基于MIKE11的調水引流改善平原河網水質方法

康譯文

（同濟大學土木工程學院，上海 200092）

1 研究區水環境

該文所選研究區位于我國海岸線中段，是浙江臺州境內比較關鍵的河道水系，地形以平原為主，整體地勢較為平坦。研究區內主要水系為金清水系，該水系位于溫黃平原的東部和南部，流域面積1201.8km2，發源于溫嶺市、黃巖區交界的太湖山東麓，東行至大溪后進入平原河網地區，大概有1500 條河道。根據該區水環境功能劃分方案可知，研究區一共可以分成21 個水功能區：8 個多功能區、6 個飲用水源區以及7 個其他功能區。根據該研究區統計年鑒的統計結果可知，水環境主要受生活、農業和工業廢水的污染，各類污染物的入河量見表1。

表1 平原河網主要污染物入河量表

據調查報告顯示，該研究區的21 個水功能區內有12 個水功能區存在嚴重污染，現狀水質為Ⅴ~劣Ⅴ類水，水質達標率僅9.85%，已經影響了周圍人民的日常生活，所以需要對該研究區內的水環境進行修復。

2 水環境模型建立與調水引流修復

2.1 建立MIKE11水環境模型

MIKE11[1]是一個可以模擬各類水體的專業工程軟件，該文為了研究平原河網流域水環境修復技術，引入MIKE11 建立水環境模型[2]。先選取合適的MIKE11 子模塊。MIKE11 軟件主要包括水動力（HD）、潰壩（DB）、水質生態（Ecolab）以及污染負荷計算（Load）等眾多功能模塊，因此MIKE11不僅可以模擬河流的水力學、水環境等信息，還可以呈現河流在空間與時間上的水文特點。該文主要運用水動力（HD）、降雨徑流（RR）以及水質對流擴散（AD）這3 個功能模塊。其中，HD 主要用于模擬研究區內河道的水位流量等水文狀態，求解河道水位流量是HD 模塊的基本功能，其計算如公式（1）所示。

式中：B為河道邊界入流的流量數據；S為河道過水斷面的面積數據；Q為河道過流的流量數據；t為計算點的時間參數；k為計算點的空間坐標。

根據水動力條件，采用對流擴散方程對河流水環境中的懸浮性物（SS）和可溶性污染物質進行計算，其基本方程如公式（2）所示。

式中：u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。

RR 模塊中包括眾多板塊，如NAM、UHM 等，但該文在研究中主要使用RR 模塊中的NAM 板塊來模擬降雨產匯流的過程。NAM 板塊是一種概念性、集總式的模型，如圖1 所示。該模型能夠基于數據支持來簡化和定量模擬流域內的降雨產匯流過程，描述斜坡流量、土壤流量、基底流量和土壤含水量的變化等。

圖1 NAM 模擬水文過程

RR 模塊中的NAM 板塊是將降雨產流轉化成地表流域的過程。用非線性模型表述研究區域的地表降雨匯流過程需要聯立曼寧方程和連續方程求解，理論公式如公式（3）、公式（4）所示。

式中：L為河流寬度；n為曼寧系數；hp為地面水深；V為地表的集水量；A為地表面積；d為水的深度；i為降雨強度。

河床糙率是河道水動力計算的主要參數。為提高模型的水動力模擬精度，該文針對長河不同河段河道的水力特性，分別從上游河源頭至下游入河口對自然與人工河道糙率，即曼寧系數水力參數進行率定?；诔跏紖捣磸驼{參試算，盡可能使流量的模擬值接近實測值。率定期內，水量模擬值與實測值的平均相對誤差滿足要求，自然的河流取值一般為0.3~0.4。

AD 是基于HD 模塊實現的，主要用于模擬河道水體中各類物質的運輸流程，也可以結合MIKE11 的其他模塊對水環境污染物的擴散系數進行率定，從而確保MIKE11 水環境模型的精度。AD 模塊的對流擴散如公式（5）所示。

式中：D為水環境污染物的濃度數據；v為河道水流速度數據；η為水環境污染物的擴散系數；μ為水環境污染物的衰減系數。

MIKE11水環境模型的建立流程[3]如下：1）獲取MIKE11水環境模型建立所需的數據和邊界條件，其中所需各類水量、水環境數據均來源于該研究區內的水利部門統計年鑒，模型邊界條件則根據河道監測數據來設定。2）建立MIKE11水環境模型。水環境模型主要由河網、斷面、邊界降雨以及水質參數等文件組成，其中MIKE11 水環境模型的HD 模塊生成需要先將研究區域的流域底圖備份文件作為平原河網底圖，在該底圖上描繪出研究區域內各河道走向，并對地圖坐標進行修正處理，然后將各河段的名稱更改為實際河道的名稱，從而實現河道信息的錄入，并形成河網文件。3）建立研究區域河段的斷面文件。使用Update Markers 功能將河段斷面信息進行標記，實現斷面信息的錄入，并形成斷面文件。同時再建立研究區域內河段的時間序列與HD邊界文件，二者可以確保MIKE11 水環境模型正常運行并且不會對模型精度產生影響。4）建立HD 參數文件與模擬文件，以保證MIKE11 水環境模型可以平穩啟動。在參數文件中將初始水位設定在河底與河床高度之間，確保模型正常運行計算，并控制模擬文件的柯朗數在8 以下，這樣才能縮短MIKE11 水環境模型的運行時間。5）生成MIKE11 水環境模型的AD 模塊。先在HD 模塊基礎上確定研究區內河道的污染因子和污染物的擴散系數、衰減系數，然后結合初始條件與邊界條件信息生成MIKE11 水環境模型的AD 模塊。6）生成RR 模塊。MIKE11 水環境模型的RR 模塊需要參考研究區內氣象監測資料來建立，根據氣象數據計算出研究區內日降水量和蒸發量，將其作為模型輸入參數，并將雨水徑流匯入河道的面源COD 等物質當作穩態排放污染物，以此生成RR 模塊。最后將上述生成的全部文件聯立起來，從而生成最終完整的MIKE11 水環境模型。

2.2 調水引流修復

調水引流在穩定內河水環境、修復水環境面貌方面成效顯著。為此，該文以現狀條件為基準，同時設計了2 種調水引流方案，即低水引清和高水引清，均在科學引排調度基礎上，通過改變河道水體流動條件來實現平原河網流域水環境的修復[4]。

2.2.1 低水引清

在平原河網水位適宜的基礎上，充分發揮現有水利工程的優勢，在河道包圍圈外，沿著河道兩側泵閘開始抽水，將平原河網的水位降低至12cm 左右。同時將平原河網內各處閘門都打開，通過向外抽排降低河道水位差。在河道水體抽排過程中，可以使用集中泵排與分散泵排2 種排水方式，通過排水促進河道水體流通，從而達到水環境修復的目的[5]。

集中泵排：包圍圈外圍沿平原河網側泵閘中，集中開啟高位水閘門向平原河網排水，排水流量均為5m3/s，其他低位水閘門側口門關閉。

分散泵排：包圍圈外圍沿平原河網側泵閘中，分散開啟高位水閘門向運河排水，其他低位平原河網側口門關閉。

2.2.2 高水引清

高水引清需要結合平原河網引水流量的實際要求，發揮平原河網沿線泵站的導流功能，將優質水體引入河道。并運用河道外圍泵閘將河道水位控制在設計范圍內，以分散泵排或者泵排結合自流的形式將河道內水體排出，從而達到平原河網流域水環境修復的目的。

2.2.3 水環境修復程度定量分析

為了更直觀地描述2 種調水引流方案修復平原河網流域水環境的效果，該文以水環境濃度改善率為評價指標，定量分析平原河網流域水環境修復程度，其計算如公式（6）所示。

式中：G為平原河網流域水環境濃度改善率；C1為調水引流前平原河網流域水環境濃度；C2為調水引流后平原河網流域水環境濃度。

利用G來評估平原河網流域水環境修復程度時，如果所求G值大于零，說明平原河網流域水環境濃度呈下降狀態；反之，如果所求G值小于零，說明平原河網流域水環境濃度呈上升狀態。

3 修復效果分析

3.1 不同方案氨氮濃度改善率對比

為研究上述2 種調水引流方案對平原河網流域水環境的修復效果，該文分別獲取了引水天數為1d~12d 的平原河網氨氮濃度改善率的變化情況，如圖2 所示。

圖2 平原河網流域水環境濃度改善率對比圖

由圖2 可知，隨著引水天數的增加，這2 種調水引流方案下的氨氮濃度改善率均呈上升狀態。當引水天數由1d 增加至5d 時，采用高水引清方法的平原河網流域水環境改善率顯著增加，從20%提升至63%。主要原因是高水引清方案通過抽引優質水源來增加平原河網水系內清水的流通量，從而使氨氮濃度改善率得到了明顯提升。而采用低水引清方法的平原河網氨氮濃度改善率雖然有所增加，但僅從20%提升至41%，其增加幅度大大低于高水引清方法。由此可以說明，平原河網氨氮濃度改善率和引水期間內河道水體流通量之間存在直接聯系。當引水天數由6d 增至12d 時，低水引清與高水引清這2 種調水引流方案下的平原河網氨氮濃度改善率均穩定在63%，說明這2 種方案均可以較好地實現預期活水效果，并獲取有效的水環境修復效果。

3.2 不同河道氨氮濃度改善率對比

在上述研究基礎上，該文還詳細探討研究區內同一調水引流方案對不同河道水環境的修復效果，調水引流方案采用高水引清方案，引水天數為7d，結果見表2。

表2 高水引清下不同河道氨氮濃度改善率對比表

由表2 可知，在同一調水引流方案中，不同河道的氨氮濃度改善率各不相同，但都會隨著引水時間增加呈上升趨勢，并且當引水天數為5d 時，氨氮濃度改善率達到峰值。

4 修復建議

4.1 污染物排放減量

綜合考慮污染可控性、既有排污格局和技術經濟可行性等因素，兼顧效率與公平，結合經濟優化分配法和污染貢獻分析法，合理分配允許排污量至子流域各行政區劃或控制單元，充分利用河流水環境納污能力，在確保目標斷面水質達標的同時，有效提高河流水環境質量。

4.2 水資源優化配置

為了實現水量優化配置、水資源科學利用，可在對長河流域降水、水資源總量、可利用量、現狀情況下流域內水資源開發利用情況等進行分析的基礎上，結合當前水資源管理的法律、法規及當地水資源管理的“三條紅線”相關要求，優先考慮節水和再生水利用。在此基礎上結合流域徑流、洪水特征、地形條件以及土地利用規劃等情況，通過建設蓄水活水工程、閘壩工程以及調蓄型濕地工程等，最大程度地保證河道生態用水，改善河道水動力條件，并改善河流水質。

4.3 水生態環境修復

根據“因河制宜、生態優先、最小干預、有水為藍、無水則綠”的原則，突出“以水為脈、以綠為韻”的理念，結合防洪與水質改善工程建設內容，可通過加入綠廊、濕地、生態河道構建及生物多樣性、增加動植物種類和群落組成等設計手法，拓寬河道現有生境和植物群落，適度營造生物棲息空間，構建聯系山體—河道—濕地的多元生態、通行脈絡，發揮河道生態環境資源的特殊優勢，構建讓長河呈現“水豐、水活、水凈、水美”狀態的健康水系網絡。

5 結語

該文針對平原河網流域水環境遭受重度污染的問題，綜合考慮水文特征與經濟成本，應用MIKE11 水環境模型的HD、AD 以及NAM 模塊模擬平原河網流域水環境，并設計了低水引清與高水引清2 種調水引流方案來修復平原河網流域水環境。由于該文所選研究區的資料不足，MIKE11 水環境模型中模擬的降雨徑流量與實際數據有一定差距，造成了不可避免的誤差，為了取得更好的凈水效果，今后將繼續深入研究以彌補這方面的不足，使MIKE11 水環境模型更精準。