MIKE21模型在贛江入湖口及鄰鄱陽湖水域水質模擬的應用

沈 越,張 健,尤佳藝,王長芳子,黃 一

(1.江西省生態環境監測中心,330039,南昌;2. 江西省生態環境科學研究與規劃院,330039,南昌;3. 江蘇河海環境科學研究院有限公司,210009,南京)

0 引言

隨著經濟社會的發展和城市化進程的加快,我國河網水系結構變化明顯,河湖水系連通性變差,給水生態環境、水資源利用乃至區域發展都帶來了諸多問題[1]。為優化區域水資源綜合配置能力,結合區域發展布局,充分利用尾閭地區河湖水系和綜合整治工程,構建南北向以贛江為主線的水系連通體系,實現水資源與經濟社會布局空間均衡。尾閭地區水系綜合整治工程實施后,引起河流水文和水力條件發生顯著變化,進而對河流水質、生物棲息環境和生物群落產生重要影響。目前,MIKE21在水系綜合治理中主要體現在水動力及水質擴散分析等方面。王哲等[2]運用MIKE21模擬了金倉湖的流場分布及水質擴散情況;楊衛等[3]研究了湯遜湖湖泊群5種不同連通方案下的水動力和水質分布情況;錢佳歡等[4]模擬了陽明湖水系綜合整治工程不同工程下水系的水位及流場分布情況;張虎等[5]運用MIKE21軟件模擬對比了“菜子湖”和“白蕩湖”引水方案對巢湖水質的改善效果;李洋等[6]運用數值模型在長江流域一級河網中模擬水庫調節引起河流水文和水力條件。本文以贛江尾閭綜合整治工程為例,運用MIKE21軟件建立了二維水動力模型,計算正常調度方案下贛江入湖口及其相鄰鄱陽湖水域水質的變化情況,從水環境質量改善的角度為項目的建設提供科學依據。

1 工程概況

1.1 研究范圍

通過建設贛江南昌水利樞紐(由主支象山樞紐、北支進口樞紐、中支南新樞紐和南支吉里樞紐4座控制閘組成),以贛江為縱線,以贛撫航道、城南護城河等現有河渠為橫線,以象湖、青山湖、艾溪湖、瑤湖、青嵐湖等主要湖泊為節點,構建以南昌市昌南城區為核心的水系連通格局,本次分析運用MIKE21軟件建立的評價影響范圍為贛江入湖口及其相鄰鄱陽湖水域。

1.2 水位調度參數及依據

1)外洲典型斷面15.5 m目標水位;

2)外洲水文站實測實時水位、流量;

3)贛江四支整治后水量分配方案(表1);

表1 贛江各分支在不同流量級條件下流量分配表

4)贛江主、中、南支各控制閘的閘上、閘下水位;

5)各水閘以閘下水位為參數的“閘上水位-閘下水位-下泄流量”關系線(即泄流曲線)等。當外洲斷面水位低于15.5 m時,通過閘門的運用使其抬高至15.5 m,并基本滿足各分汊水量需求;當外洲斷面水位高于15.5 m時,加大閘門的開啟度直至閘門全開泄流,以使典型斷面水位降至15.5 m。

1.3 基于規劃樞紐正常調度情形下的邊界條件

規劃樞紐正常調度在從7月份中高水位時開始調度,當贛江樞紐正常運行調度使得河流達到相應的調控目標水位時,由于河流水文條件和入湖水質的變化對下游鄱陽湖會產生影響,根據水環境影響評價導則要求,采用外洲站近10年最枯月平均流量時的水文條件作為模型邊界水文條件,計算方案的邊界條件具體見表2。

表2 基于南昌樞紐不利調度的水環境影響計算方案表

2 水動力模型構建

2.1 模型基本方程

2.1.1 水動力基本方程 基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服從于Boussinessq假定和靜水壓力的假設。二維非恒定淺水方程組為:

式中,t為時間,x,y為橫縱坐標,h=+d為總水深=水位+靜水深,u,v分別為x,y方向上的速度分量,f是哥氏力系數,ρ為水的密度,S為源項,Sxx、Sxy、Syy為輻射應力分量。

2.1.2 水質基本方程 水質方程是以質量平衡方程為基礎,采用垂向平均的二維水質模型。二維水質輸移方程為:

式中,Ci為污染物濃度,u、v為x、y方向上的流速分量,Ex、Ey為x、y向上的擴散系數,Ki為污染物降解系數,Si為污染物底泥釋放項。

2.2 模型構建

本次建立鄱陽湖水動力模型[7-13]。模型計算范圍水下高程利用部分湖體實際地形數據和資料地形圖,模型計算范圍見圖1。

圖1 鄱陽湖二維模型計算范圍圖

初始水位設定取水位年鑒資料平均水位,起始時刻流速設為0。模型以各入湖河流水文水位站作為邊界,模型計算共劃分18 768個三角形網格。模型計算時間步長為△t=600 s。

2.3 模型參數率定

利用鄱陽湖內部都昌、星子、棠蔭、龍口、康山、吳城水位站作為水動力參數率定點位,選取1、5、7月分別作為枯平豐3個不同水期的代表月對模型水動力進行率定,模型水平渦粘系數Cs取值0.28。底床的摩擦力采用河道糙率值,選用曼寧數表示,介于0.018～0.022之間。風拖曳系數0.001 2～0.001 6。各率定站點計算值與實測值對比如圖2～圖4所示,模型計算結果的水位與實測水位絕對誤差不超過20 cm,所建模型能夠較好地適用于鄱陽湖的水動力模擬。

圖2 鄱陽湖1月各水位率定點計算值與實測值對比圖

圖3 鄱陽湖5月各水位率定點計算值與實測值對比圖

圖4 鄱陽湖7月各水位率定點計算值與實測值對比圖

2.4 區域飲用水源及主要污染源概化

區域影響范圍內從市汊至南昌樞紐之間共概化46個入江排口以及1個規劃未建設污水廠尾水(樵舍污水處理站10萬噸/天)入江排口。概化后的區域水環境敏感目標及排污口分布示意圖如圖5。

圖5 區域污染源概化排口相對位置示意圖

3 對贛江入湖口及鄰鄱陽湖水域水質的影響預測分析

規劃贛江攔河樞紐正常調度時,且在近十年最枯月流量不利條件下,預測樞紐正常運行對鄱陽湖水質影響結果見表3所示,規劃前后鄱陽湖濃度場圖如圖6所示。

圖6 規劃樞紐建設前后贛江入湖口及鄰鄱陽湖水域水質濃度場對比圖

4 結論

1)應用MIKE21模型構建能客觀反映贛江入湖段COD、氨氮、TN、TP的濃度時空分布模型,模型計算結果的水位與實測水位絕對誤差不超過20 cm,表明模型模擬精度較高,所建模型能夠較好地適用于鄱陽湖的水動力模擬。

2) 規劃南昌樞紐建設對鄱陽湖水質影響主要集中在入湖口閘門及附近區域,對鄱陽湖整體影響較小。規劃樞紐正常運行后,靠近贛江的南磯山、伍湖分場鄱陽湖考核斷面水質濃度有所減少;靠近金溪咀劉家、南湖村鄱陽湖考核斷面水質濃度有所增加,但總體變化較小,不改變鄱陽湖水質類別,對鄱陽湖影響較小。