基于MIKE11的毛河流域水环境容量计算研究

王啸天，逄 勇，2，吴昌淦，柴霁森

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098)

引 言

毛河发源于四川省眉山市彭山区保胜乡，流经彭山区谢家镇、义和乡、凤鸣街道和东坡区太和镇镇江街道，最终于太和镇狮子湾村汇入岷江。毛河全长42km，流域面积162km2，是四川省眉山市重要河流之一。眉山市毛河流域多年来水质不能稳定达标，阻碍区域经济进一步发展[1]。因此，为了眉山市后续发展规划以及指定相应污染物控制措施，有效确定责任主体，保障毛河流域水质改善以及可持续发展，对毛河流域水环境容量进行分期计算，有利于为区域经济高质量、可持续发展奠定基础。

针对入河污染物影响的研究，目前一般采用数学模型数值模拟研究。现如今有多种商业模型软件能够对入河污染物进行影响分析计算，目前较为广泛的有MIKE系列、EFDC、SWAT、Delft 3D等[2～5]。MIKE水质模拟预测模型构建过程中结合水动力模型与水质变化模型，结合有数据处理分析以及模拟结果统计显示等多种功能，能够对多种不同情况的水文水质条件进行模拟计算，是目前应用较广较为可信的模型预测软件之一[6-7]。 水环境容量指在规定的水环境保护指标情况下水体所能接收的污染物的最大负荷量，具有资源性、时空性、系统性和动态性四个基本特征[8]。对于水环境容量的计算通常采用固定水文条件通过计算得到全年水体的最大污染物负荷量，具有一定局限性，容易造成过度削减排放指标造成过度管控从而影响区域经济发展[9]。本文采取利用模型模拟结果与实际动态水环境结合，掌握流域水体不同时间上的动态变化过程，对河流水环境容量进行动态计算，为水环境污染管理措施提供帮助。本研究利用MIKE11模型中的水动力及水质模型，建立四川省眉山市毛河流域的一维非稳态水动力水质模型，模拟不同时期毛河流域入河污染物进入毛河水体后污染分布以及扩散情况，分析其对毛河流域水质达标的影响，通过模拟计算结果掌握不同时期毛河流域水质情况，为水环境容量计算提供基础。

1 研究区域概况

本文研究区域为四川省眉山市毛河流域，毛河全长42km，流域面积162km2。毛河流域流经山地、林地、农田、城镇，具有多种不同的污染物入河情况。城镇区域彭山区以雨污合流制为主，降雨期间雨水进入污水系统，造成生活污水溢流入河现象。根据《眉山市市级水功能区区划》(2018年),毛河干流分为四个水功能区，从源头到毛河桥段为毛河彭山保留区，从毛河桥至镇江段为毛河彭山工业、农业用水区，从镇江至太和大道为毛河东坡排污控制区，从太和大道至河口段为毛河东坡过渡区，毛河上唯一的重点考核断面为桥江桥省考断面，位于东坡过渡区。除排污控制区外各水功能区水质保护目标均为Ⅲ类。水功能区信息见表1。

表1 毛河水功能区划信息Tab.1 Functional zoning of water of Maohe River (km)

毛河流域控制断面多为行政交界断面，各控制断面信息详见表2。

表2 控制断面信息一览Tab.2 Schedule of control sections

2 研究方法及资料来源

2.1 一维水动力模型基本方程

水量计算的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量Q(x，t)和水位Z(x，t)为未知变量，并补充考虑了漫滩和旁侧入流的完全形式圣维南方程组为：

(1)

式(1)中：Q为流量；x为沿水流方向空间坐标；BW为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽；Z为水位；t为时间坐标；q为旁侧入流流量，入流为正，出流为负；u为断面平均流速；g为重力加速度；A为主槽过水断面面积；B为主流断面宽度；n为糙率；R为水力半径。

对上述方程组以Preissmann四点线性隐式差分格式将其离散，辅以连接条件，形成河道方程，以微段、河段、汊点三级联解的方法求解，三级联合解法求解平原河网水力特性的基本思路可概括为：“单一河道—连接节点—单一河道”。即将整个河网看成是由河道及节点组成，先将各单一河道划分为若干计算断面，在计算断面上对Saint-Venant方程组进行有限差分运算，得到以各断面水位及流量为自变量的单一河道差分方程组；然后根据节点连接条件辅以边界条件形成封闭的各节点水位方程，求解此方程组的各节点水位，再将各节点水位回代至单一河道方程，最终求得各单一河道各微断面水位及流量。另外采用Muler法给出的嵌套迭代法提高计算精度。

2.2 水质模型基本方程

河网对流传输移动问题的基本方程表达如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程,式(3)是河道叉点方程。式中Q、Z是流量及水位;A是河道面积;Ex是纵向分散系数;C是水流输送的物质浓度;Ω是河道叉点—节点的水面面积;j是节点编号;I是与节点j相联接的河道编号;Sc是与输送物质浓度有关的衰减项,Sc=KdAC;Kd是衰减因子;S是外部的源或汇项。对时间项采用向前差分,对流项采用上风格式,扩散项采用中心差分格式。

2.3 水环境容量计算方法

根据水环境容量的基本概念,利用科学公式计算水环境容量成为了计算水环境容量的基本方法。随着研究人员对水环境容量的深入研究,结合水动力水质模型的搭建,公式法逐渐完善。公式法主要分为总标准计算方法和控制断面达标法。本文水环境容量计算采用控制断面达标法。通过对现状污染物入河量分析以及模型模拟计算结果,计算得到考核断面水质达标时各概化排口最大允许排放量。[10]

(4)

选取90%保证率作为设计水文条件。采用P-Ⅲ型曲线对近年雨量站逐月降雨监测结果进行频率分析,得到不同时期降雨情况的典型年份。结合典型年份中不同月份的降雨情况,设定水动力模型中的边界条件。结合Mike11模型模拟结果利用控制断面达标法计算水环境容量。

2.4 资料来源

2.4.1 水文资料来源

毛河流域内有彭山、谢家、江渔等雨量站，但除彭山站外均为近年新建，无长期降雨资料，因此分析毛河流域的径流量主要依据彭山站2001～2021年降雨资料。通过对2001～2021年彭山站年降雨量进行统计，采用P-Ⅲ型曲线进行频率分析，绘制得到年降雨量频率曲线见图1，分析计算成果见表3。

由计算结果可知，毛河流域50%水文保证率下的年降雨量为936.84 mm，其典型年为2012年，流域地表径流水资源量为6131万m3；90%保证率下的年降雨量为784.46 mm，其典型年为2009年，流域地表径流水资源量为5134万m3。

表3 毛河流域多年降雨量分析计算成果Tab.3 Analysis and calculation results of annual rainfall in Maohe River Basin

图1 彭山站2001～2021年降雨量频率曲线Fig.1 Curve of rainfall frequency obtained at Pengshan station from 2001 to 2021

基于典型年降雨条件，设定水动力模型边界条件。

按照2021年汇入毛河流域的彭山旧城区生活污水接管率情况，结合表4典型年逐月降雨量情况可知，6～9月降雨量较高，属于降雨明显期；而10、11月降雨量处于中等水平，且接管率较低，因此属于溢流影响期；结合新津站近三年逐月平均引水流量情况(表4)可知，3～6月引水流量较大，且施肥集中，因此属于灌溉退水期。

表4 典型年逐月降雨量及新津站近三年逐月平均引水量信息Tab.4 Typical monthly rainfall and average monthly water diversion obtained at Xinjin Station in the last three years

2.4.2 水质资料来源

水质资料来源于眉山市彭山生态环境局，所提供水质监测数据为毛河、毛河各支流、通济堰以及各灌溉渠道逐月水质监测资料，其中毛河干流、通济堰及湄洲河的水质资料时间为2018～2021年，张沟、白马河、红塔寺泄洪渠等支流及向筒支渠等灌溉渠道的水质监测工作于2021年刚起步，因此支流及灌溉支渠的水质资料仅为2021年。

污染源数据根据彭山区、东坡区2019年统计人口、耕地面积、农业生产情况等相关资料，以及环保部门提供的近年污染源普查资料、环境统计资料，得到毛河流域2街道2个镇工业、污水处理厂、人口、养殖业、种植业等信息。

3 模型及计算结果

3.1 模型河网构建及污染源概化

毛河流域内排水沟、灌溉渠众多，互相交织，考虑到模型模拟的简洁性，需要对该区域河网进行概化。保留主要河道，对次要的河道则根据等效原理归并为单一河道和节点，使概化前后河道的输水能力、调蓄能力不变。概化后河道为水平底坡，横截面为梯形；概化河道为断面及高程参考《四川省眉山市毛河彭山区河段河湖管理范围划定报告(2018年)》中的地形及控制断面测量结果。模型构建范围内毛河流域河网概化结果见图2。

图2 毛河流域河网概化图Fig.2 Sketch map of river network in Maohe River Basin

基于研究区域污染源分析结果，并结合毛河流域各乡镇地形条件、入河污染源空间分布等情况，对毛河流域污染源进行概化。概化遵循传统污染源概化原则，考虑了人口聚集地、工业及污水处理厂入河排污口、农业面源污染源。最终得到一级概化排污口25个以及二级概化排污口14个，概化排污口具体信息见表5及表6，位置分布见图3。

图3 毛河流域河网模型概化排口位置分布图Fig.3 Location map of drainage outlet in river network model for Maohe River Basin

表5 毛河流域一级概化排口排污信息Tab.5 Pollution discharge at Level I general discharge outlets of Maohe River Basin

表6 毛河流域二级概化排口排污信息Tab.6 Pollution discharge at Level II general discharge outlets of Maohe River Basin

3.2 模型率定结果

在设定的水文条件及污染源条件下，2020年降雨情况与典型年2009年相近且2020年资料时效性强，因此选取2020年上半年桥江桥省考断面的逐月流量资料进行模型水动力模块的参数率定，运用该点下半年流量资料进行验证，率定得到毛河河道糙率为0.033～0.035。率定期桥江桥断面流量实测值与模拟值的平均相对误差为11.6%，验证期平均相对误差为13.2%，说明模型模拟结果与实际情况吻合度较高，参数设置较为合理，能够较好地模拟毛河流域的水动力特性。

选取2020年上半年桥江桥、谢家-凤鸣断面、彭山-东坡断面的逐月水质资料进行模型物质传输模块的参数率定，并运用这3个断面下半年水质资料进行验证，率定得到COD、氨氮及总磷的降解系数分别为0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各断面水质因子模拟计算值与实测值相对误差均在30%以内，其中桥江桥断面COD最大相对误差为17.0%，氨氮为22.8%，总磷24.2%；谢家-凤鸣断面COD最大相对误差为10.7%，氨氮23.3%，总磷19.3%；彭山-东坡断面COD最大相对误差为18.6%，氨氮23.4%，总磷14.9%。验证情况表明本次构建的毛河水环境数学模型能够较好模拟流域水质变化情况。模型误差情况见表7，模型计算结果与实测值对比情况见图4～6。

表7 模型水质率定结果Tab.7 Calibrated water quality results indicated by model

图4 桥江桥断面模型计算值与实际值对比图Fig.4 Comparison between calculated and actual values of model for Qiaojiangqiao section

图5 谢家-凤鸣断面模型计算值与实际值对比图Fig.5 Comparison between calculated and actual values of model for Xiejia-Fengming section

图6 彭山-东坡断面模型计算值与实际值对比图Fig.6 Comparison between calculated and actual values of model for Pengshan-Dongpo section

3.3 水环境容量计算结果

根据2.3节计算方法、计算条件及污染源削减潜力分析，利用毛河水环境数学模型试算得到典型年2009年各月满足各控制断面水质目标的最大允许排污量，详见表8。

表8 基于主要控制断面水质达标的毛河流域水环境容量计算结果Tab.8 Calculation results of environment capacity of water of Maohe River Basin with acceptable water quality at main control sections (t)

根据表8可知，基于主要控制断面水质达标的毛河流域水环境容量为COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、总磷22.2 t/a，现状COD、氨氮及总磷分别需要削减22.8 t/a、4.9 t/a、4.8 t/a，总体最大削减率为17.8%，其中3～5月及10～11月削减率相对较高。由于3～6月为施肥较集中的时期，农田退水污染负荷较大，因此所需削减量较高，但6月降雨量较高，削减率相对低于灌溉退水期其他月份；10～11月由于城区溢流导致现状排放量较大，所需削减量较高。

4 结 论

本文通过利用Mike11模型计算毛河流域不同时期水环境容量的研究，主要得出如下结论：

(1)率定得到毛河河道糙率为0.033～0.035。率定期桥江桥断面流量实测值与模拟值的平均相对误差为11.6%，验证期平均相对误差为13.2%，说明模型模拟结果与实际情况吻合度较高，参数设置较为合理，能够较好地模拟毛河流域的水动力特性。率定得到COD、氨氮及总磷的降解系数分别为0.10～0.12 d-1、0.08～0.10 d-1、0.06～0.08 d-1。各断面水质因子模拟计算值与实测值相对误差均在30%以内，其中桥江桥断面COD最大相对误差为17.0%，氨氮为22.8%，总磷24.2%；谢家-凤鸣断面COD最大相对误差为10.7%，氨氮23.3%，总磷19.3%；彭山-东坡断面COD最大相对误差为18.6%，氨氮23.4%，总磷14.9%。验证情况表明本次构建的毛河水环境数学模型能够较好模拟流域水质变化情况。

(2)根据模型模拟结果，利用控制断面达标法计算毛河流域水环境容量，计算得到基于主要控制断面水质达标的毛河流域水环境容量为COD 878.0 t/a、氨氮86.3 t/a、总磷22.2 t/a。结果可为对毛河流域的水污染治理和制定未来水环境保护措施提供依据。