水质数值模型在浑河流域水量水质模拟中的应用

王晓文

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司， 辽宁 东港 118300)

1 概述

浑河流域位于辽宁省中部，是辽河的主要支流，河流全长415.40 km，流域面积为11 481.0 km2，该流域在海城古城子镇附近的三岔河和太子河汇入大辽河，并经过营口市流入渤海[1]。大伙房水库是浑河干流上的大型骨干控制工程，流域面积为5 437.0 km2，总库容为22.68亿 m3，是大(I)型水利工程，水库设计年供水量为9.70×108m3。浑河流域大中型水库特性一览表，见表1。

表1 浑河流域大中型水库特性一览表

浑河闸位于浑河干流上，建于1959年，其主要功能是农田灌溉[2]，该闸有32孔，其中22孔为拦河闸，其余10孔为进水闸，该闸为宽顶堰，洞高为8.20 m，宽度为10.0 m，闸门的地面高度为31.50 m，经过消除危险和加固措施后改成30.50 m，闸宽度为257.40 m，闸门为弧形钢闸门，高度为4.0 m，宽度为10.0 m，单门重量为7.70 t，隔离栅是一台固定门式提升机，具有一门一机固定卷扬式启闭机，提升力为2×50 kN，规模为大(2)型。该流域内有大型灌区7个[3]，其各灌区基本情况调查见表2。

表2 浑河流域大型灌区情况调查统计表

2 浑河流域水质模型构建

2.1 水质模拟与参数率定

2.1.1 污染源概化

计算河流水质时，水质污染源的概化是一个相对复杂的课题[4-5]，涉及排放口的概化和污染物负荷的概化，根据调查和分析统计，浑河流域的大多数工业企业都位于抚顺至沈阳市所在河段流域，工厂和企业通过管道或沟渠排放污水，沿河分布着数十个污水出口，大小排放口的组合可以概括为29个点源排放口。见图1。

2.1.2 特征污染物确定

根据2009年至2018年浑太流域水质监测资料及分析结果，该流域水质污染已相当污染。尤其在沈阳下游污染更为严重，平均COD浓度为41.60 mg/L，枯季为58.80 mg/L，平均氨氮浓度为5.89 mg/L，枯季为15.70 mg/L，因而本文计算有机物的水环境容量是选择COD和氨氮作为代表。

2.2 参数率定

参数率定主要为衰减系数和扩散系数，分别代表自净化的幅度和稀释，使用常规水质监测站的监测值对参数值进行校准，根据2015-2018年该流域的排污量和水质水量同步监测数据分析，其完整性和可靠性较好，故被质参数的率定年。

2.2.1 扩散系数

其计算公式为：

D=a×ub

(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。采用Fischer半经验公式对扩散系数的值进行分析率定[6-7]。

(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。

由式(2)可知影响扩散系数的因素，坡降i、河宽B是恒定的，由于该流域不同季节的上游水量不同，因此流速和水深会发生相应变化，因此，为了与实际情况更加接近，对于不同时间段的不同部分，扩散系数常数α应分别率定，扩散系数的极限值应单独设定，扩散系数指标值b始终等于2，恒定系数值a在上限和下限之间进行率定， 同时，设置AD参数后，河流D的经验系数在5.0至20.0之间。选择2018年作为水动力模型对其结果进行计算，结果见表3。

表3 2018年浑河扩散系数计算成果表

2.2.2 衰减系数

污染物降解系数[8]是分析和衡量和水体污染程度的主要指标之一，它与河流的地质、河宽、深度及边界条件有关，其公式为：

k=86.4u(lnc1-lnc2)/x

(3)

式中：k为衰减系数，d-1；u河段平均流速，m/s；x为上下断面之间的距离，km；c1和c2为河段上下游污染物浓度，mg/L。

在水库中，水流几乎是处于静态的[9]，其衰减特性与河道的衰减特性有所不同，因此，有必要设置水库的衰减系数，详见见表4。

表4 浑河衰减系数k率定结果 d-1

2.3 模拟结果及合理性分析

以2018年的该流域的水质监测数据为例，由于该数据是以月为单位，因此该模型以月为单位进行输出，并选择抚顺和黄腊坨两个水质监测站的资料对结果进行拟。其拟合情况见图2～图5。

图2 抚顺站氨氮模拟值与实测值对比

图3 抚顺站COD模拟值与实测值对比

图4 黄腊坨站氨氮模拟值与实测值对比

图5 黄腊坨站COD模拟值与实测值对比

由图2～图5可知，水质模拟结果与实际监测数值之间仍然存在差距，但是汛期的模拟精度较高，而非汛期的模拟精度较低，从模拟效果的总体趋势看，枯季特征污染物的浓度相对较高，而洪水期特征污染物的浓度相对较低，这说明河道水质呈季节性变化， 模拟结果可以代表污染物扩散和衰减的过程。

3 现状年浑河水量水质模拟

3.1 现状年的选取

根据1959-2018年大伙房水库自然入流量的统计数据，以及利用皮尔逊III型曲线进行的频率分析，属于正常的枯水年，因此确定2018年为枯水年。

3.2 水动力模拟结果分析

建立水量水质模型，并将模拟值与实际监测值进行对比分析，见表5。

表5 浑河各测站年径流量对比表 亿m3

由表5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。2018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见图6～图8。

图6 抚顺站实测径流与模拟值对比

图7 黄腊坨站实测径流与模拟值对比

图8 邢家窝棚站实测径流与模拟值对比

结果显示：抚顺站流量的模拟值与实测值有很大差异，但总体变化趋势趋于相同，4月和5月的模拟结果明显高于实测值，分析表明，浑河闸闸上游在5月为农业供水，导致该河流径流较小，由于数据限制，该模型不包括农业取水口，因此具有模拟数值较高，黄腊坨、邢家窝棚站的模拟值与实际监测值的总体趋势是一致的。 由于闸坝模拟中计算的不稳定性和其他因素，水动力模型的计算结果存在偏差，可进一步用于水质模拟。

3.3 水质模拟结果

图9～图10是2018年全年抚顺站特征污染物浓度模拟结果，可以看出水质整体模拟效果较理想。

图9 抚顺站氨氮模拟结果实测值对比

图10 抚顺站COD模拟结果与实测值对比

图11～图12是在枯季(3月和10月)和雨季(6月)，污染物的浓度沿纵剖面变化，汛期浑河干流的污染物特征浓度明显低于枯水期，可以看出，河流径流是限制旱季水质改善的重要因素[10-11]，抚顺站和兴家窝棚站的化学需氧量浓度高于沈阳站和邢家窝棚站的其他地区，这与大量污水出口的聚集有关。

图11 浑河流域氨氮沿程浓度

图12 浑河流域COD沿程浓度

4 结语

本文选取位于抚顺市～沈阳市区段内污染源分布较密集的浑河干流区段作为浑河研究对象，范围为大伙房水库坝下～邢家窝棚水文站，利用MIKE11(HD)和(AD)模块构建水动力水质模型，并根据长序列水文水质监测数据对模型进行率定与验证，确保模拟精度；应用MIKE11(SO)模块进行调度模拟，最大程度还原研究区段内径流、水质及水利工程运行特征，提供用于联合调度的响应工具