基于MIKE11的沈阳市南北运河水质水量调控模拟

李业辉，骆志伟

（1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.中国建筑第八工程局华南分公司，广东 广州 510730 ）

MIKE11由丹麦水利研究院（DHI）开发，所针对的河流、河口、灌渠等一维动态水质水量模型是世界各国河流模拟的主要标准工具[1]。平原地区的水文、水动力和水质特性复杂，国内外大多采用数学模型方法对平原河网水文水质进行模拟研究。如Doulgeris 等[2]应用MIKE11对Kerkini建模并提出水资源管理方案；马天海等[3]应用MIKE建立了水动力水质MIKE11耦合模型，较好地模拟了阳澄湖的河网水位水质情况；赵凯等[4]利用MIKE11建立了复州河流域水质水量耦合模型，并提出了综合改善方案。鉴于近年来南北运河水系的水生态系统发生巨大转变，河流水系作为城市内河河道干枯现象严重，河道淤泥堆积严重，水体混浊，水面有垃圾、水藻等漂浮物，水体富营养化严重，水生态系统急需得到改善[5]。对此，采用MIKE11软件构建了沈阳市南北运河一维水质水量调控耦合模型，同时采用实测资料对模型参数进行率定和验证，研究了一系列南北运河水质水量联合调控方案，并获得了有效结论。

1 南北运河水质水量耦合模型建立

选用MIKE11软件构建沈阳市南北运河水质水量耦合模型，模型包括水动力模块、降雨径流模块和对流扩散模块。模型以南北运河流域为计算单元，以流域降雨和上游闸坝放水量作为输入，通过一维水动力计算和对流扩散计算耦合模拟研究区域各断面流量、水位和水质等情况，实现整流域放水、支流汇流、流域降雨汇流到河道等情况的全过程模拟[6]。通过对模型中点源汇入和上游放水量情况的研究，制定了四种调控措施进行调控模拟，进而分析各方案对断面水质达标情况的影响，确定最终有效性方案。

1.1 模型原理

水动力模拟选用MIKE11一维河道水动力模块（HD），水质模拟选用对流扩散模块（AD），降雨汇流模拟选用RAM模块。一维水动力计算是采用Abbott-Ionescu六点有限差分格式对一维河流非恒定流计算过程（圣维南方程组）进行求解[7]，按照顺序交替计算方法在每一个计算点不同时间计算水位值和流量值。水动力计算公式见式（1）和式（2）：

式中：Q表示为断面的过流流量；A表示为过水断面的面积；x表示为沿水流方向的距离；t表示为水流流动的时间；q表示为河道单位长度的旁侧入流流量；z表示为断面的平均水位；n表示为曼宁系数；R表示为水力半径；vx表示为旁侧入流的流速在主流上的分量；Sf表示为摩阻坡降。

对流扩计算是根据对流扩散方程求解考虑污染物进入水体后的推流迁移、分散和转化衰减过程。对水体中的有机污染物、泥沙、溶解氧、盐分、无机物等溶解或者悬浮物进行时空分布情况的模拟[8]。降雨径流模块采用将产生的径流作为旁侧入流进入到MIKE11水动力模型的河网中，与HD模块耦合计算[9]。

MIKE11水质模拟部分采用MIKE11对流扩散模块-AD模块，该模块以水动力模块（HD）模块为基础，根据对流扩散方程求解考虑污染物进入水体后的推流迁移、分散和转化衰减过程。对水体中的有机污染物、泥沙、溶解氧、盐分、无机物等溶解或者悬浮物进行时空分布情况的模拟。在建立模型的过程中，需对边界条件中上下边界、点源排污口水质条件进行添加，同时进行水质参数、初始条件、纵向扩散系数和衰减系数的设置。目前在实际的研究过程中，很大部分物理规律变化模型的研究都可应用对流扩散方程组进行求解。

1.2控制方程：

式中：c表示污染物浓度（mg/L）；u表示为水流速度（m/s）；Ex表示离散系数；Kc表示综合衰减系数；S表示源汇项（如支流、排污口）。

1.3 参数率定及验证

模型参数的合理性直接决定模型计算的准确性，采用2017年1月1日～2017年12月31日分叉口和青年公园的流量和水位监测数据对水动力模型进行率定，采用上述率定两个点位2016年1月～2016年12月的实测流量和水位值进行验证，率定结果见表1、表2；采用2017年1月～2017年12月的南北运河水质实测月数据对构建模型参数进行率定，2016年1月～2017年12月的南北运河水质实测数据对构建模型进行验证，率定结果见表3、表 4。

表1 断面流量率定和验证

表2 断面水位率定和验证

表3 断面水质率定

表4 断面水质验证

水位平均绝对误差小于10 cm，流量平均相对误差小于5%，断面COD、NH3-N浓度平均相对误差均在10%以下，率定结果满足《水文情报预报规范（GB/T22482-2008）》中对断面流量、水位及污染物浓度的模拟要求，满足构建模型的合理性。

2 水质水量调控方案模拟

2.1 污染情况分析

根据沈阳市城乡建设委员会发布的黑臭水体分布图，南北运河均属于黑臭水体从河道上水质监测断面数据以及月度水质调查情况看，北运河上游整体水质情况较好，下游由于点源污染、降雨径流和生态补水不足等原因水质污染情况较为严重，COD为15.8～50.5 mg/L、NH3-N为0.4～3.5 mg/L。南运河受点源集中排污、降雨径流和生态缺水等影响，整体河段污染较为严重，COD为14.8～66.9 mg/L、NH3-N为0.5～4.1 mg/L。根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），沈阳市南北运河整体水质情况部分时间段超标严重，为劣V类水。按照《沈阳市水环境功能区划》，南北运河以农灌、景观功能定位，需执行地表水Ⅳ类水体标准。

2.2 调控模拟方案设计

（1）截污调控方案。所谓治标治本，截污调控是禁止一些未达标废水污水直接排入河内，从源头上得到有效的控制，势必会大大改善河流污染严重的现象。沈阳市南北运河为城市内河，河道两侧分布污染排污口众多，所以截污排污口是十分重要的，我们要以既治标又治本的出发点对沈阳市南北运河进行水污染的治理工作。现将南北运河沿线排污口全部做排污口截污处理，其他条件保持不变，进行截污调控模拟并进行预测。

（2）支流河达标调控。研究区域内存在支流河穿越城区汇入沈阳市南北运河的情况，支流河穿越城区变成污水沟，水环境遭受破坏十分严重，此情况下的支流河汇入沈阳市南北运河对河道干流水质情况冲击严重，因此改善支流河水质情况也是十分必要的。

（3）生态补水调控。上游鸟岛闸门放水水质较好，适当加大上游放水量可起到对河道污染物的稀释作用，有效降低了污染物的浓度，起到南北运河水质改善的目的。

本文将以上述的水量调控策略作为出发点，以现有的水质水量调控方式为调控背景，制定一系列不同的水质水量调控方案，其具体内容如下：

（1）现状基础上的水量调控方案：维持干流和支流的排污现状，仅以增大水库下泄流量来实现下游河道水质达标。

（2）截污基础上的水量调控方案：维持支流的排污现状，将南北运河干流排污口进行截流，结合水库下泄流量来实现下游河道的水质达标。

（3）支流达标基础上的水量调控方案：维持干流的排污现状，将支流河水质治理至地表水IV类水标准，结合上游闸坝下泄流量来实现下游河道的水质达标。

（4）截污和支流河达标基础上的水量调控方案：通过单一调控方案并不能完全达到污染负荷削减目标，现针对南北运河制定多调控措施联合调控方案，将干流排污口进行截留，并将支流河水质治理至地表水IV类水标准，结合上游闸坝下泄量来实现南北运河下游河道的水质达标。

2.2.1 现状基础上水量调控方案

通过利用上游闸坝进行合理调度调控，将上游较好水源引入水质较差河流，加快水体进行快速置换和自净能力，使原有水体水环境情况得到改善，是一种投资少、见效快且方便高效的河流生态修复技术。南北运河地区地势较为平缓，河流由东向西流速较慢，沿河道放水闸门放水流量较小，导致水体的自净能力下降。

现结合污染较为严重时间段和现行闸坝放水情况，根据闸门下泄流量限制最大值以及补水后水位高程等限制因素原则，制定加大北运河上游东塔进水闸和南运河上游东塔闸门放水量的模拟情景，具体模拟情景如下：

情景一：南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增加至5m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至15m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至10m³/s；东塔闸门三月日平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至9m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至4m³/s。

情景二：南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增至6m³/s，丰水期六至九月日平均下泄流量增加至17m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至12m³/s,；东塔闸门三月平均下泄流量增加至6m³/s，丰水期六至九月日平均下泄流量增加至10m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至5m³/s。

情景三：在现补水方案基础上，南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水每日下泄流量增加2m³/s，东塔闸门每日下泄流量增加1m³/s。

2.2.2 截污基础上水量调控方案

截污调控目前是公认的高效水环境治理的处理措施，所谓“治污先截污”，做到污水全收集、全处理，从源头上控制污染物排放直接进入河流，从而有效地改善河流河道的水质情况。通过对沈阳市南北运河上、中、下游五个断面的污染模拟分析，发现水质恶化的主要原因是点源污染，通过点源排放的高浓度COD和氨氮直接导致南北运河水生态环境变差。南北运河截污工程目前已开始进行，2018年沈阳加强对12条城区河流进行综合治理，通过清淤、截污、污染源治理、环境整治四大工程，全面提升河流水质，周边生态环境得以恢复。

采取对南北运河两岸沿线排污口进行截流以后，再制定南北运河上游闸坝水量调控方案，使干流断面水质达标。本文制定了以下方案：

南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至12m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m³/s；东塔闸门三月日平均下泄流量增加至3m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至5m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m³/s。

2.2.3 支流河达标基础上水量调控方案

研究区域内满堂河支流河穿越城区汇入沈阳市南北运河，该支流河水环境遭受破坏十分严重，此情况下的支流河汇入沈阳市南北运河对河道干流水质情况冲击严重，因此改善支流河水质情况也是十分必要的。采取对排污口进行截流以后，再制定大伙房水库水质水量调控方案，使干流断面水质达标。本文制定了以下方案：

南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增至6m³/s，丰水期六至九月日平均下泄流量增加至16m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至10m³/s,；东塔闸门三月平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期六至九月日平均下泄流量增加至8m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至4m³/s。

2.2.4 截污和支流河达标基础上水量调控方案

采取对南北运河两岸沿线排污口进行截流以后，再制定南北运河上游闸坝水量调控方案，使干流断面水质达标。本文制定了以下方案：南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m³/s；东塔闸门三月日平均下泄流量增加至3m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m³/s。

2.3 调控模拟方案比较

将各方案调控措施输入到所建立的模型中，计算得到各方案下的各断面水质水量情况结果，以丁香湖后断面为例，结果见表5和表6。

表5 各调控方案下丁香湖后断面各方案调控下COD变化情况

表6 各调控方案下丁香湖后断面各方案调控下NH3-N变化情况

由表5和表6可知，通过方案一进行调控，丁香湖后断面存在部分时间段不能达到地表水IV类水标准，但较未调控时水质得到了较好的改善；通过方案二进行调控，水质改善浮动较小，整体水质改善情况不如截污调控的效果；通过方案三进行调控，仍存在部分时间段水质情况不达标，整体水质改善效果不如截污调控的效果；通过方案四进行调控，北运河出水水质几乎可以达到地表水IV类水标准，南运河出水水质六、七月份存在某些时刻不能达到地表水Ⅳ类水要求，整体改善效果明显有效，断面水质达标率大幅提升。综合比较方案四综合调控方案调控效果最佳，COD对比浓度下降34.69%，NH3-N对比浓度下降45.63%。

目前沈阳市南北运河水质情况较差，通过在现状基础上进行补水调控方案，丁香湖后断面和龙王庙闸门前断面在部分月份均存在部分时间段不能达到地表水IV水标准，但较未调控时水质得到了较好的改善；通过截污基础上水量调控方案，水质改善浮动较大，整体水质改善情况较现状基础上水量调控方案大幅提升；通过支流河基础上水量调控方案，整体水质改善效果不如截污基础上水量调控方案的效果；通过截污和支流河达标基础上的水量调控方案，南北运河出水水质可以达到地表水IV类水标准，整体改善效果明显有效，断面水质达标率大幅提升。

在通过对比四种水质调控方案改善效果之后，在调控目标结果一致的情况下，选取水质改善程度最大的方案，确定最优的水质水量调控方案如下：对南北运河两岸沿线排污口进行截流以后，在支流河水质达标的情况下，对南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m³/s；东塔闸门三月日平均下泄流量增加至3m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m³/s。

3 结论

（1）采用南北运河分叉口后断面和青年公园后断面从2017年1月～2017年12月的监测流量、水位值对水动力模型进行率定。结果表明：南北运河分叉口后断面平均流量的实测值与模拟值的相对误差均值为4.03%，青年公园后断面平均流量的相对误差均值为4.07%；南北运河分叉口后断面平均水位的实测值与模拟值的绝对误差均值为0.068m，青年公园后断面平均水位的绝对误差均值为0.087m。率定结果符合模型对模拟的精度要求。

（2）采用南北运河分叉口断面、北陵公园断面、丁香湖断面、青年公园断面、龙王庙闸门前断面五个断面采用2017年1月到2017年12月的南北运河的逐月断面COD、NH3-N浓度对构建模型参数进行率定，采用2016年1月到2016年12月的逐月断面COD、NH3-N浓度对水质模型进行验证。并对模型的模拟值与真实值进行了精度的评价，结果表明：南北运河分叉口断面、北陵公园断面、丁香湖断面、青年公园断面、龙王庙闸门前断面这五个断面的COD模拟值和实测值的相对误差均值分别为4.78%、3.67%、4.98%、3.28%、4.22%；断面的NH3-N实测值与模拟值的相对误差均值分别为4.15%、4.88%、5.26%、5.02%、4.60%。率定结果符合模型对模拟的精度要求。

（3）分别制定了现状基础上的水量调控方案、截污基础上的水量调控方案、支流河达标基础上水量调控方案、截污和支流河达标基础上的水量调控方案这四种调控方案，在通过对比四种水量调控方案改善效果之后，在调控目标结果一致的情况下，选取水质改善程度最大的方案，确定最优的水质水量调控方案如下：对南北运河两岸沿线排污口进行截流以后，在支流河水质达标的情况下，对南北运河上游东陵进水闸补地表水III类水，三月日平均下泄流量增加至4m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至14m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至6.5m³/s；东塔闸门三月日平均下泄流量增加至3m³/s，丰水期七月、八月日平均下泄流量增加至6m³/s，十一、十二月日平均下泄流量增加至3m³/s。