MIKE11模型在珠三角河网区水质改善研究中的应用

李青峰，郭 珊,2，张茹玉，闫晓满，张学林

(1.广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510610；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

近年来，位于平原河网的城市经济发展迅速，快速的城市化进程使得水污染问题日益严重[1-2]，对平原河网水系的影响更为显著[3-4]。目前，上海[5-6]、杭州[7]、武汉[8]、广州[9]等城市均提出了一系列水利工程措施以改善水质，因此，研究平原河网地区的水质改善措施具有重要意义。

水质模型可应用于量化评估一些具体工程措施的目标可达性，目前用于水动力水质模拟较为广泛[10-11]，管仪庆等[12]利用MIKE11建立了台州市的一维模型，用于计算区域水环境容量，为平原河网水环境管理提供依据；崔广柏等[13]的研究表明平原河网水动力的提升对于河道水质有明显改善作用；高嵩等[14]运用MIKE11水质模型模拟分析了新建泵站对片区水质改善的效果；田凯达等[15]基于一维模型建立了合肥十五里河水质模型并应用于不同水质改善方案的效果评价。上述学者的研究表明MIKE11模型水动力水质模拟在平原河网应用良好，因此可用于同样为平原河网的珠三角河网区。

珠三角河网为典型的感潮河网区，水环境问题随经济快速发展日益突出，以往水质改善措施分析大多聚焦于长三角平原河网区域，本文针对珠三角感潮河网复杂多变的特点，以珠三角地区的佛山市南海区流域综合治理试点——北村水系为研究区域，选取COD、NH3-N、TP为特征指标，利用MIKE 11模型分析不同工程措施实际应用于珠三角河网的水动力及水质改善效果，为珠三角平原河网地区水生态环境的长效改善提供依据。

1 研究区概况

佛山市南海区北村水系流域地处广州佛山交界，总面积246.79 km2。北村水系属珠三角平原河网，水系复杂，流域内有雅瑶水道、大榄河、松岗河等32条总长度129.86 km的主干河涌和228条总长度184.94 km的支毛涌。工程区内主要水系见图1。各河涌水流主要汇集于雅瑶水道，经北村水闸和北村泵站排入水口水道，另一部分排入佛山水道和西南涌。

图1 北村水系流域范围

北村水系河涌纵横密布、闸站建设稍显滞后，排涝闸站调度管理体系尚不完善，导致流域内水体流动性差、排涝能力不足；流域控污截污工作进展慢，入河污染负荷大，水环境恶化、水生态退化等问题非常突出，大多数河涌检测断面的部分指标不满足地表水V类标准要求，超标河涌的比例高达95%以上，水生态环境持续恶化问题亟待解决。

2 一维河网水动力水质模型构建

本文基于MIKE11中的水动力模块和对流扩散模块建立北村水系水动力水质模型，利用内置的求解器进行模型求解，模拟中小尺度河涌水体的水动力水质过程，为精准解决珠三角平原河网区复杂的环境问题提供一些参考。

2.1 模型控制方程

2.1.1水动力控制方程

水动力计算基于一维非恒定流Saint-Venant方程组，包括：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中Z——水位，m；t——时间，h；x、B——河道纵坐标及水面宽度，m；Q——流量，m3/s；q——单宽流量，m2/s；A——过水面积，m2；K——流量模数；g——重力加速度，m/s2。

求解方式为Abbott-Ionescu六点隐式有限差分法，隐式差分具有稳定性好、计算精度高等特点。

2.1.2对流扩散方程

MIKE11AD是根据水动力条件模拟水体中对流扩散过程的工具，基于对流扩散方程计算。一维河流水质模型的基本方程[16]为：

(3)

式中C——模拟物质的浓度，mg/L；N——降解系数，d-1；x——空间坐标；t——时间坐标；u——平均流速，m/s；Ex——对流扩散系数，m2/s。

Ex是一个综合参数项，对流扩散模型通过经验公式来估算对流扩散系数：

Ex=aVb

(4)

式中V——水动力计算的流速，m/s；a、b——自行选取的参数。

2.2 模型构建与验证

2.2.1河网概化

北村水系河道纵横交错，河网极其复杂，在收集的水动力及水文资料基础上，根据河网概化的基本原则，进行合理概化。本次模型范围包含了流域内雅瑶水道、大范河、松岗河、机场涌、丰岗公涌等32条主干河涌，以及部分相关联的支涌，共模拟河涌41条，水闸13个，泵站9个，划分断面378个，断面为实测河道断面，间距100～500 m。对于流域范围内较小的支涌，将其支渠及排污口概化为点源输入模型，计算河网平面布置及概化见图2。

图2 一维数学模型河网概化

2.2.2边界条件

根据GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》，设计水文条件应采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量。本报告收集到大沥气象站2001—2016年降雨资料，经分析，2014年1月份为近10年降雨量最小的月份，选取该月作为模型计算时段。

a)水位边界。研究河段共有13条河涌通过闸站与外江相连，每条河涌水位边界作为模型的开边界水位边界采用2014年1月实测的逐时潮水位，见图3。

图3 北村水闸外江实测水位值

b)水质边界。根据长江勘测规划设计研究有限责任公司及中设设计集团股份有限公司2018年5月编制的《南海区北村水系流域水环境综合治理项目可行性研究报告》成果，外江水质边界条件见表1。

表1 研究区域各水体污染物指标浓度情况 单位：mg/L

2.2.3初始条件

模型的水质初始条件按照模拟期引水河道的水动力水质状况确定，见表2。

表2 研究区域各水体污染物指标浓度情况 单位：mg/L

2.2.4模型参数

a)水动力模型参数。根据中国水利水电出版社2011年出版的《水工设计手册》，河道糙率取0.025～0.030。计算时间步长为10 s。

a) COD浓度

b)水质模型参数。综合降解系数N是反映污染物沿程生物降解、沉降和其他物化等变化的综合系数。根据2.2.5节中模型率定成果，本次采用的降解系数：COD取0.1/d，NH3-N取0.07/d，TP取0.01/d。

2.2.5模型率定验证结果

根据北村水系水环境治理项目地表水检测数据，对7条河道中间位置进行采样，各个位置采取3个样本，进行采样检测得到COD、NH3-N、TP数值进行平均。模型率定的主要参数为污染物降解系数，结合已有研究成果选用降解系数见2.2.3节。通过模型计算与实测数据进行对比，见表3。可知COD模拟除大坑涌相对误差较大外，其余数据相对误差在18%以内，NH3-N模拟相对误差在17%以内，TP模拟相对误差在18%以内，大部分水质模拟值与实测值误差能够满足模型计算要求。

表3 研究区域各河道水质监测实测数据与模型模拟对比

3 工程方案模拟

3.1 方案设计

以北村水系松岗河片市控考核断面水质为考核目标，选择COD、NH3-N、TP 3项指标进行模拟计算。分别针对现状和2组工程方案进行分析，见表4。针对方案1，截污管网建设将导致点源污染物浓度降低，在模型中减小边界条件中点源污染物的浓度，针对疏浚清淤工程，可导致水流更加通畅，模型中通过修改河道断面进行模拟；针对方案2，是在方案1的基础上增加调蓄池和新建泵闸引水调水，增加调蓄池使得面源污染物浓度降低，在模型中减小边界条件中面源污染物的浓度，而新建泵闸工程使得引水水量加大，促进水体交换速率。

表4 计算方案

3.2 污染物浓度分析

为分析各河涌现状及工程后污染物浓度，分别选取主、支河涌典型断面的污染物浓度进行分析，本文以北村水系中大榄河主河涌、鲤岗尾涌干河涌为例，各河涌采样断面布置见图6。

3.2.1大榄河结果分析

大榄河起于黎岗水闸，止于松岗南海花卉城，涌面宽约40～60 m。图7分别为大榄河典型断面COD、NH3-N及TP浓度随时间的变化情况，由图7可知，通过闸站引水以及各指标自身的衰减作用，大榄河各断面位置处的污染物浓度呈震荡式衰减。

a)COD浓度

大榄河3种方案下污染物浓度情况见表5，其中污染物浓度下降率为各方案污染物相对现状污染物浓度下降的百分比。通过式(5)来估算污染物浓度下降率：

表5 大榄河各方案污染物浓度

(5)

式中S——污染物浓度下降率,%；a——现状方案的污染物浓度,mg/L；b——各改善方案的污染物浓度,mg/L。

现状模拟结果显示，在现状闸站调度引水条件下，大榄河水体交换速度较慢。各断面COD、NH3-N以及TP浓度最终分别在45.0、3.0、0.8 mg/L左右。

方案1通过新建污水管网截污，降低了入河污染物浓度；同时，对大榄河及沿河支毛涌进行清淤疏浚来提高河道过流能力；综合上述措施，大榄河可达到Ⅴ类水标准，其中大榄河TP浓度下降率最大，为50%，说明截污及清淤疏浚措施效果良好。

方案2中，水系活水工程的实施，加快水体交换速度，进一步稀释了污染物浓度。各断面COD、NH3-N以及TP浓度最终分别在30.0、1.7、0.4 mg/L左右，水质较方案1稍有提升。

3.2.2湖马湾污染物浓度变化分析

湖马湾起于旧水厂，止于雅瑶水道，全长1.75 km，涌面宽约50 m。涌底淤积严重，汛期排水不畅。图8分别为湖马湾典型断面COD、NH3-N以及TP浓度随时间的变化情况，由计算结果可知，通过闸站向外江引水以及各指标自身的衰减作用，湖马湾各断面位置处的污染物浓度呈震荡式衰减。

湖马湾3种方案污染物浓度改善情况见表6。与现状方案对比，实施方案1与方案2大榄河内污染物浓度均有所下降，且在方案2下污染物浓度进一步降低。

表6 湖马湾各方案污染物浓度

在现状闸站调度引水条件下，湖马湾各断面COD、NH3-N以及TP浓度分别在73.0、5.2、1.8 mg/L左右。

方案1实施后，COD、NH3-N以及TP浓度较工程前都有所减小，各断面COD、NH3-N以及TP浓度最终分别在32.0、2.0、0.7 mg/L左右。然而仅靠截污及清淤工程不能使湖马湾水质达到Ⅴ类水质目标，但基本满足消除黑臭水体的要求

方案2中，进一步水系活水工程的实施使得雅瑶水道的水量、水质都得到了提升，从而对湖马湾水质带来正面影响，雅瑶河道的水回流到湖马湾，进一步稀释了污染物浓度。COD、NH3-N以及TP浓度较工程前都有所减小，各断面COD、NH3-N以及TP浓度最终分别在20.0、1.3、0.4 mg/L左右。水质基本可以达到Ⅴ类需求。

4 结论

a)佛山市南海区北村水系范围属于典型的珠三角平原河网区，河网密度较大，但水流流速较慢，水体交换能力较差，水体污染后，通过自身的流通和净化能力往往很难得到水质改善。本文以北村水系为例，探讨了珠三角河网区进行水质优化的相关工程措施，定量分析各措施对水质改善的效果，为类似工程提供一定的参考。

b)基于Mike11建立的北村水系一维河网水动力水质模型，分别对现状以及各方案条件下相关水质指标的变化过程。分析得到通过现状泵闸调控对水质的改善效果甚微，而新建截污管网和疏浚工程即可大幅改善河道水质，对水质改善的效果最为显著。新建调蓄池和活水泵闸工程对于河段水质改善影响程度不同，需综合考虑其建设的必要性。

c)污染严重的支河涌，仅靠截污和疏浚无法满足地表水体Ⅴ类水要求，进一步实施活水工程后，水质基本上可以达到Ⅴ类水要求，但水质状况极不稳定，受外界扰动影响极大。可在方案2的基础上实施水系连通和生态修复工程，进一步改善水环境质量。