基于減水河MIKE11建庫后對水環境的影響

盧 慧，董紅霞，軒曉博

（黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州450003）

翁結水庫位于云南省臨滄市耿馬傣族佤族自治縣，為瀾滄江二級支流南碧河上規劃建設的一座中型水庫，總庫容3880萬m3，壩址距離瀾滄江一級支流小黑江口67km。水庫開發任務主要為生產生活和灌溉供水。水庫運行后，壩址下游河道水量減少，造成了長67km的河段不同程度減水。河道減水后將使區間河流水面縮窄，水深變淺，流速趨小，河流的納污能力下降，另一方面，灌區退水經沿線支流又匯入南碧河。為確保工程運行后，減水河段水質目標不下降，需下泄一定水量用于下游河道污染物稀釋水量。

當前在河流、湖泊水質水動力研究中應用較為成熟的數值模型主要由DHI-MIKE、EFDC和WASP等，采用類似水環境數學模型進行河湖等地表水體的模擬研究應用廣泛，如常旭、武亞菊等［1-3］應用DHI-MIKE、EFDC和WASP模型對河流和湖泊進行了數值模擬。本文基于DHI-MIKE11水動力、水質數學模型，確定翁結水庫運行時的較優下泄過程，為工程運行后對下游河道水環境影響提供了科學依據。

1 DHI-MIKE模型及其基本原理

DHI-MIKE是由DHI（丹麥水利研究所）開發研制的系列軟件，其根據多個數學模型集成開發研制成綜合模型，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、水質、水溫等水環境各個領域。本工程采用MIKE11一維模型進行模擬預測翁結水庫下游河道水質情況。

1.1 水動力模塊（HD）

MIKE11 HD模塊基于一維明渠非恒定流方程，其理論基礎是Saint-Venant方程組，水流連續方程反映了河道中的水量平衡，如式（1）：

動量方程如式（2）：

式中 A為過水斷面面積；t為時間坐標；Q為流量；x為距離坐標；q為旁側入流量；g為重力加速度；h為水位；C為謝才系數；R為水力半徑。

1.2 水質模塊（AD）

MIKE11 AD模塊可對水體中的可溶性物質和懸浮性物質對流擴散過程進行模擬，根據HD模塊產生的水動力條件，應用對流擴散方程進行計算。

一維河流水質模型的基本方程為：

式中 C為模擬物質的濃度；μ為河流平均流速；Ex為對流擴散系數；K為模擬物質的一級衰減系數；t為時間坐標；x為距離坐標。

對流擴散系數是一個綜合參數項，可通過經驗公式估算：

式中 V為流速，來自水動力計算結果；a，b均為用戶設定的參數。

2 數學模型構建和預測方案確定

2.1 灌區污染源情況

耿馬灌區點源退水主要為耿馬縣生產生活退水，這部分退水經污水處理廠處理后以點源形式排入南碧河支流，最終匯入南碧河；灌區面源退水主要為農村生活面源及農田面源。根據對耿馬灌區范圍內現狀年（2017年）和規劃年（2030年）的污染源排放情況進行統計和預測，計算出灌區規劃年較現狀年入河污染源增加情況如表1。

表1 灌區入河污染源較現狀年增加情況

2.2 模型構建

由于南碧河是翁結水庫所在河流，同時下游減水河段為灌區主要退水河段，因此本文利用MIKE11軟件在南碧河一維水動力學模型預測結果的基礎上，增加入河排污口，構建南碧河一維水質模型。

水質模擬指標為COD和氨氮。模擬河段范圍為翁結水庫壩址至南碧河入小黑江匯口段，共67km。由于南碧河沒有直接排入的點源，對于面源的排放，本次根據灌區范圍內DEM高程數據和排澇渠系分布情況，基于GIS軟件流域剖分和匯水路徑分析功能，對灌區范圍內面源退水路由進行了剖分，模擬河段區間污染源均概化成由支流十八道河、菜籽地河、芒信河、南木老河及擋帕河匯入南碧河，如圖1。

圖1 南碧河下游灌區污染物排放過程

本次模型上邊界采用1972年6月～2014年5月共42年的流量資料，下邊界為水位邊界。考慮最不利情況，即預測河流流量在典型枯水年（P=90%）水文條件下的污染物排放過程。

3 壩址下游河道水質影響預測結果

將MIKE11水動力模塊與水質模塊進行耦合，模擬計算水庫運行期間典型枯水年南碧河水質變化情況，選取南木老河與南碧河交匯口斷面、芒片河與南碧河交匯口斷面、入小黑江匯口斷面3個代表斷面進行對比分析，各斷面水質預測結果如表2，表3和圖2。

由表1，表2和圖2可知，隨著翁結水庫壩下南碧河干流沿程工農業及生活供水量的不斷增加，相應的退水污染物入河量不斷增加，南碧河干流水質從上游至下游是逐漸變差的過程，污染物濃度增值在逐漸擴大，至灌區末梢小黑江匯口前斷面，水質最差，相比工程建成前的COD、NH3-N濃度的增幅也最大。但工程建成后，南碧河干流水質總體均能滿足水環境功能區劃要求的地表水Ⅳ類目標，說明翁結水庫下泄的水量過程能夠滿足下游河道水環境目標的要求。

表2 各斷面COD預測結果 單位：mg/L

表3 各斷面NH3-N預測結果 單位：mg/L

圖2 下游河道水質預測結果

4 結語

（1）通過對建庫后下游減水河段的模擬，基于減水河段水動力的變化和灌區污染物的排入分析，確定了翁結水庫的最佳下泄水量，在此水量的基礎上可確保下游減水河段水環境質量在可接受的范圍內。

（2）使用MIKE11水環境數學模型輔助水庫的規劃設計，可為水利工程的科學設計提供技術依據。