水文模型在水環境容量計算的應用范文

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摘要：位于平原河網地區低洼的圩區，水流條件復雜，流量變化大，流向順逆不定，數據積累少，很難通過常規的公式法來計算水環境容量，本文通過水文模型法對圩區進行水環境容量進行了計算，并分析圩區水環境質量不佳成因，可以為類似區域水環境容量計算與改善提供參考。

關鍵詞：水環境容量；水文模型；圩區；平原河網；模型率定

水環境容量指一定水體在規定環境目標下所能容納污染物的量[1]，是進行水質規劃和總量控制管理的基礎。位于平原河網或沿江濱湖低洼易澇地區的圩區，通過圈圩筑堤，設置水閘、泵站，以外御洪水、內除澇水，具有流量變化大，流向順逆不定，水流條件復雜的特點，與一般的單向河流及有規律的潮汐河流不同，相應其水質亦呈復雜的動態變化，其水環境容量宜采用模型軟件進行計算。上海某圩區位于郊區，區域內主要為居住用地，水環境質量達標困難，為判斷整治措施效果，對該圩區水環境容量進行了研究。研究采用MIKE系列軟件來構建水環境容量模型，該系列軟件在國內工程的水文、水動力應用上已經有許多成功的案例，能夠模擬復雜水系的水動力模擬，在水質模型模塊也比較豐富，能模擬多個組分的遷移變化其相互之間的轉換過[2]。

一、圩區概況

圩區地處長江三角洲東緣，屬亞熱帶海洋性季風氣候，常年主導風為東南風，氣候溫和，日照充足，四季分明，雨水充沛，多年平均降水量為1,066.3mm。圩區總面積6.2km2，河湖總長度13.2km，水域面積25.1萬m2，排澇泵站裝機容量23.8m3/s。圩區內以居住及商業用地為主，人口約為4萬人，現狀陸域約30%為綠地。課題組根據圩區規劃、河道的竣工與測量資料等建立了水動力模型；利用某典型降雨年降雨、蒸發、泵閘調度等，對圩區的水文、水動力模型進行了初步率定；于2017/7/138：00~2017/7/208：00停止圩區調換水，加強水質（4h一次）、水位（5min一次）監測頻次，以獲得的連續水文和水質數據為水質模型進行了參數率定；利用率定過的參數，動態模擬某典型降雨年圩區全年水環境質量變化情況；通過統計、分析典型降雨年圩區邊界情況，獲得該典型降雨年下圩區水環境容量。

二、水動力模型搭建

MIKE11將水工建筑物分為兩大部分[2]：一種不涉及調度規則的，稱為一般水工建筑物，比如堰、箱涵等；另外一種是涉及調度規則的，稱為閘孔出流型（如泄流閘）、越流型（如橡膠壩）、流量型（如泵）。對涉及調度的水工建筑物運行可以設置復雜的調度規則，如可依據河道某處的水位或流量、水位差或流量差、蓄變量、時間等數十種邏輯判斷條件控制水工建筑物的運行方式。MIKE11根據建筑物上、下游水文條件自動判斷所處流態（亞臨界流、臨界流、超臨界流等），選用相應的水力學公式進行計算。1．模型河網根據河網形狀、水工建筑物位置、水文測站位置、河床斷面和灘區地形資料，課題組圩區的河網進行了相應的概化。2．模型斷面河道的斷面均采用實測斷面，以梯形斷面為主。3．水工建筑物設置圩區的水工建筑物主要為泵站或者閘門，其位置基本位于圩內河道與圩外河道的交接處，對圩區內部河道起到引水和排水，控制圩內水位的作用。基于收集到的水工建筑物信息，對水工建筑物進行設置，定義其調度規則。模型中水工建筑物設置位置空間分布示意及相應信息如圖1所示，實心圓所在位置為泵閘等建筑物所在位置。4．邊界條件設定水動力學模型的邊界條件可分為外部邊界條件和內部邊界條件。外部邊界是指所有的河道端點處的水力要素的變化情況，內部邊界是指模型河網內部節點處可能存在的對計算水力條件產生較大影響的人為干預情況。外部邊界條件是模型計算必須設置的條件，一般情況下采用實測水文數據作為模型輸入；內部邊界條件不是模型計算的必要條件，但是其對模型計算結果也會產生較大影響，因此需要合理地進行內部邊界的概化和設置。本課題中的圩外河道采用實測水位作為邊界，內部河道的末端設置為閉邊界。圩區內部的產匯流通過水文模型計算，水文模型里需要輸入實際降雨和蒸發，其降雨產流結果可通過河網文件中連接到模型河道中，圩區面積較小，其降雨徑流以均勻的方式匯入圩內河道。圩區的邊界設置示意圖見圖1空心圓所在位置。5．水力率定模型率定的主要內容是通過比較模型預測變量成果與其實測數據序列，對參數進行調整，反復獲得符合實際情況的預測結果，獲得最可靠的模型參數。模型驗證則采用另外相對獨立時段的實測數據與模型預測結果進行比對，對模型結果進行合理性進行檢驗。

三、水質模型

1．污染負荷考慮水位增高時段增加均出現在早、中、晚三個時間，與生活污水產生的規律較為一致，因此，調取這段時間污水廠的污水濃度，作為污染負荷，輸入模型。2．水質參數率定模型中考慮了很多轉化過程和相互作用，如有機物質的降解、光合作用產生氧、動植物呼吸、大氣中氧的交換、有機物與河床間的交換、河床需氧量、硝化與反硝化過程。其組分濃度與變化過程受到很多外界因素的影響，如氣溫、太陽輻射和流量等。通過調整主要的水質凈化參數，使模擬的水質因子變化過程基本與實測過程基本吻合，能基本反映出變化趨勢。

四、環境容量計算

1．計算公式考慮圩區水力條件復雜多變，采用模型模擬后，再統計圩區的每個控制閘門處進出的水量對應下的水質情況，并進行求和。模型中以小時為時間步長保存計算結果。2．水質邊界設定本地區水環境功規劃為IV類，考慮降雨徑流帶入河道的面源污染負荷。3．計算結果根據不同圩區的水質模型計算成果，結合各個圩區的水質背景和水質目標等情況。基于所收集到的典型年份降雨、水位等數據情況。

五、結果分析及建議

從上表可以看出，本地區水環境質量狀況不容樂觀，來水水質不佳，陸域污染負荷過大，在來水受大環境影響的情況，建議加大陸域污染管理力度，盡量改善水環境。傳統的公式法，基于單一設計水文條件，便于水環境容量的計算，但不能適應復雜河網條件下，水流方向、水速不定，水質變化復雜的情況；而引入模型技術，采用動態模擬的方法，可以較好地解決這些問題，研究獲得的模型參數，反映的是本地區水文、地質情況特點，更容易在本地區及類似區域推廣應用，且由于可以適應復雜的河道水動力情況，適應范圍更廣，可以較好地與信息系統相結合，實現水環境容量的動態管理，因此，本課題將持續展開研究，以獲得比較準確的模型參數，為本地區水環境質量動態管理提供技術基礎。

參考文獻

[1]張永良，劉培哲.水環境容量綜合手冊[M].北京：清華大學出版社，1991.

作者：黃慧慧1，張舒2，潘靜也1，馬小杰3，4單位：1.上海市青浦區水文勘測隊，2.上海市水環境監測中心青浦分中心，3.浙江雙林環境股份有限公司，4.上海淼欽環境科技有限公司