基于MIKE21模型的甘龍河水質改善分析

張偉超 馬士謙

摘 ?要：針對甘龍河水環境存在的諸多問題，提出了“一河一策”河流水環境優化方案。基于MIKE21模型定量評價該方案的效果，選取COD、NH3-N為特征性指標，考慮了豐水期、平水期、枯水期3種模擬工況。模型結果表明，該調控方案能有效降低甘龍河的污染負荷量，與預測污染負荷情況相比，COD削減量約14.50t/a（削減率約8.70%），NH3-N削減量約2.82t/a（削減率約17.39%），為甘龍河水環境治理提供了理論依據。

關鍵詞：甘龍河MIKE21水質預測水環境優化

中圖分類號：文獻標識碼：

Abstract： In view of the problems existing in the water environment of Ganlong River， the optimization scheme of "one river， one policy" is proposed.The effect of the scheme was quantitatively evaluated based on the MIKE21 model， COD、NH3-N was selected as the characteristic index， three simulation conditions are considered： high-water period， normal water season and low-water season.The model results show that the regulation scheme can effectively reduce the pollution load of Ganlong River.Compared to the predicted pollution load situation，the COD reduction is 14.50t/a （cut-rate about 8.70%），and the NH3-N reduction is 2.82t/a （cut-rate is about 17.39%）， providing a theoretical basis for the environmental treatment of Ganlong River.

Key Words： Ganlong River; MIKE21; Water quality prediction; Water environment optimization

我國經濟社會的快速發展，給流域水環境帶來了前所未有的壓力，流域水環境治理成為我國水利發展的迫切需求。近年來，隨著水環境數值模擬定量化、可視化的不斷發展，產生了一系列的水質分析數學模型，現應用較為成熟的數學模型主要有WASP、QUAL2、QUASAR及MIKE等[1]。張葉等[2]等運用MIKE21模型，定量分析了潮白河在優化方案下的水質改善情況，證明了MIKE21模型能有效運用在水環境治理中。李大鳴[3]等運用MIKE21模型對洋河水庫水質富營養化進行模擬，指出當水體溫度較高、流速較低時易發生富營養化，這與本文枯水位下污染物濃度升高的結論相吻合。宮學亮[4]等基于MIKE21對南四湖上級湖的水量水質進行模擬研究，為南四湖水質的改善提供了理論依據，并在文中介紹了COD在水體中的降解速度很快。簡而言之，水質模型已應用于排污口設計、污染物水環境過程模擬、水環境質量評價、污染物水環境行為預測等水環境保護的各個方面[5-6]。

1 研究區域概況

甘龍河是烏江東岸一級支流，地跨貴州省松桃縣、沿河縣和重慶市酉陽縣。研究主要針對甘龍河酉陽縣境內河段，起于南腰界鄉紅巖村花口，止于小河鎮小河村騾子口。甘龍河干流水量較大、污徑比小，流域內主要是城鎮生活污水、農業面源等污染源，不存在大型的高污染工礦企業，未發現甘龍河流域存在黑臭水體及劣質類水體。

2 模型建立

2.1 網格劃分和選擇區域

計算河段流域面積1563.5km2，河長60.6km。模型采用三角網格劃分研究區域，將邊界文件、地形文件導入MIKE21的網格生成器，設置網格的生成參數即可生成計算網格，圖1為在MIKE21中導入了地形數據的網格模型圖。

2.2 排污口設置

根據統計調查，將甘龍河流域各個鄉鎮排污口簡化合并為3個排污口。從上游到下游依次為南腰界鄉入河口、李溪鎮入河口和官清鄉入河口，排污口具體位置見圖2。

2.3 模型參數設置

模型模擬時長為341d，計算時間步長根據CFL條件自適應調整，CFL設置為0.8，河床底部糙率通過將實測水位、流速與模型模擬結果進行對比后設置為曼寧數=28。

源匯項主要是經概化的3個排污口，水動力模塊源匯項考慮不同模擬工況的流量;水質模塊源匯項設置3個排污口的入河污染量，根據實測資料依次賦值，COD為22.59mg/L、26.38mg/L、14.65mg/L;NH3-N為4.58mg/L、4.62mg/L、3.06mg/L。

衰減系數：為簡化計算，將污染物在水環境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為綜合衰減系數。根據相關資料，COD、NH3-N的綜合衰減系數分別取2.315×10-6s-1、2.894×10-6s-1。

由于模擬時間跨度比較大，因此根據給定的水文資料將本次模擬分為豐水期、平水期和枯水期3種工況，各工況對應的流量分別為77.9m3/s、44.3m3/s、15.2m3/s。

3 結果與分析

根據流域情況在研究河段各位置處設置監測斷面，其中T1為上游進口斷面，T18為下游出口斷面。

3.1 現狀水質模擬驗證

模擬結果與水質實測數據基本相同，表明了MIKE21模型對于研究河段水質模擬的準確性。根據模擬結果，上、下游現狀水質COD濃度最大相差2.103mg/L、氨氮濃度最大相差0.044mg/L，各特征指標濃度值從上游到下游呈降低趨勢，這說明研究河段內水質受污染物入河的影響范圍和影響強度較小。模擬過程中COD、NH3-N在研究河段內的濃度值變化較小，在河道排污口處存在波動，且發現枯水期時的污染物濃度最大。

3.2 “一河一策”措施后水質模擬

通過岸線垃圾清理和管控、城鎮污水管網建設、農業面源污染綜合治理、不達標水體治理和流域內生態修復等一系列措施對甘龍河水質情況進行改善與提高。

采用整治措施實施后污染負荷入河量，各工況下的污染物濃度變化趨勢相近，污染物濃度在排污口處存在波動，同樣是枯水期的污染物濃度值最大。選用枯水期污染物濃度的現狀值與措施后值進行對比，可見該方案對水體中污染物濃度降低效果氨氮優于COD，一部分原因為COD濃度為氨氮濃度的數十倍，導致整治前后對比效果不明顯;另外，也考慮到COD在水體中的降解速度快于氨氮，具體濃度對比差值見圖3。

4 結語

經過與實測資料進行對比，MIKE21模型能準確模擬甘龍河酉陽河段的水動力水質情況。根據水質模擬結果，發現上游輸入水質對河流水質影響較大，因此還需協調治理秀山河段。研究河段內枯水期時的污染更嚴重，污染物濃度在排污口處存在波動，因此要加大對枯水期和排污口處水環境的治理力度。與預測污染負荷情況相比，COD削減量約14.50t/a（削減率約8.70%），氨氮削減量約2.82t/a（削減率約17.39%）。

參考文獻

[1] ?翟敏婷，辛卓航，韓建旭，等.河流水質模擬及污染源歸因分析[J].中國環境科學，2019，39（8）：

3457-3464.

[2] ?張葉，孟德娟，于子鋮，等.基于MIKE21的城市河流水質改善與達標分析[J].水電能源科學，2020，38（9）：48-52.

[3] ?李大鳴，卜世龍，顧利軍，等.基于MIKE21模型的洋河水庫水質模擬[J].安全與環境學報，2018，18（3）：1094-1100.

[4] ?宮雪亮，孫蓉，蘆昌興，等.基于MIKE21的南四湖上級湖水量水質響應模擬研究[J].中國農村水利水電，2019（1）：70-76，82.

[5] ?劉晨輝，劉思飔，李丹，等.基于MIKE21模型的長江中環排污口水質影響分析[J].中國農村水利水電，2020（1）：72-76，82.

[6]李添雨，李振華，黃炳彬，等.基于MIKE21模型的沙河水庫水量水質響應模擬研究[J].環境科學學報，2021，41（1）：293-300.