基于減水河MIKE11建庫后對(duì)水環(huán)境的影響

2019-01-02 05:48:54董紅霞軒曉博

水科學(xué)與工程技術(shù) 2018年6期

盧慧，董紅霞，軒曉博

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州450003）

翁結(jié)水庫位于云南省臨滄市耿馬傣族佤族自治縣，為瀾滄江二級(jí)支流南碧河上規(guī)劃建設(shè)的一座中型水庫，總庫容3880萬m3，壩址距離瀾滄江一級(jí)支流小黑江口67km。水庫開發(fā)任務(wù)主要為生產(chǎn)生活和灌溉供水。水庫運(yùn)行后，壩址下游河道水量減少，造成了長67km的河段不同程度減水。河道減水后將使區(qū)間河流水面縮窄，水深變淺，流速趨小，河流的納污能力下降，另一方面，灌區(qū)退水經(jīng)沿線支流又匯入南碧河。為確保工程運(yùn)行后，減水河段水質(zhì)目標(biāo)不下降，需下泄一定水量用于下游河道污染物稀釋水量。

當(dāng)前在河流、湖泊水質(zhì)水動(dòng)力研究中應(yīng)用較為成熟的數(shù)值模型主要由DHI-MIKE、EFDC和WASP等，采用類似水環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河湖等地表水體的模擬研究應(yīng)用廣泛，如常旭、武亞菊等［1-3］應(yīng)用DHI-MIKE、EFDC和WASP模型對(duì)河流和湖泊進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文基于DHI-MIKE11水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，確定翁結(jié)水庫運(yùn)行時(shí)的較優(yōu)下泄過程，為工程運(yùn)行后對(duì)下游河道水環(huán)境影響提供了科學(xué)依據(jù)。

1 DHI-MIKE模型及其基本原理

DHI-MIKE是由DHI（丹麥水利研究所）開發(fā)研制的系列軟件，其根據(jù)多個(gè)數(shù)學(xué)模型集成開發(fā)研制成綜合模型，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、水質(zhì)、水溫等水環(huán)境各個(gè)領(lǐng)域。本工程采用MIKE11一維模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)翁結(jié)水庫下游河道水質(zhì)情況。

1.1 水動(dòng)力模塊（HD）

MIKE11 HD模塊基于一維明渠非恒定流方程，其理論基礎(chǔ)是Saint-Venant方程組，水流連續(xù)方程反映了河道中的水量平衡，如式（1）：

動(dòng)量方程如式（2）：

式中 A為過水?dāng)嗝婷娣e；t為時(shí)間坐標(biāo)；Q為流量；x為距離坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流量；g為重力加速度；h為水位；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

1.2 水質(zhì)模塊（AD）

MIKE11 AD模塊可對(duì)水體中的可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，根據(jù)HD模塊產(chǎn)生的水動(dòng)力條件，應(yīng)用對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算。

一維河流水質(zhì)模型的基本方程為：

式中 C為模擬物質(zhì)的濃度；μ為河流平均流速；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)；t為時(shí)間坐標(biāo)；x為距離坐標(biāo)。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù)項(xiàng)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中 V為流速，來自水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果；a，b均為用戶設(shè)定的參數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和預(yù)測(cè)方案確定

2.1 灌區(qū)污染源情況

耿馬灌區(qū)點(diǎn)源退水主要為耿馬縣生產(chǎn)生活退水，這部分退水經(jīng)污水處理廠處理后以點(diǎn)源形式排入南碧河支流，最終匯入南碧河；灌區(qū)面源退水主要為農(nóng)村生活面源及農(nóng)田面源。根據(jù)對(duì)耿馬灌區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)狀年（2017年）和規(guī)劃年（2030年）的污染源排放情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，計(jì)算出灌區(qū)規(guī)劃年較現(xiàn)狀年入河污染源增加情況如表1。

表1 灌區(qū)入河污染源較現(xiàn)狀年增加情況

2.2 模型構(gòu)建

由于南碧河是翁結(jié)水庫所在河流，同時(shí)下游減水河段為灌區(qū)主要退水河段，因此本文利用MIKE11軟件在南碧河一維水動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，增加入河排污口，構(gòu)建南碧河一維水質(zhì)模型。

水質(zhì)模擬指標(biāo)為COD和氨氮。模擬河段范圍為翁結(jié)水庫壩址至南碧河入小黑江匯口段，共67km。由于南碧河沒有直接排入的點(diǎn)源，對(duì)于面源的排放，本次根據(jù)灌區(qū)范圍內(nèi)DEM高程數(shù)據(jù)和排澇渠系分布情況，基于GIS軟件流域剖分和匯水路徑分析功能，對(duì)灌區(qū)范圍內(nèi)面源退水路由進(jìn)行了剖分，模擬河段區(qū)間污染源均概化成由支流十八道河、菜籽地河、芒信河、南木老河及擋帕河匯入南碧河，如圖1。

圖1 南碧河下游灌區(qū)污染物排放過程

本次模型上邊界采用1972年6月～2014年5月共42年的流量資料，下邊界為水位邊界。考慮最不利情況，即預(yù)測(cè)河流流量在典型枯水年（P=90%）水文條件下的污染物排放過程。

3 壩址下游河道水質(zhì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果

將MIKE11水動(dòng)力模塊與水質(zhì)模塊進(jìn)行耦合，模擬計(jì)算水庫運(yùn)行期間典型枯水年南碧河水質(zhì)變化情況，選取南木老河與南碧河交匯口斷面、芒片河與南碧河交匯口斷面、入小黑江匯口斷面3個(gè)代表斷面進(jìn)行對(duì)比分析，各斷面水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果如表2，表3和圖2。

由表1，表2和圖2可知，隨著翁結(jié)水庫壩下南碧河干流沿程工農(nóng)業(yè)及生活供水量的不斷增加，相應(yīng)的退水污染物入河量不斷增加，南碧河干流水質(zhì)從上游至下游是逐漸變差的過程，污染物濃度增值在逐漸擴(kuò)大，至灌區(qū)末梢小黑江匯口前斷面，水質(zhì)最差，相比工程建成前的COD、NH3-N濃度的增幅也最大。但工程建成后，南碧河干流水質(zhì)總體均能滿足水環(huán)境功能區(qū)劃要求的地表水Ⅳ類目標(biāo)，說明翁結(jié)水庫下泄的水量過程能夠滿足下游河道水環(huán)境目標(biāo)的要求。