；x为上下断面的间距（km）。

由于污染物衰减的机理相对较复杂，衰减系数受河道多种因素的影响，变化较大，随机性也相对较大，很难获得反映真实河道水质污染物衰减的定量值［4］，因此，参考经验值，该模型仅模拟衰减系数的综成值。在水库中，水流几乎是处于静态的，其衰减特性与河流不同，因此，应分别对河流和水库设置衰减系数［5］。计算结果如表2。

表2 浑河衰减系数k率定结果 单位：（d-1）

2.2.3 模拟结果及合理性分析

由于监测数据以月为单位，故模型以月为单位进行输出，选取2018年抚顺、黄腊坨水质监测站拟合结果进行分析。率定期水质模拟的拟合情况如图1～图4。

图1 抚顺站氨氮模拟结果与实测值

图2 抚顺站COD模拟结果与实测值

图3 黄腊坨站氨氮模拟结果与实测值

图4 黄腊坨站COD模拟结果与实测值

由图1～图4可知，水质模拟结果与测量值之间仍然存在一定误差，汛期水质模拟精度高，而非汛期水质模拟精度相对较低，从水质模拟效果的总体趋势不难看出，非汛期特征水质污染物的浓度较高，汛期特征水质污染物浓度偏低，与季节性变化的实际河流水质相符，可代表河流污染物扩散和衰减的过程［5］，模拟效果是理想的。

3 现状年浑河水量水质模拟

3.1 现状年选取

统计大伙房水库1959～2018年天然来水量资料，并用皮尔逊III型曲线进行频率分析，2015年属于正常偏枯水年，水质监测资料齐全、排污口相关数据完整。将2015年作为现状年，数据具有代表性和时效性。

3.2 水动力模拟结果

将水量水质模型应用于现状年。以年径流量为目标值，将模拟值与实际监测值进行对比，结果如表3。

表3 浑河各测站年径流量 单位：亿m3

由表3可知，抚顺站、黄腊坨站、邢家窝棚站年径流总量误差分别为21.59%，4.06%，4.19%，模拟效果良好。绘制了2015年抚顺站、黄腊坨站、邢家窝棚站的实测月均流量和模拟流量结果对比图，如图5～图7。

图5 抚顺站实测径流与模拟结果

图6 黄腊坨站实测径流与模拟结果

图7 邢家窝棚站实测径流与模拟结果

图5～图7结果显示：

（1）抚顺站流量模拟值与实测值相差较大，但整体变化趋势趋于一致，4，5月份模拟结果较实测值明显偏高。分析可知，浑河闸上游5月份为农业供水，导致河道径流量偏小，由于资料所限，模型中并未加入农业供水取水口，导致模拟值偏高。

（2）黄腊坨、邢家窝棚站模拟结果与实际监测值整体趋势一致，由于闸坝模拟存在计算不稳定等因素致使结果有偏差，在已有监测数据的情况下，该模型的计算结果可进一步用于水质模拟［6］。

3.3 水质模拟结果

2015 年全年抚顺站特征污染物浓度模拟结果如图8，图9，可以看出水质整体模拟效果较理想。

图8 抚顺站氨氮模拟结果与实测值

图9 抚顺站COD模拟结果与实测值

由图8，图9可以看出，浑河干流特征污染物汛期浓度明显低于枯水期，可见河道径流量是制约枯水期水质提高的重要原因［7-8］； 抚顺站与邢家窝棚站COD浓度高于其他区间，沈阳站和邢家窝棚站氨氮浓度高于其他区间，这与沈抚区间聚集大量排污口有关，致使该区段及其下游水质级别逐渐下降。

4 结语

（1）进一步完善建立浑河水动力水质模型，最终整合成浑太流域河流水系水质及水利工程数值模型［9］。

（2）分析水库现行调度运行方案特点，在防洪安全保障基础上，提出水库运用方式调整方案，在满足社会经济发展用水要求基础上，研究增加或调整下泄生态环境用水的调度运行方式［10］，制定基于农业供水耦合与考虑生态环境改善的浑太河流域水质水量联合调度方案。