基于MIKE模型的黄沙河流域水质改善评估

郭 振 汤新武

(1.中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518101；
2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

近年来，我国黑臭水体治理理念和技术不断发展，以水质改善为核心，逐渐形成了“源—迁—汇”全过程治理的主要思路[1]。东莞市作为全国首批水生态文明建设试点城市之一，牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，全面推进内河涌水环境综合整治。黄沙河作为东莞市东江流域的重要支流，是东江生态带的重要组成部分，更是东莞市对接珠三角城市群、粤港澳大湾区的纽带[2]。随着经济的发展，黄沙河流域水环境不断恶化，2016—2018年水质监测数据显示，国考断面水质类别为劣Ⅴ类，部分支流水体水质处于黑臭状态。黄沙河流域水体污染问题已严重影响周边居民的生活质量与城市形象，不利于城市的发展，水环境治理迫在眉睫[3]。

水环境数学模型经过长期发展，在城市水环境治理和流域水务管理中得到了广泛应用[4-5]。水环境模型的研究成果也层出不穷[6-9]，为系统解决黄沙河流域水环境问题，践行“流域统筹、综合治理”的设计理念，本文在对流域现状进行研判的基础上，提出系统治理方案，并根据市各部门、镇(街)治理工作总体安排，以水质达标Ⅴ类为目标，采用MIKE模型建立黄沙河流域水环境模型，评估不同治理方案下流域水质达标效果，为工程组织设计工作提供指导。

黄沙河为寒溪河左岸一级支流，发源于大岭山，流域内有大岭山、茶山、东城、寮步4个镇(街)，全长34.90km，总集雨面积197.6km2，两岸大部分有堤防或河岸防护。黄沙河中游现建有同沙水库，总库容6355万m3，水库坝址控制流域面积98.8km2；
同沙水库以下黄沙河干流长12.45km，流经东城街道、寮步镇和茶山镇，主要支流有筷子河、西南河和横竹河，流域水系分布见图1。本次研究范围主要为同沙水库以下至汇入寒溪河口部分。

图1 黄沙河流域水系图

3.1 模型范围

黄沙河流域横跨4个镇(街)，有大小河涌34条。为简化建模计算，根据实测黄沙河流域河涌水质检测结果及调查的流域内排污口分布情况，对黄沙河河网进行概化分析，构建黄沙河流域干流及主要支流数学模型，其余支渠及排污口概化为点源加入模型，黄沙河干支流均采用最新的实测河道断面数据，见图2。

图2 黄沙河流域水质模型

3.2 水动力-水质方程

采用MIKE系列软件中的模块MIKE11 AD进行黄沙河流域水动力水质模型计算。

3.2.1 水动力控制方程组

河网地区水体流动具有明显的一维特征，因此大多采用一维Saint-Venant方程组对河道水流情况进行模拟计算，水动力控制方程组为

式中：Q为流量，m3/s；
A为过水面积，m2；
q为单位长度侧向入流量，m3/s；
R为水力半径，m；
α为动量校正系数；
h为过水断面深度，m；
g为重力加速度，m/s2；
x为距离变量；
t为时间变量；
C为谢才系数。

3.2.2 水质输运方程

与水流数学模型一致，当污染物在横断面上混合比较均匀时，其在水体中的输移转化过程符合一维运动特征，一维水质输运方程为

式中：C为模拟物质的浓度，mg/L；
u为河流平均流速，m/s；
Ex为对流扩散系数；
K为模拟物质的一级衰减系数；
x为空间坐标；
t为时间坐标。

3.3 边界概化

依据黄沙河流域污染源特点，造成流域黑臭的污染负荷主要来自区间内工业点源和城镇生活点源、地表径流与农田面源以及底泥内源释放。根据收集的污染源资料，经过整理核对，对黄沙河流域干流污染源进行概化处理。

a.点源概化。根据调查资料，流域内4个镇(街)共有819个排口，总排污量31.9万t/d。对于相对集中分布的直排排污口，为了方便模型计算，概化为一个点源加入模型中，点源输入位置通过负荷量加权平均得到。

b.面源概化。流域面源污染主要发生在雨季，地面污染物随降雨径流进入管网中，研究表明，面源污染负荷主要发生在初雨过程中。依据黄沙河流域面源污染分布特点，面源污染主要分为农田面源污染和城市地表径流污染两大类。地表污染负荷主要随降雨进入管网再排入黄沙河流域。农田面源污染和城市径流污染参照《全国水环境容量核定技术指南》中推荐的“标准农田法”和“标准城市法”进行估算。黄沙河流域涉及的4个镇(街)的面源污染入河量统计情况见表1。

表1 面源污染统计情况

c.支渠概化。黄沙河流域干支渠众多，共计34条。对于流域面积较小的支渠在入干流端口处概化为点源加入到黄沙河流域模型中。

d.内源概化。考虑到黄沙河流域沿程不同位置底泥厚度及污染状况不同，根据对黄沙河流域沿程布点处底泥的取样厚度及相关报告的结果，初步给定底泥污染物释放速率，最终以线源的形式沿河概化到模型中参与计算。

经过对污染源排口、支渠进行概化，流域入流边界共有64个，现状情况下概化后的模型输入界面见图2。

e.参数选取。污染物综合衰减系数与河流的水文条件、污染物特征等因素有关，模型计算参数选取见表2。考虑水动力迭代要求和CFL条件，水动力水质模拟的时间步长设置为10s。根据流域历史洪水水面线率定的糙率成果，并参考黄沙河流域干支流的防洪规划及河道整治规划的成果分析，黄沙河计算模型区域内河道糙率取值为0.026～0.032。

表2 模型计算参数取值

3.4 模型计算及率定

根据设置的边界条件和模型计算的参数值构建黄沙河流域一维水质模型(晴天工况下)，同时，利用2017年7月对黄沙河流域干流进行的水质水量监测成果，对构建的水环境模型进行率定，结果见图3。

由图3可知，模拟曲线和实测值除了个别点误差较大外，其余基本相当，均在允许的误差范围内。因流域内缺少实测河涌流量系列资料，会对污染负荷、河道水质的模拟产生一定的影响；
另外，各类污染源实际排放过程的不确定性也会造成模拟值结果和实测值之间的偏差，总体来说，模拟结果能够基本反映河道断面的水质变化趋势。黄沙河流域模型经过率定后的参数取值为：NH3-N衰减系数0.06/d，TP衰减系数0.013/d，扩散系数10m2/s，糙率取值0.03。

图3 实测值及模拟值对比情况

4.1 工程设计方案

在满足黄沙河流域目标水质的条件下，水体能接受的污染物最大负荷总量的确定，不仅需要对包括点源和非点源的污染负荷进行分配，同时要考虑预留安全值和季节性变化，采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准。因此在现状水质模型的基础上，依次对工程逐步实施后的水质进行模拟，查看各个河涌的水质浓度值，评估工程措施对整个黄沙河流域水质目标的可达性。

在进行工程措施削减量效果分析时分别考虑了晴天和雨天时的削减效果，因此在进行水质模拟时分晴天和雨天两种情景来考虑，雨天主要考虑初雨径流对河涌水质的影响。不同情景的工程效果方案见表3。

表3 不同情景的工程效果方案

4.2 晴天情景下水质达标分析

对在黄沙河全流域水质“Ⅴ类水”的目标下所采取的工程措施效果情况进行分析，晴天情景下各工况NH3-N和TP的治理效果见图4和图5。

图4 晴天情景下黄沙河流域各工况NH3-N改善情况

图5 晴天情景下黄沙河流域各工况TP改善情况

从模拟结果来看，对于NH3-N，在工况1工程实施后，整个黄沙河流域均消除黑臭水体，黄沙河上游至西南河入口段达到了Ⅴ类水质，平均浓度为0.89mg/L，筷子河和狮子河源头河段达到Ⅴ类水质，其余河涌均为劣Ⅴ类水质，水质浓度范围为2.21～4.96mg/L；
对于TP，黄沙河上游至西南河入口段达到了Ⅴ类水质，平均浓度为0.20mg/L，西南河及黄沙河中下游段浓度范围为0.40～0.96mg/L，横竹河与狮子河交汇口段TP的浓度较高，平均浓度为1.33mg/L。

继续实施工况2工程措施后，NH3-N以及TP浓度值进一步下降，除了横竹河河口段以及从河口段至黄沙河河口段、筷子河河口、沙墩渠河口等水质为劣Ⅴ类外，其余河涌3项指标均已达到了Ⅴ类水质，主要原因是在横竹河河口处有竹园污水处理厂以及计划建设的温塘污水处理厂，其出水标准分别为一级B和一级A，对水体负荷较大。

继续对污水处理厂采取提标工程措施(工况3)，依据《东莞市2018年度水污染防治工作方案》中对竹园污水处理厂的提标要求，出水标准符合一级A和广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)中较严值，其中NH3-N和TP符合地表水Ⅳ类水质标准，因此，在经过污水处理厂提标处理后，劣Ⅴ类水质的河段均变为Ⅴ类水。

4.3 雨天情景下水质达标分析

对雨天情景下的水质目标可达性进行分析，结果见图6和图7。面源污染负荷中，污染物主要随降雨进入管网、河网，此类污染负荷以汛期为主。

由图6和图7可知，在初期雨水径流情况下(工况4)，雨水附带污染物进入雨水管网排入河道，部分进入CSO调蓄池后进入污水处理厂，对于NH3-N，除了黄沙河中游部分河段为Ⅴ类水外，其余河涌几乎均为劣Ⅴ类水，其中西南河平均浓度范围为3.6～4.0mg/L，横竹河平均浓度为43.5mg/L；
对于TP，除了同沙水库下泄约100m处为Ⅴ类水外，其余河涌均为劣Ⅴ类水。由此可知，初期雨水对黄沙河流域数值影响较大，直接影响水质达标目标考核要求。

图6 雨天情景下黄沙河流域NH3-N改善情况

图7 雨天情景下黄沙河流域TP改善情况

在工况5方案中，考虑到初期雨水对黄沙河流域水质达标的影响，需要对初期雨水引起的面源污染进行工程措施削减。工程措施包括CSO调蓄、兴建生态湿地、铺设滨岸缓冲带、提高农业化肥的使用效率等。工程措施后的水质模拟浓度见图6(b)和图7(b)，从图6(b)和图7(b)中可以看出，经过工程措施后，NH3-N和TP浓度均为Ⅴ类水，目标可达。

水环境模型作为环境治理的辅助工具，在统筹工程组织设计方面的作用越来越重要，本文针对黄沙河流域面临的水污染突出问题，通过模型演算对流域提出治理思路及治理需求，科学有效评估不同工程治理方案在黄沙河流域水质改善中的作用，从而为有效治理黄沙河、科学制定施工时序提供技术支持。