基于MIKE模型的梁溪河水质水量分析与应用

常 露， 柳 莹， 周 敏， 李小韵， 李冰如

(1.无锡市水资源管理处， 江苏 无锡 214031； 2.江苏省水文水资源勘测局镇江分局， 江苏 镇江 214028；3.江苏省水文水资源勘测局无锡分局， 江苏 无锡 212031； 4.无锡市太湖闸站工程管理处， 江苏 无锡 214100)

无锡北枕长江，南滨太湖，江湖之间成片平原、圩区、河道纵横交错，湖荡、洼地密布，水系十分发达，素有“江南水乡”美称，长江、太湖是境内河网水资源的重要补给源。无锡社会经济发达，人口稠密，取排水量大，水体水质受到人类活动污染。全市自2007年以来通过调水引流、控源截污、河湖清淤、生态修复等一系列治水措施，水体污染得到有效遏制，河湖水质得到明显改善，但如何量化评估水质的改变是急需研究的问题。

本文以梁溪河为例，通过收集研究区域水文及水质数据，构建水文-水环境信息数据库，基于MIKE11模型，建立适用于研究区域的水量水质耦合模拟模型[1-2]，并基于上述基础资料对模型进行率定和验证，通过设置不同的调水引流情景，量化分析其对大运河水质的影响，技术路线如图1所示。

图1 技术路线

1 研究区域概况

梁溪河是无锡梁溪区与滨湖区境内的一条2级河道，河道宽度为30～50 m，是一条南北走向的主干河道，其最北端与京杭大运河交汇，向南至骂蠡港河口，连通蠡湖、太湖，全长约8 km。梁溪河是无锡市区的引排水通道，入太湖口建有犊山防洪控制工程、梅梁湖泵站等引排水工程。骂蠡港、西新河、东新河、小渲河等与梁溪河连通，有闸控制，关闭状态居多。

2 梁溪河水质水量耦合模型的构建

2.1 河网概化及控制边界

梁溪河—大运河区域河网密布，水系发达，有锡澄运河连通长江，有骂蠡港、徐来河等支流交错。以梁溪河—大运河为研究区域，选择其入流或出流河流的水位站或流量站作为控制边界，选定青旸站水位为边界，洛社站、望亭站、大渲河泵站及梅梁湖泵站流量为边界，以计算区域内水位水量演进过程[3]。梁溪河区域河网概化及边界选定见图2。

图2 梁溪河区域河网概化及边界选定

2.2 模型参数率定

选用大运河洛社站和梁溪河犊山闸站2013年的实测水位资料模型水动力版块的糙率进行率定，选用梁溪河犊山闸站2013年的实测水质资料，基于模型水质对流扩散版块的综合衰减系数和扩散系数进行率定。模型初始值的选取：水动力参数糙率参考美国霍尔顿编制的糙率表[3-4]，水质参数参考《河流中污染物衰减系数影响因素分析》取经验值。水位数据采用黄海高程，模型自动测算得到混合系数Kmix。参数率定结果见表1.

洛社站和犊山闸站水位的实测值和计算值平均误差分别为0.03 m、0.04 m，平均相对误差分别为1.99%、2.9%，水位计算过程线与实测过程线拟合较好。犊山闸站CODMn、TN、NH3-N、TP质量浓度的平均误差分别为0.01 mg/L、0.05 mg/L、0.06 mg/L、0.01 mg/L，平均相对误差分别为1.2%、0.6%、14.4%、7.1%，CODMn、TN、NH3-N、TP质量浓度计算过程线与实测过程线总体拟合较好。

2.3 模型验证

选取梁溪河区域局部河网水系为对象，对模型的水动力及水质参数进行了验证，仙蠡桥南设为水位边界，梅梁湖泵站和大渲河泵站设为流量边界，其余支流设为闭边界(闸门常关)。选取犊山闸下2014年实测水位和水质资料，对模型的动力学参数和对流扩散参数进行验证。

表1 模型参数率定值

犊山闸下水位计算值与实测值的平均误差为0.002 m，平均相对误差0.15%，水位计算过程与实测过程拟合较好。犊山闸下的CODMn、TN、NH3-N、TP质量浓度的平均误差分别为0.22 mg/L、0.19 mg/L、0.11 mg/L、0.01 mg/L，平均相对误差分别为3.7%、8.4%、22.2%、4.9%，CODMn、TN、NH3-N、TP质量浓度计算过程线与实测过程线总体拟合相似。验证结果表明率定的参数总体是合适的，该模型可应用于梁溪河—大运河的水位水质模拟。

3 调水引流对大运河水质影响分析

梁溪河-大运河区域水流方向(图3)为：大运河上游入流(洛社站流量)、梁溪河入流(梅梁湖泵站、大渲河泵站流量)，大运河下游出流(望亭站流量)。本文以梁溪河入流2013年月均引流量为基准，假设了增加25%、增加50%、减少25%、减少50%共4种不同引流量的调水情况，通过模型计算出4种情景下模拟水质，与基准引流量的实测水质进行比较，从而量化分析调水引流对梁溪河和大运河水质的影响。洛社站流量和水质浓度、梅梁湖泵站水质边界、青旸站流量闭边界、望亭站流量开边界，均取用2013年月均值。

图3 设计工况水流路线

利用率定好的模型分别对4个情景下大运河金城大桥及五七大桥处的水质指标进行计算模拟，并将其与基准情形下的实测月均水质进行比较(表2)，分析水质指标(CODMn、NH3-N、TN和TP)月均值变化情况。

从表2可以看出：梁溪河引流量增加25%时，大运河金城大桥和五七大桥处的CODMn、TN、NH3-N和TP质量浓度较基准情景均有下降，金城大桥处分别下降了0.69%、5.39%、10.19%、4.3%，五七大桥处分别下降了0.60%、4.44%、9.25%、4.36%；梁溪河引流量增加50%时，大运河金城大桥和五七大桥处的CODMn、TN、NH3-N和TP浓度较基准情景下降明显，金城大桥处分别下降了1.25%、9.84%、18.32%、7.86%，五七大桥处分别下降了1.11%、8.5%、17.07%、7.86%；梁溪河引流量减少25%时，大运河金城大桥和五七大桥处的CODMn、TN、氨氮和TP质量浓度较基准情景有所上升，金城桥站分别上升了0.91%、6.87%、13.45%、6.14%，五七大桥站分别上升了0.75%、5.25%、11.70%、6.02%；梁溪河引流量减少50%时，大运河金城大桥和五七大桥处的CODMn、TN、氨氮和TP质量浓度较基准情景上升幅度较明显，金城桥站分别上升了2.23%、16.65%、32.72%、14.79%，五七大桥站分别上升了1.85%、12.49%、27.88%、14.62%。TN、NH3-N和TP较CODMn对调水引流的变幅更大，敏感性较高，即增加调水引流量可有效降低水体中TN、NH3-N和TP的质量浓度，但对CODMn效果有限。

表2 4种情景下大运河金城大桥、五七大桥处水质变化

4 结 论

自2007年太湖水危机后，无锡市大力实施一系列河湖治理工程，水质总体得到有效改善，调水引流已成为改善水质不可或缺的重要措施。但调水引流之后水质改善程度仍需要水文、水环境部门定点监测，若找到一种适用于无锡河网地区的水质模型，能较准确地模拟沿程水质变化情况，科学量化水质改善程度，则可为调水工作提供有力技术依据。本文以梁溪河—大运河区域为研究区，因地制宜构建了基于MIKE11水量—水质模型，选用2013—2014年相关河道、闸站的水文水质实测资料，对模型进行了参数率定与验证，验证结果表明该模型可应用于梁溪河—大运河水量水质模拟。在模型构建的基础上，根据研究区域的实际情况，设计了在现状基准增加25%、增加50%、减少25%、减少50%调水量的4种调水引流情景，比较模型模拟出的水质状况(CODMn、NH3-N、TN、TP质量浓度)与实测水质的变化趋势，量化调水引流对水质的影响，结果表明：调水引流量增加的情况下，大运河金城大桥及五七大桥处TN、NH3-N和TP下降较明显，CODMn小幅下降；调水引流量减少，TN、氨氮和TP上升较明显，CODMn小幅上升。由此可见，调水引流对研究区域水质持续改善效果较为明显。