基于MIKE模型的薔薇河流域水系連通方案研究

徐喬婷，程 健，強 超，嚴春華

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

1 研究區概況

薔薇河位于江蘇省連云港市中部，流域面積為1143.85 km2，屬于沂沭泗水系沂北地區。薔薇河全長97 km，多年平均水位為2.5 m，年徑流量約6.7億m3。

連云港市內薔薇河截水河道主要為龍梁河、石安河和薔北截水溝，其中龍梁河、石安河分別截去東海縣西、中部50 m和18 m等高線以上的洪水；薔北截水溝為規劃沿5 m等高線的截水溝，又稱淮沭新河，由于該工程未完全按規劃實施，5～18 m等高線之間的洪水入薔北截水溝后仍匯入薔薇河，來水水質存在污染風險，同時市域范圍內薔薇河沿線工農業及生活污染形勢嚴峻，嚴重影響連云港市區用水安全。

2 模型建立

通過構建研究區域一維水動力水質數學模型，尋求薔薇河流域合理的水系連通方案，解決水質安全問題。采用丹麥水力研究所(DHI)開發的MIKE系列軟件，應用降雨徑流(NAM)、水動力(HD)及對流擴散模塊(AD)耦合構建流域水文、水動力及水質數學模型并進行方案設計。

NAM模型模擬流域內的降雨徑流過程，產生的徑流作為旁側入流進入到HD模型的河網中，AD模塊以HD模塊的計算結果為基礎，主要用于模擬可溶性物質和懸浮性物質在水體中的對流擴散過程。MIKE11模型能夠很好地模擬水生態和水流環境，友好的人機界面和高度的可視化使其得到了廣泛應用[1-6]。

2.1 模型構建

薔薇河流域北至新沭河、南至薔薇河樞紐、西至石安河、東至薔薇河，河網主要概化為石安河、新沭河、薔薇河、民主河、馬河、薔北截水溝、魯蘭河、白魯干渠、烏龍河、磨山河共計10條河道。見圖1。

圖1 河網概化

2.1.2 工程調度規則概化

根據《三洋港擋潮閘調度方案》《臨洪管理處工程控制運用及調度方案》，本次東站自排閘閘上控制水位2.5 m，臨洪閘、烏龍河自排閘閘上控制水位2.0 m，當閘上水位高于控制水位，且閘上水位高于閘下水位，開閘排澇，否則關閘；當東站自排閘、烏龍河調度閘閘上水位高于3.0 m，且閘上水位低于閘下水位不能自排時，分別開啟臨洪東站、西站。

2.1.3 污染源概化

基于2011年全省污染源普查結果，并于2017年核實各數據資料，薔薇河流域污染源主要有工業污染、城鎮生活污染以及農村面源污染，主要污染物為COD，因此本研究區域污染物質主要考慮COD，其他河網污染物質不做詳細模擬。工業污染主要是點源污染，依據企業排污口的位置將排污量、污染物濃度等進行概化并加入河網相應位置；城鎮、農村面源污染根據社會經濟調查資料并參照研究區土地利用圖進行概化并加入各河段，采用完全混合模型進行分析計算。

2.2 模型率定

2.2.1 定解條件和參數選取

(1)定解條件。 一維河網水動力數學模型的定解條件包括初始條件和邊界條件。

初始條件：河道蓄水控制水位均為1.5～1.8 m，本次河網初始水位為1.8 m，所有閘門處于全關狀態。

有所懼 有所為——《無手老師》觀后感（綠筱） .........................................................................................11-62

邊界條件：上游邊界取河道上游端點處流量過程；下游邊界取外海潮位或設計潮型；內部邊界利用實測或設計降雨過程，將水文計算的小區域產匯流計算成果耦合到一維河網水動力模型中。

(2)糙率選取。 本次根據沂北地區河道實際情況結合以往規劃設計資料和經驗值初步確定糙率，通過試算進行率定分析，確定新沭河段太平莊閘下灘面糙率取0.0350，泓道糙率為0.0225；其他區域骨干河道設計糙率取泓道為0.0225、灘面為0.0300。

2.2.2 水文參數獲取

由于研究區域薔薇河流域內各河道匯水范圍出口無水文站點，缺少實測水位流量數據。本文采用水文比擬法，選取青口河黑林站上游流域(山東省境內)作為參證流域，黑林站作為流域出口，選取洙邊、黑林、汪子頭以及臨沭等4站作為流域內降水代表站。以2015—2020年主汛期(6月1日—9月30日)作為率定時段。

除2018年外其余年份黑林站流量過程模擬值與實測值的吻合度較高，水文計算成果基本能反應黑林站以上流域降雨徑流物理特性，滿足計算要求。根據率定結果，將參證流域水文參數移植至薔薇河流域各河道匯水范圍降雨徑流模型。

2.2.3 水動力參數率定

選取薔薇河流域石梁河站、小許莊站、臨洪閘站2017年7月17—30日逐日實測流量過程作為模型上邊界，下邊界采用連云港站實測潮位過程，區間匯流采用同期降雨、蒸發等實測數據資料，采用薔薇河流域NAM降雨產匯流模型分別計算流域內各匯水區的產匯流過程，作為水動力模型區間匯流邊界條件。

選用小許莊站、臨洪閘站作為率定站點，對比分析率定站點實測和模擬水位，水位模擬對比結果見圖2。

圖2 薔薇河2017年小許莊站、臨洪閘實測值與計算值對比

根據對比結果最大水位差<0.1 m，水位漲落趨勢一致，基本滿足計算精度要求，參數設置合理，模型可以準確模擬薔薇河流域洪水過程和水力計算。

2.2.4 水質模型率定

基于已通過率定和驗證的水動力模型，選取2017年7月8日—8月5日為水質模型率定時段，采用同期水質監測數據作為邊界條件以及率定站點的對比分析數據，率定水質模型的主要參數，分析結果見表1和圖3。

表1 主要指標計算均值與實測均值對比

圖3 各支流河口COD濃度計算值與實測值對比

根據表1和圖3可知，薔薇河干流COD的實測值與計算值變化趨勢基本一致，均值相對誤差<6%。整體來說水質模擬效果較好。存在部分誤差的主要原因，一是降雨徑流模擬存在偏差，二是面源污染難以定位。總體而言，薔薇河流域主要水質指標實測與模擬值處于同一數量級，變化趨勢基本一致，基本能夠代表水質指標在河流中的對流擴散過程，能夠達到研究要求。污染物降解系數取值為0.048/d。

3 方案擬定

為保證連云港市區飲用水源地的水質，進一步提升薔薇河流域水質水環境，逐步實現水系結構的優化布局，依據流域現狀，按照區域高低分排規劃布局，根據薔薇河飲用水源地水質保護要求以及現場查勘和沿線地形、水利工程等實際情況，擬定三種水系連通方案。具體方案擬定見表2。

表2 水系連通方案措施

4 水系連通方案對水質的影響分析

基于率定的研究區水動力水質耦合模型，選取2017年7月17—29日為研究時段，分析三種不同水系連通方案薔薇河干流污染物濃度變化情況。海州水廠和茅口水廠為連云港市主要供給水廠，因此將其納入重要評估節點。不同連通方案海州水廠和茅口水廠污染物濃度變化過程見圖4，薔薇河干流主要節點污染物平均濃度現值及減少值見表3。

表3 水系連通各方案COD污染物相對現狀改善成果

圖4 海州水廠、茅口水廠不同方案COD濃度變化過程

由模型計算結果可知，三個方案均能使薔薇河干流主要污染物濃度有不同程度減小，其中方案一通過高橋河和葉蕩大溝截取薔北截水溝上游區域來水入魯蘭河，薔北截水溝口以下河段水質有了一定的改善，污染物平均濃度減少超過20%。

方案二在方案一的基礎上關閉民主河閘、馬河閘，將民主河和馬河上游區域來水調入薔北截水溝再經魯蘭河外排，民主河口以下河段水質有了進一步改善，民主河口至薔北截水溝口污染物平均濃度減少超過15%，薔北截水溝口以下河段污染物平均濃度減少約40%，海州和茅口水廠取水口河段水質得到進一步改善。

方案三基于方案二，針對薔薇河上游來水水質存在污染風險情況，在黃泥河與友誼河交匯處新建攔河堰引污水入薔北截水溝，薔薇河干流全線水質改善，民主河口以上河段污染物平均濃度減少超過10%，民主河口至薔北截水溝口污染物平均濃度減少超過30%，薔北截水溝口以下河段污染物平均濃度減少接近50%，海州和茅口水廠取水口河段水質進一步改善。

綜上所述，各水系連通方案都使薔薇河干流污染物濃度有了不同程度的減少，其中方案三對水質的改善效果最為明顯，薔薇河全線水質都得到提升，海州和茅口水廠取水口河段污染物濃度減少接近50%。

5 結 論

(1)研究構建了薔薇河流域降雨徑流-水動力-水質耦合模型，通過參數率定、模型驗證，基本能夠反映研究區水文水動力和水質物理特性，滿足研究要求。

(2)薔薇河流域的面源污染是連云港市飲用水源地的主要污染源，主要污染物為COD。實施不同水系連通方案均能使薔薇河干流主要污染物濃度有不同程度減小，河道水質得到改善，方案三改善效果最為明顯，能使連云港市區的飲用水源安全得到進一步保障，但具體方案實施還需分析研究薔薇河流域防洪除澇要求。