基于MIKE SHE模型的洋河流域水环境模拟研究

李泽实 辛小康 刘瑞芬

摘 要：张家口市作为京津冀水源涵养功能区及冬奥会举办场地，当地社会经济发展对水环境提出了更高要求，改善流经张家口市7区4县的洋河水环境迫在眉睫。基于MIKE SHE模型，建立洋河水环境对流域排污的响应关系，评估3种不同点源和面源污染控制方案下洋河水质改善效果，结果表明：在平水年来水情况下，基础情景下2019年洋河干流关键断面八号桥COD和TP全年达标率仅为33%和75%;方案一仅控制城镇生活污水（点源污染）使其达标排放，八号桥断面COD和TP达标率提高至100%;方案二控制农村生活污水（面源污染）使其达标排放，八号桥断面COD和TP达标率分别提升至58%和82%;方案三同时控制点源污染和面源污染，水质改善效果最好，可以避免来水过少时出现水质超标问题。

关键词：水环境;MIKE SHE模型;洋河流域

中图分类号：X522;TV211.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.020

引用格式：李泽实，辛小康，刘瑞芬.基于MIKE SHE模型的洋河流域水环境模拟研究[J].人民黄河，2022，44（2）：100-105.

Abstract： Zhangjiakou City becomes one of the Beijing-Tianjin-Hebei water conservation function areas and venues for the Winter Olympics. The local social and economic development has put forward higher requirements on water environment. It is urgent to improve the local water environment of the Yanghe River which flowing through 7 districts and 4 counties of Zhangjiakou City. Based on the MIKE SHE model， the input-response relationship between pollutant emission and water quality in Yanghe River basin was established， and the water quality improvement effect of the three different point/non-point source pollution control schemes was evaluated. The results show that in 2019， COD and TP concentrations of the key No. 8 bridge section of the Yanghe main s tream compliant to class Ⅲ of standard of water enviroment is only 33% and 75% （basic scheme）. Controlling the point source of urban sewage can increase COD and TP compliance rates of the No. 8 bridge section to 100%. Controlling the non-point source rural sewage makes COD and TP compliance rates of the No. 8 bridge section 58% and 82%， respectively. The controlling of both urban sewage and rural sewage not only improves the water environment best， but also can avoid standard-exceeding of water quality issues under low flow scenarios. To improve the water environment in the Yanghe River Basin， urban sewage should be focused and rural sewage control should be implemented as much as possible.

Key words： water environment improvement;MIKE SHE model;Yanghe River Basin

水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源。我国水资源时空分布不均，呈南多北少的特征[1]。随着社会经济的快速发展，水环境污染日益严重，水环境日趋恶化，不仅威胁人们的用水安全，还将影响国家的可持续发展[2]。水资源匮乏及水环境污染问题在我国北方干旱半干旱地区尤其严重[3]。我国京津冀地区水资源供需矛盾突出、水污染严重。京津冀地区人均水资源量仅286 m3，为全国平均水平的13%，国控断面水质为劣Ⅴ类的比例达39.1%[4]。在“京津冀協同发展”国家战略背景下，当地水环境污染问题已成为影响该战略实施的重要因素，提升该地区水环境质量迫在眉睫。京津冀地区张家口市作为京津冀水源涵养区，同时是承办2022年冬奥会的主要场地，其水环境质量提升需求迫切。此外，国家《“十三五”生态环境保护规划》要求，张家口市重要河流洋河八号桥控制断面达到Ⅲ类水质标准。张家口市洋河八号桥断面水质达标，须从流域角度出发，把握整个洋河流域水文循环和水质演化的规律，找出张家口市水环境整治的重点，突破水污染防控工作的瓶颈。

通过模拟流域内污染物的迁移转化过程，得出污染物时空分布规律，可为流域水环境问题的治理和管控提供有力支持。MIKE SHE模型是一种综合性、确定性的完全分布式水文模型[5]。MIKE SHE模型以标准化网格为输入单元，通过多模块耦合来表达大气、地表及地下的水文循环过程，在空间信息的分布式表达、地表水与地下水交互作用描述及径流模拟等方面具有显著优势。MIKE SHE模型在国外得到了广泛应用，Windolf等[6]通过建立MIKE SHE模型计算了丹麦50%无资料地区的月径流量;Refsgaard等[7]运用MIKE SHE模型进行水质研究，模拟了自然硝酸盐还原过程;Long等[8]采用MIKE SHE模型模拟了美国佛罗里达州大沼泽地国家公园总磷的运移过程。MIKE SHE模型在国内仍处于推广阶段[9]，黄粤等[10]证明MIKE SHE模型在干旱半干旱地区具有较好的适用性，赖冬蓉等[11]利用MIKE SHE模型对华北平原水资源状况进行了模拟及预测，但该模型在水质模拟方面的应用并不多见。

笔者以张家口市洋河流域为研究对象，基于MIKE SHE模型建立洋河流域的水文水质模型，模拟预测洋河干流污染物的时空变化规律，并对比分析不同水污染控制方案下关键断面八号桥的水质状况，以期为张家口市水环境状况改善提供技术支持。

1 研究区概况

洋河流域位于我国北部干旱半干旱地区，横跨整个张家口市，西至内蒙古自治区和山西省，东达北京市，总面积1.62万km2，地势西北高、东南低。洋河流域属于温带大陆季风气候区，其年平均气温为7.7 ℃，年降水量为350～400 mm，降水具有明显季节性分布特征，6—9月降水量约占全年的75%。洋河发源于内蒙古自治区兴和县和山西省阳高县，自西向东流入张家口市，在怀安县由东洋河、西洋河和南洋河交汇而形成洋河干流，流经张家口市区、宣化、下花园、怀来等7区4县后，在怀来县与桑干河交汇后流经八号桥国控断面，注入官厅水库，最终汇入永定河。洋河干流总长约118 km。洋河流域概况见图1。

洋河流域存在水资源供需矛盾和严重的水污染问题[12]。根据《张家口市水体达标方案》（张家口市环境保护局2016年编制），洋河流域水污染来源以点源污染为主，2014年洋河接纳工业废水排放量2 673万t，接纳城镇生活污水10 845万t。面源污染主要为农村生活污水污染，2014年其COD入河量为2 677 t，TP为27.13 t;其次为农业种植业面源污染、畜禽养殖污染，2014年COD入河量分别为300、465 t，TP入河量分别为12.01、45.10 t。

2 模型与方案

2.1 MIKE SHE模型构建

将柴沟堡（南）、柴沟堡（东）、张家口（三）、石匣里（二）水文站所监测的日均流量作为洋河干流的入流边界，官厅水库水文站水位作为洋河干流的出流水位边界，利用ArcGIS的水文分析功能进行流域划分，并根据划分的汇水区确定研究区范围。根据研究区大小及所获数字高程模型（DEM）的精度，水平上将模拟区域离散成1 000 m×1 000 m的网格，共200列、120行。DEM数据来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），精度为30 m×30 m。

MIKE SHE模型包括坡面流、蒸散發、非饱和带、饱和带以及河流与湖泊5个模块。

（1）坡面流模块。主要涉及3个参数：曼宁系数、贮水系数和初始水深，根据流域特性分别取经验值30 m1/3/s、0 mm、0 m。

（2）蒸散发模块。利用ArcGIS软件，根据已有雨量和蒸发站点位置生成泰森多边形，以.shp的格式输入到模型中。日降雨和蒸发数据以.dfs0格式输入模型。降雨、蒸发数据均源自《中华人民共和国水文年鉴——海河流域水文资料》（2013—2016年）。蒸散发模块考虑植物蒸腾作用和根系截留作用，需要输入土地利用数据，并根据当地土地利用实际情况设置各土地利用类型所对应的叶面积指数和根系深度。土地利用数据源自中国水利水电科学研究院。

（3）非饱和带模块。选用Richards方程模拟非饱和带水分运移，垂向上将研究区土壤划分为多层，由Van Genuchten模型描述土壤水分特性曲线θ—ψ（其中θ为土壤含水率、ψ为土壤水势）和导水率特征曲线K（θ）（土壤含水率θ与土壤导水率K的关系曲线）。所用土壤类型图源自寒区旱区科学数据中心《基于世界土壤数据库（HWSD）的中国土壤数据集（v1.1）（2009）》，采用的土壤分类系统主要为FAO-90，土壤空间分布见图2。基于该数据，并应用USDA开发的土壤计算软件SPAW，可估算Van Genuchten模型各参数，以此来描述土壤水力特性，求解Richards方程。

（4）饱和带模块。根据《中国地下水资源（河北卷）》，将模拟区饱和带概化成3层，相关参数见表1。研究中模型外边界条件选择零通量，模型中无内边界条件。

（5）河流与湖泊模块。将以上4个模块通过MIKE SHE中“河道链接（river link）”与一维水动力MIKE11模块耦合。MIKE11河网数据由DEM经ArcGIS水文分析后基于现状河网校核而成，河道断面数据一部分来源于《中华人民共和国水文年鉴——海河流域水文资料》，一部分由DEM数据提取而成，剩余断面按2 km步长自动插值形成。此外，由于洋河干流宣化段涉及河道型水库洋河水库，因此该水库范围内断面数据由水库库容—水位曲线及水库高程信息估算。洋河水库出口设置一个可控水工建筑物，出水流量数据按照实际出库流量给定。MIKE11模块中主要参数有河床糙率、河床渗漏系数和初始水位[13]，分别为30 m1/3/s、1.00×10-7 s-1、0.3 m。

流域污染源数据来源于《张家口市水体达标方案》，洋河国控断面水质数据来自于张家口市环境监测站。洋河流域水污染分为点源污染和非点源污染，其中点源污染包括工业废水污染、城镇生活污水污染，面源污染主要包括农业种植面源污染、农村生活污水面源污染和畜禽养殖污染。

2.2 模型水量率定及验证

模型水量率定选取的参数包括河床糙率、河床渗漏系数、非饱和带（即土壤）参数和饱和带相关参数，见表2。

将洋河八号桥断面实测流量作为率定及验证的依据，采用2013年月数据进行率定，2014年月数据进行验证。

式中：RMSE为均方根误差，通常RMSE大于平均绝对误差，两者的差值反映误差的离散程度;obsi为第i个观测值;simi为第i个模拟值;n为观测值的个数。

式中：Qobs，i为第i个流量观测值;Qsim，i为第i个流量模拟值;Ens为效率系数，一般认为流量模拟中Ens值大于0.5时模型符合要求。

模型流量率定及验证期模拟结果见图3。率定期RMSE值为0.89 m3/s，略大于平均绝对误差0.70 m3/s，说明率定期误差离散程度不大，Ens值为0.698，结果符合水文模拟精度要求。模型验证期RMSE值为0.76 m3/s，略大于平均绝对误差0.67 m3/s，Ens值为0.660，说明模型具有可靠性。

2.3 模型水质率定及验证

污染源数据经概化后输入到MIKE SHE模型中，水质模拟中选择率定的参数有污染物衰减系数和扩散系数。在模型中，COD、TP衰减系数率定值为0.017/h和0.05/h;扩散系数为3～18 m2/s，与河流流速有关。同样将洋河八号桥断面实测月水质数据作为率定及验证的依据，具体评价指标为平均相对误差η。

水质率定期及验证期模拟结果见图4。COD率定期、验证期平均相对误差分别为23%、29%，TP率定期、验证期平均相对误差分别为21%、19%，均满足小于30%的要求[14]。

2.4 洋河水环境改善方案设置

（1）污染源概化。根据邓富亮等[15]提出的控制单元的概念，将行政区划与流域水文单元相结合，合理划分控制单元，使污染物概化更加精细准确。首先，基于数字高程模型（DEM）数据生成水文单元;其次，在水文单元的基础上，叠加控制断面、水系地图、土地利用等数据，识别汇水单元;最后，将汇水单元与行政区划和行政驻地数据进行叠加分析后生成控制单元。本文利用ArcGIS水文分析功能[16]将研究区划分为71个水文单元，与张家口市149个乡镇进行叠加分析，综合洋河流域水文地质情况，最终得到55个控制单元。

洋河水质基础情景模拟采用《张家口市水体达标方案》中2019年污染负荷数据。张家口市各乡镇COD、TP入河量分布见图5（其中：左边空白部分属于山西及内蒙古，多为山地、草地，人烟稀少，认为没有污染源输入;右侧空白部分位于官厅水库下游，属北京市，不影响模型对上游目标断面的模拟），污水入河量为16 343万t/a，COD入河量为17 993.2 t/a，TP入河量为233.4 t/a。将各乡镇的污染负荷统计到各控制单元内，依据控制单元的汇水属性将污染负荷概化至对应的河道断面。

（2）基础情景。鉴于水文数据的未知性，基础情景模拟中水文气象数据采用典型水文年1985年（平水年）数据。基于率定、验证后的MIKE SHE模型，模拟无水环境改善措施下洋河流域水环境状况。基础情景模拟结果见图6，可知八号桥国控断面COD含量仅在2月、7月、10月和11月达到Ⅲ类水标准，全年达标率仅为33%;TP含量在1月、6月和12月无法达到Ⅲ类水标准，全年达标率为75%。

（3）改善方案。针对张家口市向洋河流域的排污状况，对点源和面源污染进行控制，设置3种水环境改善方案。分析张家口市向洋河流域的排污数据发现，點源污染城镇生活污水污染占比最高，COD贡献率达47%，TP贡献率达41%。张家口市2014年近220万城镇人口，城镇生活污水达11 950万t，而已建城镇污水处理厂的污水处理能力仅为10 734万t/a，污水处理厂基本处于满负荷运行状态。根据现场调研，张家口市绝大部分污水处理厂出水水质未达到2017年年底前全面达到一级A排放标准的目标。因此，设计方案一，控制点源污染，将张家口市城镇生活污水全部收集起来，集中处理后使排放水质达到一级A标准。面源污染源中农村生活污水污染具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性等特点。张家口市目前农村人口近180万，生活污水产生量近5 200万t/a。根据调研结果，目前张家口市110多个乡镇基本没有污水处理设施，直排现象较为严重，导致大量农村生活污染物入河。资料表明，张家口市农村生活污染物COD、TP入河量达2 000、20 t/a，严重威胁洋河流域水环境质量。故设计方案二，控制农村生活污水面源污染，100%收集沿河43个乡镇生活污水，集中处理后出水水质按照一级A标准排入洋河。方案三同时控制点源污染和面源污染，城镇生活污水、沿河43个乡镇生活污水100%收集处理后，出水水质均按照一级A标准排放。图6 基础情景水质模拟

3 结果与讨论

方案一仅考虑对城镇生活污水排放的控制，2019年城镇生活污水入河量为11 950万t/a，其中COD入河量为5 975.06 t/a，TP入河量为59.75 t/a，对比基础情景，COD、TP的年入河削减量分别为5 829、117.80 t/a。COD平均质量浓度由基础情景的24.0 mg/L降至12.4 mg/L，TP平均质量浓度由0.16 mg/L降至0.08 mg/L。若实施方案一，则洋河八号桥断面COD和TP完全达标，这相较于基础情景中COD、TP全年达标率33%、75%，改善效果明显。考虑随着张家口市经济的发展、城镇化水平的提高，城镇生活污水排放量增加，仅依靠污水处理厂控制点源污染的水环境改善方案可行性欠佳，还需加强非点源污染的治理。

方案二仅控制农村生活污水排放，其与基础情景相比，部分农村生活污水集中处理，约40%之前未经处理直接排放的生活污水实现达标排放，最终处理后入河的农村生活污水为2 208万t/a，其中COD、TP入河量分别为1 939、19 t/a。基础情景中农村面源污染物产生后入河过程中本身存在削减过程，入洋河农村生活污水、COD和TP分别为324万t/a、1 959 t/a和19.7 t/a。由图7可知，若实施方案二，八号桥断面COD全年达标率将由基础情景的33%提高至58%，TP全年达标率则由基础情景的75%提高至82%。即方案二对于污染物的入河削减效果有限，有必要结合我国美丽乡村建设规划，采取多项措施，削减农村污染物产生量，如改进农业耕作方式以减少农业种植业污染、优化畜禽养殖业废弃物处理工艺以减少畜禽养殖业面源污染、健全农村生活垃圾管理机制以减少废弃生活垃圾污染等。

方案三将方案一和方案二结合起来，同时对点源和面源污染进行控制。由图8可知，同时对点源污染和面源污染实行控制措施，其水质改善效果最明显，相对于基础情景，COD月平均质量浓度由24.0 mg/L降低至11.4 mg/L，TP月平均质量浓度由0.16 mg/L降低至0.077 mg/L，COD和TP达标率均达到100%。方案一、方案三均能在平水年来水情况下达到相应的水环境标准，但方案一全年有3个月COD含量处于Ⅲ类水标准边缘（见图6），考虑到水文条件的波动性，相对于方案三（见图8），其更有可能在枯水年来水偏少时出现水质超标。

综上可知，3种方案中方案二效果最差，其原因是洋河流域点源污染负荷占比大、面源污染负荷占比小，在不对流域内点源污染进行控制的情况下，仅控制面源污染的水质改善效果并不理想。

4 结 论

应用MIKE SHE模型对洋河流域进行水文水质模拟，划分基于行政区划和流域分区区划的水污染控制单元，建立洋河水环境对流域排污的响应关系，设置3种针对点源和面源污染控制的水环境改善方案，评估实施不同方案后洋河流域水环境的改善效果。结果表明：基础情境下，在平水年来水情况下，洋河干流关键断面八号桥水质COD和TP的全年达标率仅为33%和75%;方案一100%控制城镇生活污水（点源污染控制），使其达标排放，能使洋河八号桥断面COD和TP全年达标率升至100%，是提升洋河水质的有效措施;方案二控制非点源污染，收集沿河43个乡镇农村生活污水并达标排放，洋河八号桥水质有一定改善，但COD和TP达标率仅为58%和82%，仍然无法实现洋河水环境保护目标;方案三对点源、面源污染同时进行控制，水质改善效果最好，相对于基础方案，八号桥断面COD平均含量由24.0 mg/L降至11.4 mg/L，TP含量由0.16 mg/L降至0.08 mg/L。

基于以上结论，目前要改善洋河流域水环境，提升八号桥断面水质，应重点针对张家口市的城镇生活污染源进行控制。对于农村生活污染源，仅仅集中处理达标排放效果有限，建议对污水增加二次利用环节，有效利用再生水，在节约水资源的同时减少水污染。

参考文献：

[1] 吴函纯.浅析我国水资源可持续发展的现状[J].国土与自然资源研究，2019（3）：5-6.

[2] 王璞，方建新.我国水污染现状及其管理建议[J].南方农机，2019，50（13）：93.

[3] 温胜芳，单保庆，马静，等.水资源缺乏地区地表水环境承载现状研究：以京津冀和西北五省（自治区）为例[J].中国工程科学，2017，19（4）：88-96.

[4] 张伟，蒋洪强，王金南.京津冀协同发展的生态环境保护战略研究[J].中国环境管理，2017，9（3）：41-45.

[5] 朱瑶，梁志伟，李伟，等.流域水环境污染模型及其应用研究综述[J].应用生态学报，2013，24（10）：3012-3018.

[6] WINDOLF J，THODSEN H，TROLDBORG L，et al.A Distributed Modelling System for Simulation of Monthly Runoff and Nitrogen Sources， Loads and Sinks for Ungauged Catchments in Denmark[J]. Journal of Environmental Monitoring，2011，13（9）： 2645.

[7] REFSGAARD J C，AUKEN E，BAMBERG C A，et al.Nitrate Reduction in Geologically Heterogeneous Catchments： a Framework for Assessing the Scale of Predictive Capability of Hydrological Models[J]. Science of the Total Environment，2014，468-469：1278-1288.

[8] LONG S A，TACHIEV G I，FENNEMA R，et al.Modeling the Impact of Restoration Efforts on Phosphorus Loading and Transport Through Everglades National Park，FL，USA[J].Science of the Total Environment，2015，520：81-95.

[9] 劉斯文，刘海隆，王玲.MIKE SHE模型的发展与应用研究[J].水文，2018，38（5）：23-28.

[10] 黄粤，陈曦，包安明，等.干旱区资料稀缺流域日径流过程模拟[J].水科学进展，2009，20（3）：332-336.

[11] 赖冬蓉，秦欢欢，万卫，等.基于MIKE SHE模型的华北平原水资源利用情景分析[J].水资源与水工程学报，2018，29（5）：60-67.

[12] 张占贵.张家口洋河流域水资源现状及持续利用分析[J].中国水运，2014，14（4）：225-226.

[13] 潘剑光，胡鹏，杨泽凡，等.北方平原区城市水动力与水环境综合调控研究[J].人民黄河，2020，42（2）：58-62.

[14] 杨小芳.基于Mike模型的污染物扩散模拟研究[D].武汉：武汉大学，2018：10-15.

[15] 邓富亮，金陶陶，马乐宽，等.面向“十三五”流域水环境管理的控制单元划分方法[J].水科学进展，2016，27（6）：909-917.

[16] 陈欣佛，柴元，冰闵敏.基于Kendall检验法的湟水水质变化趋势分析[J].人民黄河，2019，41（9）：97-101.

【责任编辑 吕艳梅】