基于MIKE 11 HD河道水質補水調度方案的應用研究

張 雪，余勝男

(深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司，廣東 深圳 518020)

端午節賽龍舟是中華民族傳統賽事，部分城市每年都會舉辦一次，而近年來，賽艇運動也越來越平民化，正逐漸走進百姓生活，成為民眾的業余愛好，同時其比賽對塑造品牌效應、提升城市形象有極大幫助。賽龍舟及賽艇運動要求長、直賽道，隨著各城市河道整治工程的實施，在河道中進行比賽已成為可能，因此，如何保障比賽期間河道的水量和水質則變得尤為重要。

由于中國賽艇協會擬在深圳市大沙河下游河口段舉行賽艇比賽，為保證賽艇項目的順利開展，需對深圳市大沙河進行補水調度，以提高河道水環境容量，改善河道水質，確保河道水質水量滿足比賽要求。本文將以大沙河為實例進行研究，總結、提煉方法，為此類賽事的補水調度提供參考借鑒的理論依據。

1 計算原理和方法

結合流域內引、調、擋、壅水工程，建立大沙河的水動力模型；初步擬定幾種補水方案作為模型輸入邊界條件，將模型模擬結果代入河道水環境容量公式，計算補水后河道各項水質指標含量；再基于模糊數學法，評價水質情況，從而確定補水方案的可行性。

1.1 河網水動力模型

MIKE 11 HD[1]的河網水動力模型[2]基于一維非恒定流圣維南方程組：

式中，t—時間坐標，s；x—空間坐標，m；A—過流斷面面積，m2；Q—流量，m3/s；h—水位，m；q—旁側入流流量，m3/s；C—謝才系數；R—水力半徑，m；α—動量校正系數；g—重力加速度，m/s2。

1.2 水環境容量

水環境容量由兩部分組成：稀釋環境容量和自凈環境容量。由于引水在河網內的停留時間較短，水體因自凈改善水質的作用非常有限，稀釋成為水資源調度改善河道水質最主要的機理之一[2]。

本文水資源調度污染物稀釋研究的思路如下：

第1步，分析確定水資源調度區污染物的主要種類和主要污染物濃度水平，調查污染物排放總量(污水量q污，主要污染物濃度C污)；第2步，根據MIKE水動力模型模擬補水方案，確定河道的引補水量Q補、補水水質C補；第3步，確定現有流量Q現、水質本底濃度C現；第四步，忽略自凈作用的前提下，假定沉淀可忽略不計，計算水資源調度后稀釋水體的水質C，則C=(C污·q污+C現·Q現+C補·Q補)/(q污+Q現+Q補)

圖1 水動力計算的河網概化圖

1.3 模糊數學法

模糊數學法是計算水質綜合評價指數方法之一[3]，它引用了模糊矩陣復合運算方法，先對各單項參數的隸屬度進行評價，然后考慮各項參數在總體中的地位，配以適當的權重[4]，再用模糊概念進行推理，經過模糊矩陣復合運算[5]，得出綜合評價結果。

2 實例應用

2.1 大沙河流域概況

大沙河為深圳灣水系入海河流，流域面積92.99km2，河長13.83km。上游建有西麗、長嶺皮2座水庫，控制集雨面積38.93km2；中游建有西麗再生水廠，設計規模5萬m3/d；下游段為感潮河段，河口建有1座水閘。

2.2 河網概化

河網概化的基本原則是被概化后的河道能夠反映天然河道的基本水力特性，Mike模型中通過輸入河流走向、各橫斷面形式及河底高程，使得模型概化后的河道在輸水能力上與實際的河道基本保持一致。本次計算上邊界為長嶺皮、西麗水庫壩下，下邊界為河口水閘下游100m處。

2.3 邊界條件

本模型將研究河道共劃分為2個計算河段，共456個斷面，3個流量上邊界(上游兩水庫下泄流量過程及中游西麗再生水廠排放水量)，1個水位下邊界(潮位過程線[6])，考慮河道中游2座壅水堰，橋梁20座，河口處閘門1座，其成果能夠滿足本次計算要求。水動力計算的河網概化圖如圖1所示。

2.4 計算工況(補水方案)

根據大沙河河道周圍水源情況，擬定大沙河補水主要有以下4個方案。

方案1：本次賽艇比賽位于大沙河河口感潮河段，因此可以利用河口潮汐變化通過水閘的調度對河道進行補水，在低潮時泄水、高潮時補水，當高潮補水達不到要求水位時，利用泵站抽取海水補充不足水量。

方案2：部分水量利用潮汐變化補海水，部分水量通過上游水庫補水。

方案3：部分水量利用潮汐變化補海水，部分水量通過附近原水管和上游水庫補水。

方案4：全部水量由上游水庫補水。

2.5 計算參數

模型模擬效果好壞主要與模型參數取值是否合理有直接的關系。本研究建立的MIKE 11河道一維水動力模型關鍵參數為河道糙率，即曼寧系數。大沙河多年來分上游段和中下游段分段治理，目前全河段已治理完成。選取典型年1966年6月份的潮位作為現狀水平年潮位變化，上游考慮兩水庫滲漏來水，利用現狀河口處實測水位數據對模型參數進行調試，經調試計算，河道曼寧系數中上游段可取為0.035，下游段取為0.03時，河道各個斷面水位過程模擬得較好，河口以上4km河道的水位為現狀實測水位2.1m。結果如圖2所示。

圖2 水動力計算河道縱斷面水位圖

項目方案1方案2方案3方案4大潮小潮大潮小潮大潮小潮大潮小潮河道本底7.8810.927.8810.927.8810.927.8810.92補水水源水量/萬m3海水43.4735.4221.7218.6811.158.11——原水————1010——再生水1.716.728.68.68.818.8110.149.46長嶺皮水——14.8614.8615.2215.2235.0432.68補水時間8h12min1d8h16min41h17min41h17min42h17min42h17min48h40min45h24min

2.6 模型計算成果

利用潮汐變化的水位差，在低潮時泄水、高潮時補水，不足水量由各計算工況下補水水源及時補充，以河口處潮位、補水水源及為滿足比賽達到的賽道2.1m水位要求為邊界條件，通過模型可計算各工況下補水時間和各水源補水水量，模型計算成果見表1。以工況4為例可知，本次根據潮汐特征，分別選取1個大潮和1個小潮進行模擬，大潮情況再生水補水量為10.14萬m3，長嶺皮水庫補水量為35.04萬m3，補水時間需48h40min，小潮情況再生水補水量為9.46萬m3，長嶺皮水庫補水量為32.68萬m3，補水時間需45h24min。

2.7 稀釋水體水質指標計算

河道水質本底值、再生水及長嶺皮水庫水采用實際水質檢測值，結合水動力模型計算各補水方案的補水水量。以方案4為例，根據水環境容量計算方法計算不同潮型下河道補水后的水質各項指標值，成果見表2。

表2 稀釋水體水質指標值計算成果表

2.8 模糊數學計算

根據GB3838- 2002《地表水環境質量標準的地表水水質分級標準》見表3。

表3 水質分級標準表 單位：mg/L

某項參數的隸屬度，用線性函數表示，由此根據稀釋水體水質指標數值計算其對應的隸屬函數得出一個4×5的模糊關系矩陣：

根據分指數超標情況進行加權，超標越多，權重越大。根據公式計算出單項參數的權重值Wi，并為進行模糊運算，對各項參數的權重值進行歸一化運算得出參數的權重Vi。可計算各參數指標的權重值，見表4。

表4 各項水質權重值計算表 單位：mg/L

然后進行模糊矩陣復合運算，該算法與普遍矩陣類似，只將矩陣乘法運算中的加號“+”改為“∨”，將乘號“·”改為“∧”。“∨”的意義為取加數中最大者為“和”，“∧”的意義為取相乘兩數較小者為“積”，由此得到模糊矩陣的復合運算：

B大潮= [0.31 0.18 0.24 0.27]

=[0 0.24 0.31 0 0]

B小潮=[0.33 0.18 0.22 0.27]

=[0 0.22 0.33 0.22 0]

計算得到的矩陣B表示該水質的隸屬度評價結果，經過歸一化后，結果見表5。

表5 大小潮工況下方案4的水質隸屬度分析表

由表5可見，按方案4補水后大沙河下游段的水質為地表水Ⅲ類。同理，另外3個方案的綜合評價指標見表6。

表6 大小潮工況下其它方案的水質隸屬度分析

由表5、6可知，方案1水質為V類，方案2、方案3水質為Ⅳ類，方案4水質為Ⅲ類，僅方案4能滿足賽艇比賽對河道水質的要求，可采用此補水調度方案。

3 結語

在河道水動力模型基礎上，利用模糊數學法計算河道水環境容量，并應用于實際賽艇比賽中，對補水效果進行評價，方法簡便易行，可為此類賽事的補水調度提供參考借鑒作用。