盧亞峰，張 珅，劉瀟鈞

（1黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司；2河南省城市水資源環(huán)境工程技術研究中心）

0 引言

戴村壩是中國古代著名的水利工程之一，有“第二都江堰”之稱。戴村壩位于戴村壩風景區(qū)內(nèi)，其風景區(qū)內(nèi)的湖泊水質優(yōu)劣關系到風景區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。湖泊水質改善在一定程度上和水體的交換率有一定的關系。水體交換率的提高能夠快速降低湖體內(nèi)污染物濃度，減少污染物在湖體內(nèi)的反應時間。為消除黑臭水體、提高風景區(qū)景觀效果，山東東平縣戴村壩風景區(qū)擬通過提高水體的交換率來促進水體流動，降低水體中污染物濃度，加速達到凈化水質的效果。

具體分析方法是使用正交和響應曲面方法，通過MIKE21軟件模擬對水體的交換情況。MIKE21利用水動力及對流擴散模塊，可以模擬不同工況下目標水體流動及水質變化情況。但模型模擬時間相對較長，在時間有限的情況下，需要減少模擬次數(shù)。正交實驗能夠在多因素多水平中挑選出部分代表性的點進行實驗，這些點在整體上具有“均勻分散、齊整可比”的特點。而響應曲面法可以通過更高次多項式回歸分析，反映出影響因素對響應值的影響和各因素之間的交互關系。兩種方法相互驗證及比較得出最佳條件。

1 戴村壩風景區(qū)現(xiàn)狀及模型搭建

1.1 戴村壩風景區(qū)水質現(xiàn)狀

對戴村壩風景區(qū)不同點位水質進行取樣分析。戴村壩水質為輕度黑臭。依據(jù)斷面水質目標（地表水Ⅳ類）要求，戴村壩風景區(qū)污染指標有總氮、總磷和化學需氧量。其中，總氮超標率50%，；總磷超標率100%；化學需氧量超標率33.30%。

1.2 水質現(xiàn)狀數(shù)值模型分析

MIKE21 模型可用于河流、湖泊等方面的水動力模擬和水質交換分析，并在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強大的功能，可以模擬現(xiàn)狀水質交換，較直觀表現(xiàn)水質交換模擬結果。

模型邊界設定條件為干水深（Drying depth）5×10-3m；濕水深（Wetting depth）0.10 m；淹沒深度（Flooding depth）0.05 m；渦粘系數(shù)（Eddy Viscosity）選取Smagorinsky公式選擇常量0.30；底床摩擦力（Bed Resistance）使用曼寧系數(shù)32。現(xiàn)狀在湖區(qū)西北處有一個寬度5 m的溢流堰。

1.3 模型搭建

1.3.1 正交模型搭建

為提升水體交換率，為此設定方案：在湖區(qū)東部增加進水口，增加湖體東南側的交換；并在湖區(qū)西南部新建出口堰；將現(xiàn)狀溢流堰改為出口。控制條件第一是改變進水流量，第二是控制西南側出口堰的寬度，第三是調(diào)整換水時間。為探究不同因素對水體交換率的影響，結合現(xiàn)狀地形，設計了正交實驗。正交實驗可以從三個或三個以上的因素中挑選出具有代表性的組合，有效減少實驗次數(shù)。

選取MIKE21模擬的水體交換率為評價指標，水體交換率越大，水動力越好，對水質的改善也越好。根據(jù)正交分析，設置具有代表性的九個方案。

1.3.2 響應曲面模型搭建

為進一步得到不同因素與響應變量之間的回歸最優(yōu)方程，使用Design Expert 對不同因素進行多元回歸方差分析。將進水量（A）、出水堰寬（B）和換水時時間（C）作為優(yōu)化變量，將換水面積作為響應性能指標。其中各因素的取值范圍為：A為2 000～7 000 m3/d，B為5～15 m，C為10-30 d。

表1 戴村壩濕地設計方案表

2 結果與討論

2.1 正交實驗模擬結果

2.1.1 水體交換模型結果

根據(jù)水體交換模型結果可知，方案二、方案六、方案七和方案八水體交換面積接近；方案三、方案五和方案九水體交換面積最大，彼此結果也最接近，方案一水體交換面積最小。其中方案九，即進水流量為7 000 m3/d，出水堰寬15 m，換水時間20 d時的主通道面積最廣。

2.1.2 正交分析結果

實驗采取極差來評價各因素對水體交換率的影響程度，極差是三個因素的結果最大和最小值的差。極差越大，影響權重越大。實驗設計了L9（34）的正交模擬。

使用極差分析可知，對水體交換率影響由大到小為：進水流量>換水時間>出水堰寬；最優(yōu)模型為進水流量7 000 m3/d，出水堰寬15 m，換水時間30 d，此時換水面積88.17%。

2.2 響應曲面分析結果

表2 正交實驗模擬結果表

在響應曲面中P值用于顯著性判斷，當P>0.10表示模型不顯著，當P<0.05表示模型達到了較為顯著的水平，當P<0.10×10-3表示模型達到了極為顯著的水平。表3 為實驗方案與實驗結果。

由表3 看出，模型P 值為0.50×10-3，達到了較為顯著的水平。其中A對換水面積影響極為顯著（P<0.10×10-3）；B、C、AB、A2、C2對換水面積影響較為顯著（P<0.05）；其余影響因素不顯著（P>0.10）。

表3 實驗方案與實驗結果表

再比較均方值，影響換水面積的因素由大到小為A>C>B，驗證了正交分析的結論，交互作用影響由大到小為：A2>C2>AB>BC>AC>B2。，由于BC、AC、B2對換水面積影響不顯著，不做考慮。

由回歸模型和多元回歸方差分析因素進水量（A）和出水堰寬（B）交互作用較為顯著。觀察圖6 進水量和出水堰寬（AB）的響應曲面圖，換水面積隨著進水量和出水堰寬的增大而增大，等高線曲率較大，表明進水量和出水堰寬交互作用明顯。并通過響應曲面得出在進水量為6 448.59 m3/d，出水堰寬為11.27 m，換水時間為29.23 d時，換水面積最大為86.46%。

3 結論

基于MIKE21 水動力與擴散模型的正交分析和曲面響應分析，為改善戴村壩水質為輕度黑臭的現(xiàn)狀，確定了多組實驗方案。通過模型正交和響應曲面分析可得：對水體交換率影響由大到小為，進水流量>換水時間>出水堰寬。

其中正交分析得出：進水流量7 000 m3/d，出水堰寬15 m，換水時間30 d時換水面積88.17%為最優(yōu)模型。響應曲面得出進水量為6 448.59 m3/d，出水堰寬為11.27 m，換水時間為29.23 d 時，換水面積最大為86.46%為最優(yōu)模型?？紤]到響應曲面最優(yōu)模型換水面積只比正交分析的多1.17%，但是進水量的出水堰寬相對都小，故選取響應曲面的最優(yōu)模型。

文章未進行模型率定，與實際情況可能存在一定偏差，在工程建成之后進行進一步驗證。文章沒有考慮經(jīng)濟影響，在經(jīng)濟條件有限制的情況下可以根據(jù)影響因子從大到小選擇水質優(yōu)化方案。