水質數值模型在渾河流域水量水質模擬中的應用

王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設監理有限公司， 遼寧 東港 118300)

1 概述

渾河流域位于遼寧省中部，是遼河的主要支流，河流全長415.40 km，流域面積為11 481.0 km2，該流域在海城古城子鎮附近的三岔河和太子河匯入大遼河，并經過營口市流入渤海[1]。大伙房水庫是渾河干流上的大型骨干控制工程，流域面積為5 437.0 km2，總庫容為22.68億 m3，是大(I)型水利工程，水庫設計年供水量為9.70×108m3。渾河流域大中型水庫特性一覽表，見表1。

表1 渾河流域大中型水庫特性一覽表

渾河閘位于渾河干流上，建于1959年，其主要功能是農田灌溉[2]，該閘有32孔，其中22孔為攔河閘，其余10孔為進水閘，該閘為寬頂堰，洞高為8.20 m，寬度為10.0 m，閘門的地面高度為31.50 m，經過消除危險和加固措施后改成30.50 m，閘寬度為257.40 m，閘門為弧形鋼閘門，高度為4.0 m，寬度為10.0 m，單門重量為7.70 t，隔離柵是一臺固定門式提升機，具有一門一機固定卷揚式啟閉機，提升力為2×50 kN，規模為大(2)型。該流域內有大型灌區7個[3]，其各灌區基本情況調查見表2。

表2 渾河流域大型灌區情況調查統計表

2 渾河流域水質模型構建

2.1 水質模擬與參數率定

2.1.1 污染源概化

計算河流水質時，水質污染源的概化是一個相對復雜的課題[4-5]，涉及排放口的概化和污染物負荷的概化，根據調查和分析統計，渾河流域的大多數工業企業都位于撫順至沈陽市所在河段流域，工廠和企業通過管道或溝渠排放污水，沿河分布著數十個污水出口，大小排放口的組合可以概括為29個點源排放口。見圖1。

2.1.2 特征污染物確定

根據2009年至2018年渾太流域水質監測資料及分析結果，該流域水質污染已相當污染。尤其在沈陽下游污染更為嚴重，平均COD濃度為41.60 mg/L，枯季為58.80 mg/L，平均氨氮濃度為5.89 mg/L，枯季為15.70 mg/L，因而本文計算有機物的水環境容量是選擇COD和氨氮作為代表。

2.2 參數率定

參數率定主要為衰減系數和擴散系數，分別代表自凈化的幅度和稀釋，使用常規水質監測站的監測值對參數值進行校準，根據2015-2018年該流域的排污量和水質水量同步監測數據分析，其完整性和可靠性較好，故被質參數的率定年。

2.2.1 擴散系數

其計算公式為：

D=a×ub

(1)

式中：D為擴散系數；a為擴散系數常數；b為擴散系數指數；u為流速，m/s。采用Fischer半經驗公式對擴散系數的值進行分析率定[6-7]。

(2)

式中：u為流速，m/s；B為河寬，m；H為水深，m；I為坡降；u*為摩阻流速。

由式(2)可知影響擴散系數的因素，坡降i、河寬B是恒定的，由于該流域不同季節的上游水量不同，因此流速和水深會發生相應變化，因此，為了與實際情況更加接近，對于不同時間段的不同部分，擴散系數常數α應分別率定，擴散系數的極限值應單獨設定，擴散系數指標值b始終等于2，恒定系數值a在上限和下限之間進行率定， 同時，設置AD參數后，河流D的經驗系數在5.0至20.0之間。選擇2018年作為水動力模型對其結果進行計算，結果見表3。

表3 2018年渾河擴散系數計算成果表

2.2.2 衰減系數

污染物降解系數[8]是分析和衡量和水體污染程度的主要指標之一，它與河流的地質、河寬、深度及邊界條件有關，其公式為：

k=86.4u(lnc1-lnc2)/x

(3)

式中：k為衰減系數，d-1；u河段平均流速，m/s；x為上下斷面之間的距離，km；c1和c2為河段上下游污染物濃度，mg/L。

在水庫中，水流幾乎是處于靜態的[9]，其衰減特性與河道的衰減特性有所不同，因此，有必要設置水庫的衰減系數，詳見見表4。

表4 渾河衰減系數k率定結果 d-1

2.3 模擬結果及合理性分析

以2018年的該流域的水質監測數據為例，由于該數據是以月為單位，因此該模型以月為單位進行輸出，并選擇撫順和黃臘坨兩個水質監測站的資料對結果進行擬。其擬合情況見圖2～圖5。

圖2 撫順站氨氮模擬值與實測值對比

圖3 撫順站COD模擬值與實測值對比

圖4 黃臘坨站氨氮模擬值與實測值對比

圖5 黃臘坨站COD模擬值與實測值對比

由圖2～圖5可知，水質模擬結果與實際監測數值之間仍然存在差距，但是汛期的模擬精度較高，而非汛期的模擬精度較低，從模擬效果的總體趨勢看，枯季特征污染物的濃度相對較高，而洪水期特征污染物的濃度相對較低，這說明河道水質呈季節性變化， 模擬結果可以代表污染物擴散和衰減的過程。

3 現狀年渾河水量水質模擬

3.1 現狀年的選取

根據1959-2018年大伙房水庫自然入流量的統計數據，以及利用皮爾遜III型曲線進行的頻率分析，屬于正常的枯水年，因此確定2018年為枯水年。

3.2 水動力模擬結果分析

建立水量水質模型，并將模擬值與實際監測值進行對比分析，見表5。

表5 渾河各測站年徑流量對比表 億m3

由表5可知，撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站年徑流總量誤差分別為21.59%、4.06%、4.19%，模擬效果良好。2018年撫順站、黃臘坨站、邢家窩棚站的實測月均流量和模擬流量結果對比圖見圖6～圖8。

圖6 撫順站實測徑流與模擬值對比

圖7 黃臘坨站實測徑流與模擬值對比

圖8 邢家窩棚站實測徑流與模擬值對比

結果顯示：撫順站流量的模擬值與實測值有很大差異，但總體變化趨勢趨于相同，4月和5月的模擬結果明顯高于實測值，分析表明，渾河閘閘上游在5月為農業供水，導致該河流徑流較小，由于數據限制，該模型不包括農業取水口，因此具有模擬數值較高，黃臘坨、邢家窩棚站的模擬值與實際監測值的總體趨勢是一致的。 由于閘壩模擬中計算的不穩定性和其他因素，水動力模型的計算結果存在偏差，可進一步用于水質模擬。

3.3 水質模擬結果

圖9～圖10是2018年全年撫順站特征污染物濃度模擬結果，可以看出水質整體模擬效果較理想。

圖9 撫順站氨氮模擬結果實測值對比

圖10 撫順站COD模擬結果與實測值對比

圖11～圖12是在枯季(3月和10月)和雨季(6月)，污染物的濃度沿縱剖面變化，汛期渾河干流的污染物特征濃度明顯低于枯水期，可以看出，河流徑流是限制旱季水質改善的重要因素[10-11]，撫順站和興家窩棚站的化學需氧量濃度高于沈陽站和邢家窩棚站的其他地區，這與大量污水出口的聚集有關。

圖11 渾河流域氨氮沿程濃度

圖12 渾河流域COD沿程濃度

4 結語

本文選取位于撫順市～沈陽市區段內污染源分布較密集的渾河干流區段作為渾河研究對象，范圍為大伙房水庫壩下～邢家窩棚水文站，利用MIKE11(HD)和(AD)模塊構建水動力水質模型，并根據長序列水文水質監測數據對模型進行率定與驗證，確保模擬精度；應用MIKE11(SO)模塊進行調度模擬，最大程度還原研究區段內徑流、水質及水利工程運行特征，提供用于聯合調度的響應工具