MIKE模型在契爷石流域水质改善中的应用研究

汤新武 梁 骏

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

1 概 述

近年来随着城市建设的飞速发展,国民经济持续快速增长,城市水环境污染问题日益突出,以水质改善为核心的全过程治理思路逐渐发展起来。东莞市作为全国首批水生态文明建设试点城市之一,全面开展了市辖区内河涌综合治理工作。契爷石流域作为东莞市石马河流域重要支流,水质状况不容乐观,且随着经济发展,河道水质存在恶化的趋势,水环境治理迫在眉睫[1]。

目前,水环境模型在城市水环境治理及评估工程方案目标可达性分析方面取得了广泛应用[2-3]。郭振等[4]采用MIKE11模型评估了东莞市黄沙河流域水质改善效果;管仪庆等[5]利用基于MIKE模型建立了台州市的一维水质模型,为河网地区水环境管理提供依据;唐玉兰等[6]采用MIKE11构建浑河沈抚段水环境数值模型,分析得到了非汛期浑河沈抚段闸坝分区的生态补水量;田凯达等[7]基于一维模型建立了十五里河水质模型,并评估了不同工程设计方案下的水质达标效果。本文基于MIKE模型研究了污染物排放量与水质达标的响应关系,评估不同治理措施下水质浓度目标的可达性,为今后工程设计提供参考。

2 研究区域

契爷石水始于东莞市清溪镇契爷石水库,于塘厦镇汇入石马河,流域面积46.70km2,流域内主要行政区有清溪、塘厦两镇,主要支流有青皇河、三星渠、大利渠、九乡渠等。契爷石水库坝址控制流域面积17.60km2,占总流域面积的38%,总库容1158万m3。坝址以下干流两岸大部分有堤防或河岸防护,总长度为12.03km,河道坡降为3.12‰,流域水系见图1。本次研究范围主要为契爷石水库以下至汇入石马河口的干流部分。

图1 契爷石流域水系图

3 水环境模型构建

本文基于MIKE11中水动力模块及对流扩散模块对契爷石流域水动力水质进行模拟计算,根据流域实测水体水质监测结果及沿河排污口情况,对契爷石干流进行概化分析,构建干流一维河道水质模型,其余支渠及排污口概化为点源输入模型。

3.1 水动力-水质方程

3.1.1 水动力控制方程

干流河道水体大多采用一维Saint-Venant方程组对水流情况进行模拟计算,水动力控制方程组如下:

(1)

(2)

式中:Q为流量,m3/s;A为过水面积,m2;q为单位长度侧向入流量,m3/(s·m);C为底部阻力系数;h为水位,m;R为水力半径,m;α为动量校正系数;g为重力加速度,取9.81m/s2;x为空间坐标;t为时间坐标。

3.1.2 对流扩散方程

MIKE11 AD是在水动力模型基础上发展的对流扩散工具,当污染物在横断面上混合比较均匀时,其在水体中的输移转化过程符合一维运动特征,一维水质输运方程如下:

(3)

式中:C为模拟物质的浓度,mg/L;u为河流平均流速,m/s;Ex为对流扩散系数;K为模拟物质的一级衰减系数。

3.2 边界概化

依据契爷石流域污染源特点,造成干流水体污染负荷源于区间内工业点源和城镇生活点源、地表径流与农田面源以及底泥内源释放。根据多方收集的污染源资料,经过整理核对,对契爷石干流污染源进行概化处理。

3.2.1 点源概化

点源污染主要分为工业源和城镇生活源两大类。契爷石水干流工业点源及城镇生活点源主要通过排污口直排入干流中,流域内非直排或者漏排的点源则通过概化到支渠及支流汇入到河道内。对于相对集中分布的直排排污口,为了方便模型计算,概化为一个点源加入模型中,契爷石支渠同样概化为点源加入模型中。

3.2.2 面源概化

依据契爷石流域面源污染分布特点,面源污染主要分为养殖场、农田面源污染和城市地表径流污染三大类。契爷石流域面源污染一部分随降雨进入管网通过市政排污口排入契爷石水干流,其余面源负荷概化到支渠再带入到模型中计算。

3.2.3 支渠概化

契爷石支渠主要为大利渠、三星渠、塘江街排渠、契爷石水支渠、茶园街排渠。支渠的污染负荷同契爷石水干流类似,以流域内的点源、面源及排污口进行概化,最终以点源形式加入到契爷石流域模型中。

3.2.4 底泥内源概化

考虑到契爷石水干流沿程不同位置底泥厚度及污染状况不同,根据对契爷石水干流沿程布点处底泥的取样厚度及相关报告的经验,初步给定底泥污染物释放速率,最终以线源的形式沿河概化到模型中参与计算。

契爷石流域水动力水质模型污染源概化如图2所示。

图2 契爷石流域模型计算污染源概化

3.2.5 边界条件

a.流量边界条件。水文设计条件一般采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量。考虑到契爷石水上游为契爷石水库,年内泄流量不均等,从最不利角度来计算,选取契爷石水库旱季泄流量的多年平均值作为计算上边界条件。沿程点源排放。(含干流排污口和污水处理厂处理后的尾水排放口、市政污水排放口)的排放量以东莞市环境保护局实际调查结果为准。各支渠根据集雨面积求得90%保证率下的最枯月均流量作为支渠基流,并叠加支渠排口的实际流量作为支渠流量。

b.水质边界条件。现状年下模型上游边界为契爷石水库下泄水,水质浓度取自东莞市环保局对库区的实际采样浓度,干流沿程排污口水质浓度则以环保局实际调查结果为准,支渠浓度则依据点源负荷和面源负荷概化得到。模型具体输入边界条件见表1。

表1 契爷石-厦坭河模型现状污染源输入边界条件

3.2.6 参数选取

污染物综合降解系数与河流的水文条件、污染物特征等因素有关,根据华南环境科学研究所对广东省多个流域污染物降解系数研究推荐参考值,本次模型计算每日COD综合降解系数范围为0.08～0.2,NH3-N取0.05～0.1 ,TP取0.01～0.15。考虑水动力迭代要求和CFL条件,水动力水质模拟的时间步长设置为10s。根据《水力计算手册》中糙率推荐值以及参考邻近流域的防洪规划及河道整治规划的成果分析,契爷石水干流计算区域内河道糙率取值为0.02～0.035。

3.3 模型率定验证结果

本次研究依托中国电建集团中南勘测设计研究院环境检测中心对契爷石流域干流河道4个位置的地表水的检测结果(每个位置取3个样本,检测得到的COD、NH3-N、TP数据取均值)。本次模型率定的主要参数为污染物降解系数,根据设置的初始值范围,依次对模型计算成果与实测数据进行对比,见表2。选取的4个位置实测值与模拟值误差均在20%以内,总体来说,模拟结果基本能够反映河道断面的水质变化趋势。根据率定结果,本次特征指标的每日降解系数取值为COD取0.12,NH3-N取0.06,TP取0.013。

4 污染物排放与水质达标的响应关系

4.1 削减方案

为全面了解契爷石水河道水质状况,预测设计水平年河道水质状况,需要设计不同的模拟方案,逐步改善水质,建立污染物排放与水质的响应关系,最终使得模拟水质达到要求的污染程度,求出目标水质情况下河道容纳的污染负荷限值,在此基础上制定科学有效的污染负荷削减方案。

本研究共设计了5个污染负荷逐渐减少的方案,见表3。

表3 模型计算设计方案

对表3的方案进行模拟,并分别记录每一个方案契爷石水河口处的COD、NH3-N、TP浓度,见图3～图4。

图3 各Case下模拟河口处断面的指标浓度

图4 工程实施后契爷石水沿程水质变化效果

4.2 纳污能力核算

治水提质目标为契爷石河口断面达到Ⅴ类水浓度标准。《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) 对Ⅴ类水判定的评价指标见表4。

表4 地表水Ⅴ类标准限值 单位:mg/L

从图3可以看出,契爷石目前石水马河河口处的COD浓度指标已经达到了Ⅴ类水标准,NH3-N浓度和TP浓度仍然处于劣Ⅴ类水。当治理力度介于Case 4和Case 5时,NH3-N浓度和TP浓度都达到了Ⅴ类水的水平。根据图3,对污染物排放量与水质浓度建立如下响应关系方程:

对于COD:

y=-2.5227x2+21.919x-5.6482,R2=0.9997

NH3-N:

y=-12.041x2+21.187x-0.6414,R2=0.9954

TP:

y=-16.513x2+18.093x-0.0538,R2=0.9998

式中:x为污染物排放量,t/d;y为考核断面水质浓度,mg/L;R2为相关系数。

根据目标考核水质浓度和特征指标的响应关系曲线,得到契爷石水库Ⅴ类水的纳污能力,见表5,即契爷石水库在现状情况下,达到Ⅴ类水的NH3-N的污染负荷限值为0.135t/d,TP为0.025t/d。

表5 契爷石水库达到Ⅴ类水的纳污能力

5 水质目标可达性分析

为了更加深入分析契爷石流域现状水质情况,以及在预测水质为Ⅴ类水的目标下所采取的工程措施效果情况,分两个阶段进行水环境模型演算,由此来评估契爷石流域水质目标可达性,见表6。

表6 阶段性的工程措施

依据契爷石流域现状情况下入河污染情况,以及两个阶段采取的工程措施,分别对三种指标COD、NH3-N及TP在契爷石水干流沿程上的浓度变化进行模拟,如图4所示。

从图4可以看出,在现状情况下,由于沿河支流和排污口汇入,带入较大负荷,NH3-N和TP浓度沿程增加,但COD浓度先增加后降低。这是由于在4km附近排污口COD浓度较大,达到190mg/L,而在6km附近清溪厦坭污水处理厂虽污水量大,但COD出厂浓度较低,为18mg/L,由此可见,现状年契爷石水干流受沿程支流及较大排污口影响较大,在支流汇入后,由于污染物扩散降解的作用,浓度有一定程度的降低。

在现状情况下,NH3-N浓度沿河浓度均低于8mg/L,Case1阶段采取了沿河截污、应急处理设施、溢流调蓄设施、清淤等一系列工程措施后,Case2阶段在已建工程基础上继续对污水处理厂提标改造,对沿河实施一些景观及生态修复工程,对支渠提出达到Ⅴ类水的要求。图4结果显示,COD浓度沿河均小于40mg/L,平均为20.43mg/L,平均浓度较现状下降25.5%;NH3-N浓度沿河均小于2mg/L,平均为1.07mg/L,较现状下降74.9%;TP浓度沿河均小于0.4mg/L,平均为0.20mg/L,较现状下降88.3%。工程实施后,3个特征指标均满足Ⅴ类水标准。由此可知,在Case2阶段工程实施后,契爷石水干流水质目标可达。

6 结 语

a.东莞市水系发达,但水质状况不容乐观,作为全国首批水生态文明建设试点城市之一,本文以契爷石流域为例,深入探讨了MIKE模型在流域综合治理中的指导意义,为今后类似工程提供一定参考。

b.以MIKE模型为辅助,通过制定不同污染物削减方案,量化了河流污染物排放量与水质浓度达标的响应关系,提高了河流纳污能力计算的准确度。

c.根据建立的一维河网水动力水质模型,预测契爷石流域在不同工程措施实施后的水质改善效果。结果表明,经过截污、清淤、增加调蓄池以及污水厂提标等措施后,契爷石水河口断面水质浓度有明显的降低,基本可以达到Ⅴ类水目标要求,进而验证了MIKE模型在流域工程治理中的应用价值。