基于MIKE11模型计算河流水功能区纳污能力方法

2009年第8期东北水利水电基于MIKE11模型计算河流水功能区纳污能力方法刘伟，刘洪超，徐海岩［摘要］文章依据松花江整体水质数学模型，阐述了应用模型计算纳污能力特点、计算条件，提出了松花江流域纳污能力的计算方法，并以第二松花江干流松江大桥至通气河口段—第二松花江吉林市工业用水区为例，计算出此段功能区氨氮的纳污能力。［关键词］MIKE11；纳污能力；计算方法；氨氮［中图分类号］X522［文献标识码］A［文章编号］1002－0624（2009）08－0069－02（松辽流域水资源保护局，吉林长春130021）1概述为了有效控制松花江流域的水污染，就必须科学地计算松花江流域纳污能力。目前松花江整体水质数学模型及应急管理系统已完成，利用已开发的松花江水质数学模型，结合《水域纳污能力计算规程》中河流纳污能力计算方法计算水功能区纳污能力，既可对恒定流进行模拟计算，也可对非恒定流进行模拟计算；各河段的计算依据实测河道断面资料，充分利用流域已有的各种信息，使计算结果更加科学、可靠。水体的纳污能力是指在水域使用功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量。即在一定设计水量条件下，满足水功能区水环境质量标准要求的污染物最大允许负荷量。其大小与水功能区范围的大小、水环境要素的特性和水体净化能力、污染物的理化性质等有关。MIKE11水动力模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维Saint-Venant方程，模拟结果为河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息。MIKE11AD根据HD模块计算获得的水动力条件，应用对流扩散方程计算污染物浓度。可以通过设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物质，所以可作为简单的水质模型使用。ECOLab用于描述水生态系统中各种物质在生物、化学、物理等因素作用下的相互作用和形态转化过程，该模型与HD模型和AD模型进行耦合，将对流扩散的传输机理与生物化学反应整合进行水生态的模拟。已建立的松花江水质模型模拟的水质参数包括DO，BOD5，CODMn，NH3-N和NO3-N。模型中考虑了各种转化过程和相互作用，如：有机物质的降解、光合作用产氧、动植物呼吸、大气与水的氧交换、底泥需氧量、硝化与反硝化过程。2计算原理2.1基于MIKE11模型计算纳污能力的特点基于MIKE11模型计算纳污能力的特点主要有排污口位置、水功能区矢量化，避免了常规计算方法中的排污口概化造成计算误差；根据水动力模型，进行不同水文条件下的水动力计算的流量、流速可以实时化；ECOLab模型分析流域面源污染对河道贡献率，使计算结果更准确、安全。2.2计算条件模型中水功能区划基本信息。包括各个水功能区的水质目标、河段长度和上、下游断面位置等信息。根据松花江流域水动力模型，进行不同水文水利环境·69·东北水利水电2009年第8期[收稿日期]2009-02-26［作者简介］刘伟（1979-），男，助理工程师，现从事环境影响评价工作。条件下的水动力计算，提取流量流速计算结果。基于已建立的污染负荷评估模型，计算各功能区段上的点源及面源排污量。各河段污染物综合衰减系数确定，可基于已率定的松花江水质模型估算，也可实测法获得。建立新的数据库，包括水功能区划基本信息，模型参数信息、计算设计流速和污染物排放位置及排放量等信息。2.3计算方法《水域纳污能力计算规程》中河流纳污能力一维稳态计算模型中的河段污染物浓度按下式计算：C(x)=C0exp(-k·x/u)（1）式中C(x)为流经x米距离后的污染物浓度，mg/L；C0为起始断面污染物浓度，mg/L；k为污染物综合自净系数，1/s；x为沿河段的纵向距离，m；u为不同流量下河道断面的平均流速，m/s。设水功能区长度为L，则功能区域理论纳污能力M0为：M0=[CS-C0exp(-kL/u)]Q（2）式中CS为功能区下游断面的水质目标浓度值，mg/L；Q为初始断面的入流流量，m3/s；L为计算河段长度，m；其余符号意义同前。基于已建MIKE11模型中率定的ECOLab模型，计算各水功能区的入河污染负荷Mr=(入河负荷量－河道净化量）。入河污染负荷Mr的计算公式为：Mr=(C下-C′上）Q′（3）式中C下为模型计算得到的水功能区下游断面平均浓度，mg/L；C′上为模型计算得到的水功能区下游断面平均浓度对下游的贡献，mg/L；Q′为模型计算得到的水功能区初始断面入流流量，m3/s。确定各水功能区的纳污能力M=M0-Mr。3实例分析第二松花江发源于长白山脉的主峰白头山天池，为东北地区主要河流之一。较大的支流有辉发河、饮马河等。流域面积为7.34万km2，河流总长为958km。第二松花江干流松江大桥至通气河口段为第二松花江吉林市工业用水区，水质目标类别为Ⅳ类，功能区长15.8km。根据MIKE11模型中此段水动力、水质模拟结果，计算出2005年