基于Mike21模型的城区河流主要排污区控源截污效果模拟

基于Mike21模型的城区河流主要排污区控源截污效果模拟

饶乙丁1，覃瀚瑢2

（1.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046；2.桂林水文中心，广西 桂林 541000）

摘  要：做好河流控源截污工作能有效提升城市河流水环境健康状况。以白河南阳市主要排污区为控源截污研究河段，基于Mike21构建二维水动力-水质耦合模型，选取该段主要超标污染因子COD、NH3-N、BOD5作为特征性水质指标，对南阳市污水净化中心扩建前后的两种排污方案进行模拟，分析该控源截污措施的实施对监测断面处水质的影响。结果表明，采取控源截污措施后监测断面水质指标浓度得到削减，监测断面的综合污染指数由0.61降至0.36，水质评价结果也从中污染改善为较清洁。这表明南阳市污水净化中心的扩建能有效改善白河南阳段主要排污区的水环境状况，积极响应了国家的“控源截污”政策。

关键词：水动力水质耦合模拟；入河排污口；控源截污；城区河流

Simulation of Pollution Control Effect of Main Urban River Drainage Area Based on Mike21 Model

Rao Yiding1 , Qin Hanrong2

Abstract: Doing a good job in river source control and sewage interception can effectively improve the health of urban river water environment. Taking the main sewage discharge area of Baihe (Nanyang Section) as study section, a two-dimensional hydrodynamic-water quality coupling model was constructed based on Mike21, and COD, NH3-N and BOD5 were selected as the characteristic water quality indicators, and the two sewage discharge schemes before and after the expansion of the Nanyang sewage purification centerwere simulated, and the impact of the implementation of the source control and sewage interception measures on the water quality at the monitoring section was analyzed. The results showed that the concentration of water quality index in the monitored section was reduced after the source control and pollution interception measures were taken, and the comprehensive pollution index of the monitored section was reduced from 0.61 to 0.36, and the water quality evaluation results were also improved from “medium pollution” to “cleaner”. This showed that the expansion of the Nanyang Sewage Purification Center can effectively improve the water environment of the main sewage discharge area in the Nanyang section of Baihe, and actively respond to the national policy of "source control and pollution interception".

Key words: hydrodynamic and water quality coupling simulation; river discharge outlet; source control and pollution interception; urban river

0  引言

城市作为人口、产业集聚区，其人口规模扩张与产业发展使城区入河排污口排污量增加，造成的水污染问题会对城市的良好发展造成阻碍，因此必须做好水污染防控。对于城区河流主要排污区，可以通过削减溢流污染、扩建城市生活污水集中处理设施等控源截污措施，能有效提升全断面水质

[1]。常用的评估控源截污措施对水质提升效果的方法包括模型预测和统计分析。对于控源截污措施尚未实施的情况，可以采用构建水动力水质模型的方法，对控源截污措施的效果进行模拟预测，如陈庆江等利用一维河网水动力模型预测控源截污等措施对进博会区域河网水环境提升效果进行评估[2]；魏劲等利用Mike21构建的水动力水质模型预测控源截污、生态修复等方案对高密度建成区雨源型河流的水质改善效果[3]。统计分析法主要依靠对控源截污措施实施前后目标水体的实际监测值来评估水环境提升效果，如石彬等对水环境提升项目实施前后的水质数据进行统计分析来研究表面流人工湿地群对水源地入库河流水质的提升效果[4]，吴伟龙等对西南地区某黑臭河道治理工程实施后的河道水质提升效果与物种恢复情况进行监测调查，统计分析控源截污措施的提升效果[5]。模型预测法是基于对现实对象特性的认识，建立模型并根据实测数据对模型进行验证后，再对研究对象进行模拟预测，模拟结果更符合研究区实际状况[6]，本文选择模型预测法对研究区采取控源措施前后的水环境改善情况进行模拟。水环境模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关联的数学描述，既可以对水环境系统及其内部发生的复杂过程进行定量化描述，也能够在地理信息系统的图层上直观展示污染影响的范围和程度，从而为水污染事故的预警和防治提供决策依据[7]。丹麦水力研究所开发的二维水动力水质耦合模型Mike21，具有多功能模块和强大的前、后处理功能，被广泛用于河流、湖泊、水库等[8]的水动力水质模拟。可以认为，利用Mike21模型对水环境进行动态模拟能够更好地体现河底高低起伏对水位、流态及水质的影响，是模拟水污染状况和防治水污染的有力举措。

近年来白河南阳市主要排污区监测断面水质指标COD、NH3-N、BOD5连续超出断面目标水质，本文以白河南阳段主要排污区为研究河段，利用Mike21对其建立二维水动力-水质耦合模型，选取COD、NH3-N、BOD5作为特征性水质指标，根据南阳市污水净化中心三期工程建成前后入河排污水质的不同，设置两种入河污水排放工况，根据模拟结果，采用多因子综合评价法对模拟结果进行评估，并分析出采取的控源截污措施对研究河段监测断面水质的影响。本文采用纳什效率系数，均方根误差，平均相对误差对评价模型模拟结果进行验证，确保模拟结果贴合实际，从而为南阳市污水排放管理政策的制定提供科学依据。同时，积极响应“控源截污”的国家政策对于未来白河南阳段的水环境质量提升有重大意义。

1   研究区概况及研究方法

1.1  研究区概况

白河属长江流域汉水水系，是流经南阳市中心城区的主要河流，自西北流向东南将南阳市中心城区分为宛城区与卧龙区，承担南阳市中心城区的饮用水、工业用水、景观用水、排污等责任。由于沿岸工业化、城市化发展迅速，入河污水量日益增大。这些因素导致白河水质不断恶化，摸清排污口的现状排污情况并实现排污口排放的水量和水质双重控制是迫在眉睫的。据现状调查，白河流经南阳市中心城区的部分包含三个排污口，分布较为集中，分别是南阳市污水净化中心溢流口S1、南阳市污水净化中心排污口S2和南阳天冠水处理有限公司排污口S3。因此本文选取的模拟范围为白河南阳段主要排污区：上游边界为白河第四橡胶坝断面，下游边界为南阳上范营断面，总长度5km。上范营断面属于国家考核断面，本文以该断面作为白河南阳段主要排污区的水质监测断面。

1.2  模型原理

本次模拟过程采用Mike21模型中水动力模块（Mike21 HD）和对流扩散模块(AD)，该模型被广泛应用于模拟河流二维自由表面流的水质变化[9]。

1.2.1  水动力模块

水动力模块是基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从Boussinesq和静水压力的假定。Mike21 HD模型包括连续方程和动量方程。水动力模块基本方程组为：

                               （1）

                     （2）

                  （3）

式中：t为时间；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深；u，v分别x，y方向上的流速分量；f为科里奥利参数；S为源排放量；字母上带横杠的是该物理量的均值。

1.2.2  对流扩散模块

水质模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。本文选用Mike21模型水质模块中的对流扩散模块(AD)，方程式如下：

       （4）

式中，Dx、Dy分别为与方向上的湍流扩散系数；C为复合浓度(常量)；F（C）为生化反映项。

1.3 综合污染指数法

采用等权重综合污染指数评价河流监测断面的相对污染程度。将各水质指标实测值与其对应的评价标准值之比作为单项污染指数(P

i),然后通过计算平均值得到综合污染指数(Pj)。计算公式为：

                               （5）

                              （6）

式中：Pj为j断面水体的综合污染指数；n为参加评价的污染物项数；Pi为第i项污染物的单项污染指数；Ci为第i项污染物的浓度年均值；Si为第i项污染物的水质标准值，本研究采用的是《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类水质标准限值[10]。综合污染指数对应的水质分级标准如表1：

表1 综合污染指数评价标准

1.4 模型评价

选取纳什效率系数（NS），均方根误差（RMSE），平均相对误差（MARE）用于评价模型模拟结果。NS值越接近 1，表示模型拟合精度越高；RMSE、MARE值越接近0，表示模型拟合精度越高，其计算公式如下所示：

                       （7）

                      （8）

                       （9）

式中，n为径流序列长度；yi和yi'分别为径流实测值和模拟值；y为实测值平均值。

2  模型构建与验证

2.1  模型构建

2.1.1  网格处理

本文利用Mike Zero中的mesh genrator绘制河道的非结构化三角形网格划分图，图中网格最大单元边长设置为50m，最大单元面积设置为500m2，共有5623个等边三角形自适应网格，再对网格划分图进行高程插值生成网格地形图，本文河段相应的高程值来自地理空间数据云。

2.1.2  模型边界条件

设置Mike21模型边界条件时，普遍认为上游边界输入流量数据，水位数据作为下游边界条件输入，得到的模型更为收敛稳定。模型验证时上游边界条件为白河第四橡胶坝断面2021年6月1日至12月23日的逐日入流量数据，下游边界条件为南阳上范营断面2021年6月1日至12月23日的逐日出流监测水位。   

2.1.3  模型设置

模型参数经调试率定后，水动力模型的主要参数设置为：CFL设置为0.8、涡粘系数设置为0.28m2/s、底摩擦力设置为32m1/3/s；从研究河段监测断面近年水质监测结果来看，主要超标污染因子为COD、NH3-N、BOD5，选择COD、NH3-N、BOD5作为模型分析控制因子。故水质模型模拟的主要参数设置为：扩散系数设置为0.658m2/s、COD、NH3-N、BOD5降解率分别设置为0.25、0.12、0.4mg/d。

2.2  模型验证

选取南阳四站水位监测点自2021年6月1日至12月23日逐日实测水位数据进行水动力模块验证，模型模拟的水位值和变化趋势与实测数据基本吻合，水位模拟值与实测值的纳什效率系数（NS）为0.774500638，均方根误差（RMSE）为0.316100592，平均相对误差（MARE）为6.4220510-6，模拟结果优秀。说明本次构建的水动力水质耦合模型能较好地模拟所在河段的水流运动特性，水动力模型模拟结果合理。

3  结果与讨论

3.1  工况设定

研究河段包含的三个排污口中：S1、S2同属于南阳市污水净化中心（设计规模20万m3/d），目前正在进行三期工程（设计规模20万m3/d）的扩建，在三期工程建成前，S1负责溢流南阳市污水净化中心超负荷的未处理污水，S2负责排放南阳市污水净化中心已处理污水，三期工程建成后，S1关停，由S2负责排放南阳市污水净化中心所有已处理污水；S3属于南阳天冠水处理有限公司（设计规模10万m3/d），负责排放其已处理污水。文中排污情景设定为两种，分别为工况1：现状情况下，S1溢流5万m3/d未处理劣质污水、S2排放20万m3/d已处理污水、S3排放8万m3/d已处理污水；工况2：南阳市污水净化中心三期工程建成后规模扩大至40万m3/d，S1关停、S2排放25万m3/d已处理污水、S3排放8万m3/d已处理污水。

相比于工况1，工况2是通过关停未处理污水的溢流口来达到控源截污的目的。两种工况的设定也预测了随着南阳市污水净化中心三期工程的建成，对白河南阳段主要排污区水环境状况的影响。排污情景设定见表2。本文选取南阳市第四橡胶坝断面枯水季节实测流量2.3m3/s，以实测水质COD、NH3-N、BOD5各自浓度28mg/L、0.23 mg/L、4.9mg/L为模拟背景，对主要排污河段监测断面水质进行评价。

表2 排污情景设定表

3.2  控源截污模拟结果分析

本文利用构建的Mike21模型，对不同排污情景下风险物质迁移扩散情况进行模拟，得到研究河段监测断面的污染物浓度，进而量化控源截污措施的实施对监测断面处水质浓度的的影响，评判截污控源措施对研究区的水环境影响。

表3为研究河段监测断面各污染因子浓度在不同控源截污方案下的模拟值水质，以及采用综合污染评价方法计算出综合污染评价指数后，与综合污染指数对应的水质分级标准对比得出的评价结果。采取控源截污措施后，工况2的综合污染指数相较于工况1削减了41%，水质评价结果也从中污染改善为较清洁，说明南阳市污水净化中心的扩建能有效改善白河南阳段主要排污区的水环境状况。纵向对比表中三种污染因子的削减率，工况2相对于工况1的削减率排序为NH3-N（81%）＞COD（27%）＞BOD5（16%）。可知采取控源截污措施后，对NH3-N浓度削减效果最好，其次是COD，对BOD5浓度削减效果较差。因此仅通过扩建南阳市污水净化中心对河道水环境改善有限，还应当采取一些补充措施，加强对河段水环境中COD、BOD5浓度的削减效果。

图1为不同排污情景下监测断面污染因子浓度模拟值，其中（a）、（b）、（c）分别为工况1时COD、NH3-N、BOD5的模拟结果，（d）、（e）、（f）分别为工况2时COD、NH3-N、BOD5的模拟结果。可以看出，两种排污情景下各污染因子的空间分布从整体上看都是上游浓度高于下游浓度，这是由于水体的稀释能力和自净能力；另一方面对比工况1与工况2时各污染因子的模拟结果图，可以发现工况2各污染因子的浓度要低于工况1，这表明南阳市污水净化中心三期工程建成后排污口S1停止排放未处理污水，对排污区的水环境状况有很好的改善作用。

综上所述，扩建南阳市污水净化中心作为截污控源的一种措施，可以减少排入白河南阳段主要排污区的污染物，改善排污区的水环境状况。

图1 工况1监测断面污染因子浓度模拟值：（a）COD;（b）NH3-N;（c）BOD5

    工况2监测断面污染因子浓度模拟值：（d）COD;（e）NH3-N;（f）BOD5

表3 研究河段监测断面水质模拟值及评价结果

4  结论

（1）利用Mike21构建二维水动力-水质耦合模型，对白河南阳段主要排污区内水动力状况进行模拟，模拟结果贴合实测结果，表明构建的二维水动力-水质耦合模型在白河南阳段主要排污区内具备较好的适用性。

（2）控源截污有利于白河南阳段主要排污区监测断面污染因子浓度的削减，将研究断面的综合污染指数由0.61降至0.36，水质评价结果也从中污染改善为较清洁。这表明南阳市污水净化中心的扩建能有效改善白河南阳段主要排污区的水环境状况，积极响应了国家的“控源截污”政策。

（3）本次模拟由于数据收集的限制，水环境模型中考虑的因素不够全面，仅考虑作为排污区主要入河污染来源的排污口，未将降雨及沿岸土地利用污染源纳入模型。后期的研究可以通过补充数据对模型进行扩展和完善，使水环境模型更加全面。

参考文献

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