MIKE 21 模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用

吕睿喆

（安徽省生态环境科学研究院，安徽 合肥 230000）

0 引言

安徽省“引江济淮”工程沟通长江、淮河两大水系，是安徽省重大基础设施建设的标志性调水工程。工程具有保障城乡供水、发展江淮航运、灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等重要功能[1]。根据引江济淮工程整体布局和输水线路，范围划分为四个规划片区，分别是引江济巢段、江淮沟通段、江水北送段、淮水北调段[2]。

瓦埠湖是安徽省引江济淮工程中江淮沟通段的重要组成部分[3]，也是引江济淮工程三大重点湖泊之一[4]，不仅承担引江济淮工程重要的输水通道，还发挥着调蓄引水注入蚌埠闸上的重要作用，同时兼有区域重要的城镇饮用水源地和农业灌溉用水等多项功能[5]。为确保引江济淮输水干线的供水安全，保护和改善瓦埠湖水生态环境成为当务之急[6]。

1 瓦埠湖水环境现状与问题分析

1.1 研究区概况

瓦埠湖是安徽省淮河流域范围内最大湖泊，位于淮南市寿县，涉及范围包括淮南市寿县、田家庵区、谢家集区和合肥市长丰县2市4区（县）。瓦埠湖属河流型湖泊，湖面狭长，南北长约51 km，湖宽最宽处约6 km，湖区水面面积达156 km2；多年平均入湖水量为14.22亿m3，蓄水量为2.2亿m3；丰水位18.9 m，枯水位15.5 m；最大深度4.5 m，浅处水深0.5 m，湖区内平均水深2～2.5 m，湖底高程15.5 m。瓦埠湖由东淝河下游河段积水而成，入湖河流主要为东淝河、瓦埠河和陡涧河等，下游经东淝河下游宣泄入淮[7]。瓦埠湖区同时兼有淮南市备用水源地功能，属于东淝河瓦埠湖六安合肥淮南调水水源保护区，是国家重要水功能区。

图1 瓦埠湖水系汇水范围概化图

1.2 瓦埠湖水环境现状

瓦埠湖湖区设有1 个国控监测断面，水质目标为Ⅲ类标准，对国控断面2018—2020 年逐月水质分析，发现COD 存在5 次超标，高锰酸盐指数存在3 次超标，氨氮指标较好，3 年内无超标，总氮存在9 次超标，总磷问题最为严重，存在12 次超标，超标次数占比达到1/3，最高超标月份达到0.2 mg/L（超标3 倍）。

富营养化评价选择评价因子Chla、TP、TN、SD、CODMn等5个浓度参数[8]，参照综合营养状态指数计算公式，对2020年瓦埠湖国控断面监测点位全年12次监测数据进行评价，结果为：水体呈中营养状态5次，占比41.7%；轻度富营养7次，占比58.3%；年均富营养指数为51.49。综合评价，瓦埠湖整体营养化程度为轻度富营养化。

1.3 水环境问题与成因分析

根据瓦埠湖湖区断面监测数据，其水环境问题主要有两个：一是断面水质无法稳定达标，难以逐月稳定达到Ⅲ类水质目标，主要超标因子为TP和COD，二是湖体呈现轻度富营养化。

（1）工业污染。由于治污设施不完善，瓦埠湖汇水内仍存在少量工业污染，湖区汇水范围内仍存在多个排污口；

图2 瓦埠湖2018—2020年逐月水质变化情况

（2）乡镇基础设施建设短板突出，导致生活污水直排问题突出，部分老旧小区雨污未能分流、生活污水处理设施缺乏、污水处理厂处理能力不够等，此外，瓦埠湖湖区渔民生活污水直接排放入湖带来的污染也是一大原因；

（3）农业面源污染严重。首先，瓦埠湖流域范围共有耕地面积1301.80 km2，总施肥量达14.71×104t，过量施用的农药化肥最终均汇入湖区[9]；其次，淮南市禁养区内养殖场和养殖专业户搬迁或关闭执行进度缓慢，畜禽规模养殖场目前配备的污染治理设施比较低，存在大量养殖粪污直排入湖现象；另外，瓦埠湖存在水产养殖，围网养殖和饲料投放也会带来大量的污染。

2 水质模拟预测

为保障引江济淮工程输水安全，针对重点湖库瓦埠湖的水质目标可达要求，在工程规划治污项目全部实施的情景前提下，对2025年瓦埠湖水质进行模拟预测，分析水质目标的达成情况。

预测采用MIKE 21二维模型的水动力模块（HD模块）和对流扩散模块（AD模块）[10]。MIKE 21模型计算基于非结构化网格，广泛应用于湖泊、水库、河流等水体流动、水质变化和泥沙输移等环境问题[11]。

水动力模块（HD模块）和对流扩散模块（AD模块）其主要方程包括[12]：

式中：x—距离坐标；t—时间坐标；A—过水断面面积，m2；Q—流量，m3/s；q—区间入流；h—水位，m；R—水力半径，m；g—重力加速度，m/s2；C—河床糙率系数；Ci—模拟水质指标浓度，mg/L；D—污染物扩散系数，m2/s；k—污染物降解系数，d-1；C2—源汇项水质指标浓度，mg/L。

表1 2020年瓦埠湖综合营养状态指数评价结果

2.1 现状水质模拟分析

为充分了解湖区水质变化情况，采用MIKE21二维模型对瓦埠湖水质进行现状分析及预测。根据瓦埠湖河网结构及地形高程进行河网概化，采用瓦埠湖多年平均水文数据作为水动力边界；网格划分采用三角形网格进行划分，COD、氨氮、总氮、总磷初始浓度设定分别参照国控断面监测数据。研究河段有3个支流汇入口，1个流出口，源汇项根据实际情况，以2017—2019年的现状资料（模型时间序列从2017年1月开始，时间步长为30 d，时间步数为36）为基础进行率定，水质数据采用瓦埠湖入湖支流上国控、省控断面逐月水质监测数据，模型主要参数见表2。发现瓦埠湖水动力和水环境模型模拟值与实测值吻合较好，相对误差较小，该模型可用于瓦埠湖模拟和预测计算[13]，将基准年2020年瓦埠湖水质现状、入湖支流浓度、各类污染源概化到入湖支流以作为水质边界，可得到瓦埠湖2020年水质概化图。

表2 水动力水质模型主要参数

根据模拟结果，2020年瓦埠湖湖区整体COD、氨氮、总磷状况较为良好，湖区总氮有较大范围超标，各项指标在入湖排污口附近存在严重超标现象，排污口污染物随着水流进入湖区后逐渐改善，超标情况减轻，湖区国控断面附近各项指标整体状况较好，受点源污染影响较小。从整体上看，瓦埠湖湖区总体水质可以达到地表水Ⅲ类标准，局部地区受点源污染影响较大，随水流变化逐渐改善，将排污口进行截污至污水厂达标处理后再排放对瓦埠湖水质提升有直接影响。

2.2 2025年水质预测

模拟预测根据2020年瓦埠湖水位、COD、氨氮、总氮、总磷率定结果，可得出：瓦埠湖水动力模型模拟值和实测值基本吻合；水质模型模拟结果趋势和实测值能较好吻合。故而，率定的模型参数可以作为未来水质模型预测的参数。

图3 瓦埠湖2020年水质现状模拟图

图4 瓦埠湖2025年水质预测值模拟图

图5 瓦埠湖国控断面水质模拟预测值与现状值对比图

图6 瓦埠湖国控断面水质模拟预测值逐月变化图

根据瓦埠湖水质现状污染成因分析，未来引江济淮工程在淮南市规划实施水环境治理任务，包括开展截污导污工程、生态修复与水环境综合治理工程、城镇水污染综合整治、加快建设和完善配套污水管网、推进畜禽养殖污染防治、入湖排污口布局与整治等任务，依据规划的相关任务，计算得到2025年污染物瓦埠湖各支流入河削减量，进而对2025年瓦埠湖湖区水质变化情况、国控断面的COD、氨氮、总氮、总磷4项指标进行预测，结果见表3。

表3 淮南市规划实施环境治理主要任务

2025年瓦埠湖COD总体良好，湖区内COD能稳定达标，入湖支流处水质也有明显改善；湖区氨氮优良，湖区氨氮能稳定达标，无超标风险；总氮和总磷相比过去有明显提升，总体上状况良好，但是存在局部超标。

根据引江济淮工程规划开展的相关水环境保护与治理任务，2025年瓦埠湖水质有显著提升。通过对比2020年瓦埠湖国控断面监测值与2025年断面处预测值，断面预测值明显优于现状值，COD从2020年年均值的16.08 mg/L提升至11.13 mg/L，氨氮从0.11 mg/L提升至0.08 mg/L，总氮从0.70 mg/L提升至0.47 mg/L，总磷从0.045 mg/L提升至0.013 mg/L，各项指标均有明显提升。

瓦埠湖湖区断面2020年逐月水质中COD超标月份1次，总氮超标月份3次，总磷超标月份4次，根据2025年国控断面模拟预测值，无超标月份，COD、氨氮、总氮和总磷不仅年均值能稳定达标，逐月水质也均能达到地表水Ⅲ类标准，湖区断面水质优良，可以满足引江济淮工程供水安全保障。

综上所述，在规划开展的治污项目全部实施的前提下，2025年瓦埠湖断面COD、氨氮、总氮和总磷逐月水质均能稳定达标，湖区总体水质良好，主要水环境问题为湖泊总氮、总磷局部存在超标风险。

3 结论

（1）瓦埠湖作为引江济淮工程输水通道，目前受到工业、城镇生活、农业面源等污染源影响，现状水质不能稳定达标，存在总磷总氮超标风险，为确保引江济淮输水干线的供水安全，治理和改善瓦埠湖水环境质量刻不容缓。

（2）通过构建MIKE 21模型，分别对瓦埠湖2020年和2025年水质进行模拟预测，在引江济淮工程治污项目全部实施的情景下，2025年瓦埠湖湖区整体水质有了显著提升，湖区国控断面各项指标均能稳定达到地表水Ⅲ类标准，为输水安全提供保障。