基于MIKE11模型的南涑河初汛期水质水量调度研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.028

摘" 要：北方冬春两季气候干燥，降水不具备形成径流条件，农田残留化肥、腐败有机物等污染物在沟渠内聚集。汛期沟渠内污染物随地表径流汇入河道，对干流河道水质造成影响。为研究初汛期污染物汇入对河道水质的影响，选择北方淮河流域重点河流南涑河作为研究对象，针对COD和氨氮，建立MIKE11模型模拟在初汛期随污染物汇入后南涑河水质的变化规律，探索最佳调度方案解决初汛期污染物含量过高的问题。研究表明，初汛期南涑河省控断面老屯桥不满足水质要求。通过模型模拟，截污能够保证初汛期南涑河省控断面水质满足水质目标。该方法为MIKE11模型的广泛应用提供基础，并为北方河道初汛期水质污染提供解决思路。

关键词：MIKE11；初汛期；联合调度；水质污染；水质变化规律

中图分类号：X522" " " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0112-04

Abstract： The climate in winter and spring in northern China is dry， the precipitation does not have the conditions to form runoff， and the pollutants such as residual chemical fertilizer and rotten organic matter gather in the ditch. During the flood season， the pollutants in the ditch converge into the river with the surface runoff， which has an impact on the water quality of the main river. In order to study the influence of pollutant influx on river water quality in the early flood season， Nansu River， a key river in the Huaihe River Basin in the north， was selected as the research object. Aiming at COD and ammonia nitrogen， a MIKE11 model was established to simulate the change law of Nansu River water quality with the influx of pollutants in the early flood season， and to explore the best dispatching scheme to solve the problem of excessive pollutant concentration in the early flood season. The study shows that Laotun Bridge in the control section of Nansu River does not meet the requirements of water quality in the early flood season. Through the model simulation， sewage interception can ensure that the water quality of the control section of Nansu River in the early flood season can meet the water quality target. This method provides a basis for the wide application of MIKE11 model， and provides a solution to water pollution in the early flood season of northern rivers.

Keywords： MIKE11; early flood season; joint dispatching; water pollution; water quality change law

南涑河属于淮河流域，种植业、畜禽养殖业发达，但相应污水处理设施建设不完善，农村生活污水集中处理率低，会对周围环境产生不利影响。北方冬春两季气候干燥，降水不具备形成径流条件，残留化肥、腐败有机物等污染物容易在农田沟渠内聚集。在汛期，农田沟渠内的污染物随地表径流汇入河道，造成河道水质恶化[1]。此外，流域内城市老旧小区、城郊、城中村等生活污水收集管网不完善，未被收集的生活污水也会随降雨进入河道，引起河道水质恶化。

目前世界上针对河道水质水量的研究相对较多，丹麦水利单位（DHI）研究开发的MIKE系列软件是目前验证最多的水文权威软件[2]。MIKE模型广泛应用于汛期对行洪安全的研究，张林[3]利用MIKE11模型对章水流域南康区河道典型断面的防洪能力进行了评价。苏晓天[4]以MIKE FLOOD为平台，研究不同设计降雨情景下区域的水文区域和内涝风险。在水环境方面，田凯达等[5]利用MIKE11构建合肥市十五里河水动力及水质模型成功研究该河道水质改善效果。张斯思[6]利用MIKE11研究涡河污染物变化规律，并对点源截污、污水厂升级改造等方案进行了预测，为河流综合治理工程决策提供借鉴和依据。董增川等[7]通过搭建水质水量调度模型研究水工建筑物调度对水质的改善效果。

本文以淮河流域典型河道南涑河作为研究对象，利用MIKE11模型研究初汛期南涑河水质变化规律，同时采用水质水量联合调度的方式，解决初汛期污染的问题。这对于研究淮河流域初汛期河道水质变化规律及水质水量联合调度具有较大研究意义。

1" 区域概况及研究思路

南涑河位于淮河流域邳苍郯新片区，长42 km，流域面积279.1 km2，河道比降约1/1 000～1/2 000。2020年对南涑河进行治理，河道治理长度21.55 km，防洪标准为20年一遇。南涑河流域上游流经临沂工业园区，中游流经罗庄区城区，下游流经大面积农田，区域第一产业、第二产业比重大，村庄、社区人口分布较集中，上游小型工业企业分布较为密集，下游农田种植业、畜禽养殖业等产业较为发达。南涑河入河污染物主要来自沿河城镇生活污水、农村生活污水、污水处理厂尾水、农业种植面源污染及畜禽养殖废水。

南涑河流域共有3处污水处理厂，出水均执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准；南涑河流域小型工业企业、乡镇企业分布较广，主要产业类型包括化工、铸造、食品、建材和制药等，工业废水主要经由污水处理厂处理达标后进入水体；南涑河流域穿越城区段生活污水基本都纳入市政管网经污水处理厂处理后排放，管网覆盖率超过90%，根据各县区统计年鉴估算，南涑河流域城镇人口按9.18万计，污水集中处理率按95%计算，入河系数按0.2计算，南涑河未集中处理城市生活污水入河排污量1.809万t/a，COD总入河量约14.640 t/a，氨氮总入河量约2.009 t/a；根据现场调查，流域约50%村庄尚未建设排水管道，农村生活污水排水系数为0.33，则农村生活污水排放量为16.5 L/（人·日）。按照南涑河流域农村人口及排污水质计算农村生活污水产污量，农村生活污水集中处理率按35%计，根据村庄及乡镇驻地距离河道远近，入河系数按平均0.1取值，入河排放量7.184万t/a，COD总入河量约14.368 t/a，氨氮总入河量约1.437 t/a。根据《第一次全国污染源普查-农业污染源 肥料流失系数手册》及南涑河流域范围内农田种植作物类型、种植面积，根据肥料流失系数确定南涑河流域农田径流污染源强为COD 1.797 kg/（亩·年）（1亩约等于667 m2，下同），氨氮0.104 kg/（亩·年），入河量按20%计，流域耕地面积约37万亩，经核算南涑河农田种植业COD总入河量约132.59 t/a，氨氮总入河量约7.67 t/a。南涑河流域主要养殖种类为鸡、鸭、鹅、猪和羊，流域内规模化畜禽养殖场污水处理设施和粪污资源化利用设施配建率基本达到100%，本次污染源核算主要考虑规模以下畜禽养殖场产生的粪污排放情况。畜禽养殖产污及排污系数采用《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》相关系数，本次研究范围属于华东区，采用华东区相关系数，COD入河排污量约为10.57·t/a。

南涑河现设有老屯桥断面1个地表水环境省控考核断面，如图1所示，位于罗庄区老屯村大桥处，通过分析南涑河2019—2021年历年水质数据可知，南涑河流域水质满足地表水Ⅳ类水水质要求。但由于南涑河流域污染源较多，初汛期沟渠内累积冬春两季的污染物随地表径流汇入南涑河，污染难以得到有效控制等原因，省控断面在初汛期间仍有不满足近期水质目标Ⅴ类水要求的可能。

2" 流域模型构建

2.1" NAM水文模型构建

本文利用NAM水文模型耦合计算多个旁侧入流模拟流域内产汇流过程，基于90 m×90 m的DEM数据和南涑河集水区域，将研究区域划分为不同的水文分区，每个水文分区的参数均为本区域的参数平均值。根据收集到的流域内罗西、罗庄、角沂和临沂等8个水文站点的2020年降雨数据，利用泰森多边形法计算南涑河水文分区内平均降雨量，流域蒸发数据采用2020年老屯站蒸发数据。

将每个水文分区概化成一个NAM模型，水文模型的产汇流参数是模型的率定参数，其余均为确定性参数。

2.2" 水动力学模型

2.2.1" MIKE11 HD简介

MIKE11 HD水动力计算模型基于一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态[8]，利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解[9]。

2.2.2" 水动力学模型构建

1）河网概化。概化河网综合考虑了南涑河及其主要支流包括老龙沟、渔梁沟、降水沟和藕蒲沟等，最终确定概化15条河道，概化河道总长度196.773 km。

2）断面概化。南涑河、小黑沟、降水沟、藕蒲沟和老涑河采用实测断面数据，每隔100 m设置1个断面；老龙沟、洪沟、渔梁沟等其他支流利用地形数据、相应河道的河宽水深数据及河道坡降数据，以梯形断面的方式进行概化。

3）边界设置。HD模块将NAM模型得到的径流结果通过设置耦合链接汇入相应支流河道[10]。模型的外部边界为上游入流和下游出口的边界条件，河道上游端点给定一个恒定的流量值作为源头入流边界条件，区间子流域入流同样也通过NAM水文模型计算，并连接到河道中，模型下游采用实测水位进行边界设置。

4）水工结构物设置。MIKE11 SO将水工建筑物分为不涉及调度规则的一般水工建筑物和涉及调度规则的水工建筑物[11]。通过设置不同的调度规则控制水工建筑物的运行方式，实现水质水量联合调度。

2.3" 水质模型

MIKE11 AD模块能够对水体中的可溶性物质和悬浮性物质对流扩散过程进行模拟，其根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算并通过设定衰减常数来模拟非保守物质[12]。

2.4" 模型率定

2.4.1" 水动力模型率定

河床的糙率系数是水动力学模型的重要参数，也是模型率定的重点。根据研究经验，模型河道糙率初始值设置为0.03 s/m1/3，通过人工手动率定的方法，对河道糙率系数进行了率定，确定最终取值。模拟过程中，纳什系数为0.84，模拟效果良好。

2.4.2" 水质模型率定

选择南涑河老屯桥断面为验证断面进行水质率定，COD误差均值为10%，氨氮误差均值为2%，模拟效果良好。

3" 情景分析

3.1" 情景概述

冬春两季气候干燥，污染物在沟渠内聚集，在初汛期随降雨径流汇入河道，造成河道水质恶化，为研究初汛期河道水质污染现象，选择2020年6月16日—18日作为研究时段，利用MIKE模型模拟污染物在初汛期的汇入过程。选择COD、氨氮2项指标反映初汛期水质情况。水质模拟结果显示随着污染物不断汇入，河道COD、氨氮质量浓度逐渐升高，无法满足省控断面水质要求。

3.2" 调度方案

3.2.1" 截污

根据污染物汇入情况，超标河段主要集中在老龙沟、泄洪渠（小清河）和藕蒲沟（降水沟），其中泄洪渠和藕蒲沟上存在支流闸，出于研究考虑老龙沟上假定存在支流闸，水闸分布如图 1所示。在满足行洪安全的前提下，通过控制支流节制闸，减少污染物汇入南涑河，实现治理截污改善干流水质的目的。

3.2.2" 调水

南涑河上游为涑河，通过调水稀释，能够改善下游水质。根据前期研究成果，调水量25 m3/s时，水质依然不满足省控断面水质要求，根据2020年6月18日前涑河（小涑河）周井辅站和鼓楼台站实测流量值，本次只考虑调水量5 m3/s的情况。

采用水质水量联合调度的方式解决南涑河初汛期水质污染的问题，模拟情景为初汛期水质变化（支流闸开闸无调水），调度方案见表1。

3.3 结果分析

3.3.1" 模拟结果

调度结果如图2所示。由图1可知，调度方案一、调度方案五、调度方案六和调度方案七的COD与氨氮均满足省控断面水质要求。调度方案二、调度方案三、调度方案四不满足水质要求，说明泄洪渠、老龙沟支流截污及调水稀释效果不明显，这是因为泄洪渠、老龙沟主要流经城区，不存在面源污染，城市生活污水汇入有限，因此截污效果不好。

3.3.2" 方案分析

由方案一、二、三可知，泄洪渠和老龙沟水质污染较轻，对南涑河水质影响较小，在关闭闸门的条件下，截污效果不明显，且由于上游来水量的减少，反而不利于下游水质的净化。藕蒲沟对省控断面水质影响最大，藕蒲沟是南涑河上最大的支流，流域内以农田为主，大量残留化肥、农药在沟渠内聚集，在初汛期随地表径流汇入河道造成污染。在地理位置上，藕蒲沟闸距离老屯桥断面不足4 km，污染物得不到有效降解稀释，这也是藕蒲沟对干流水质影响最大的一个原因。

研究结果表明，截污是改善河道水质的重要途径，通过控制节制闸，减少污染物汇入干流，能明显提升干流水质。截污受支流污染物含量和流量的影响，在本次研究中，藕蒲沟是南涑河主要支流，流域面积大，对干流水质影响大，在控制藕蒲沟闸的前提下，能够有效改善南涑河水质。此外，截污需要考虑行洪安全，本次研究藕蒲沟满足五年一遇除涝设计标准。

汛前开闸泄水不但能够缓解河道行洪压力，同时对下游水质起到稀释作用。由方案四可知，自涑河调水至南涑河能够令COD含量达到省控断面水质要求，但氨氮含量仍然超标。这是因为涑河本身含有污染物，且调水量受实际水量的限制，导致稀释效果不明显。因此，受水质、水量的影响，调水对水质的改善效果有限。

研究结果表明，截污和调水是改善河道水质的重要途径，在本次研究中，截污效果更明显，在保证行洪安全的前提下，关闭藕蒲沟支流闸，能够减少污染汇入，改善干流水质。

4" 结束语

本文基于MIKE11模型搭建南涑河流域一维水文水动力水质耦合模型，可应用于模拟污染物汇入后南涑河水质变化规律。研究发现，在初汛期污染物随地表径流汇入河道，会造成南涑河水质超标，为解决这一问题，通过施行截污和调水2种方式，在保证行洪安全的前提下，能够对水质起到改善效果，对污染最严重的支流实施截污是改善干流河道水质的最优方式。

参考文献：

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基金项目：山东省淮河流域重点平原洼地沿运片邳苍郯新片区治理工程科学研究项目（PCTXPQ-KY202002）

第一作者简介：董坤明（1987-），男，硕士，工程师。研究方向为水利工程规划设计。

*通信作者：韩庆港（1997-），男，助理工程师。研究方向为环境科学等。