Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 6: 29 - 35

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240161

Water Resources

Simulation Analysis of Water Resource Scheduling in Nansu River Based on Coupled Water Quality-Quantity Model

  • HOU Xiang-dong ,
  • ZHAO Xiang-ling
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  • Haihe River, Huaihe River, Xiaoqinghe River Basin Water Conservancy Management and Service Center of Shandong Province, Jinan 250100, China

Received date: 2024-02-23

  Revised date: 2024-04-17

  Online published: 2024-12-26

Fold

Abstract

[Objectives] With the socioeconomic development, conflicts among the population, water resources, and the environment have become increasingly prominent. Conducting research on water quality and quantity in rivers that flow through urban areas and serve functions such as water supply and irrigation, and implementing rational scheduling, is of significance for ensuring a healthy aquatic ecosystem and enhancing the well-being of local residents. [Methods] The Nansu River Basin was selected as the research area. A one-dimensional hydrodynamic-water environment coupled MIKE11 model was constructed, utilizing chemical oxygen demand (COD) and ammonia nitrogen (NH3-N) as key indicators. The external boundary conditions for the hydrodynamic module were defined by upstream inflow and downstream outflow, with observed hydrological data serving as model inputs. For the water environment module, the boundary conditions were established based on the water environmental characteristics at the river boundaries and pollutant discharge data entering the river. [Results] The water environmental capacity (WEC) refers to the maximum permissible pollutant load that a water body can assimilate per unit time under specified water domain boundaries, hydrological conditions, regulated sewage discharge modes, and predefined water quality targets. The monthly average WEC for COD and NH3-N showed a consistent pattern, with the highest capacity observed during the high-flow season, followed by the normal-flow season, and the lowest during the low-flow season. Water quality in the Nansu River deteriorated rapidly during the early flood season. To improve water quality, seven scheduling schemes were proposed by addressing two key aspects: controlling pollutant inflow from tributaries and increasing mainstream flow. [Conclusions] Improving water quality requires intervention in two primary areas: controlling pollutant inflow from tributaries and increasing the flow of the main stream. Based on the actual conditions of the basin and a comparison of seven regulation schemes, the Oupugou tributary is identified as the primary source of pollution affecting the mainstream. While both approaches—pollutant inflow control and mainstream flow increase—can achieve water quality improvement, the effect of pollution control is more significant than that of flow regulation. According to the comparative analysis of the scheduling schemes, the optimal scheme for improving water quality is to close the sluice gates of the Oupugou tributary to prevent pollutant inflow, and to moderately regulate water flow to further improve water quality.

Key words： water resources scheduling; water quality and quantity coupling model; MIKE11; water environmental capacity; ecological scheduling; Nansu River

Cite this article

HOU Xiang-dong , ZHAO Xiang-ling . Simulation Analysis of Water Resource Scheduling in Nansu River Based on Coupled Water Quality-Quantity Model[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(6) : 29 -35 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240161

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0 引言

随着社会经济的发展,人口、水资源和环境之间的矛盾日益突出。水资源的保护和合理利用是实现社会可持续发展的必要前提。第四届环境模拟和污染控制研究学术研讨会明确指出,联合配置和调度水质和水量是研究水资源优化配置的方向[1]。水质和水量是水资源的2个重要属性,两者之间相互影响,不可分割。水质水量的联合模拟是水质水量联合调度技术的基础。目前,国内对于水质水量耦合模拟的研究主要集中在天然河网、湖泊和水库群等方面。例如,刘玉年[2]针对淮河中游的水质问题,构建一维和二维水质水量耦合模型,评估了河网的水质污染状况和趋势;张剑等[3]以浑太河流域为研究对象,构建一维水质水量耦合模型,动态计算了水环境的容量;李乔臻[4]针对邕江河段的水质污染现状,构建一维水质水量耦合模型,并对河网的纳污能力进行分析;黄湘今等[5]通过构建MIKE11水文水质耦合模型,对綦江流域进行模拟研究,重点分析了綦江河流流量和污染物浓度沿程变化情况,得出河流的重要污染控制因素。丹麦水资源研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)开发的MIKE系列软件可以反映水动力学条件和水生态环境的变化,被广泛应用于水动力、水资源和水生态等方面的模拟研究[6-7]。其中,MIKE11模型在国内外的水生态环境研究中得到了广泛的应用[8]。
南涑河位于淮河流域邳苍郯新片区,长42 km,流域面积279.1 km2。南涑河流域农村种植业和畜禽养殖业发达,但相应的污水处理设施建设不完善,农村生活污水集中处理率低。冬春两季气候干燥,降水不足以形成径流条件,导致残留化肥、腐败有机物等污染物聚集在农田沟渠中,对干流水质影响较小。然而,在汛期,农村面源污染随降雨形成地表径流,进入河道,导致水质恶化[9]。因此,针对南涑河的实际情况,本研究构建了适用于该河流的MIKE11水质水量耦合模型。利用该模型,估算流域在丰水期、平水期和枯水期的水环境容量,同时研究流域初汛期水质污染问题,并提出水质水量调度方案,为研究区域的水质水量调度提供理论依据。

1 研究区域概况

1.1 研究范围

本文选取南涑河为研究对象,研究对象地处临沂市罗庄区,如图1所示。罗庄区位于山东省东南部,区内以平原、丘陵2种类型为主,地势呈西北高东南低,属于暖温带季风区半湿润大陆性气候。
图1 研究区域水系

Fig.1 Hydrographic map of Nansu River Basin

1.2 流域水质情况

本研究选取农村水系典型污染因子化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)和氨氮(NH3-N),对2019—2021年南涑河及主要支流的水质监测数据及达标情况进行分析,如图2所示。其中涑河西外环桥断面位于南涑河上游,解放路桥断面位于南涑河上游,黄土堰断面位于南涑河中游且连接主要支流老龙沟,老屯桥断面位于南涑河下游。
图2 南涑河流域主要河道2019—2021年水质变化

Fig.2 Water quality variation in main river channels of Nansu River Basin (2019-2021)

由图2可知,近3 a南涑河流域主要河道水质无显著改善或恶化趋势。COD浓度变化范围为Ⅰ—Ⅴ类,NH3-N浓度变化范围为Ⅱ类—劣Ⅴ类。对比3 a数据发现,6—9月份的汛期水量增加的同时水质明显恶化,下游断面1—3月份水质也在变差,其余月份的河流水质在变化范围内波动。

2 水质水量模型

2.1 模型构建

MIKE11主要用于模拟细长型河流、河网等一维水域,具有易于操作、高精度、少参数等特点[10-11]。本文选用MIKE11中的水动力和水环境2个模块作为基础模块,考虑垂直方向上的物质和动量守恒,基于一维非恒定流Saint-Venant方程组和一维对流扩散模型,构建MIKE11水质水量耦合模型。式(1)为连续性方程,式(2)为动量方程。
∂ Q ∂ x + ∂ A ∂ t = q 　 ,
∂ Q ∂ t + ∂ ∂ x α Q 2 A + g A ∂ h ∂ x + g Q Q C 2 A R = 0 　 。
式中:Q、q分别为过流流量和旁侧入流流量(m3/h);x、t分别为计算点的空间坐标(m)和时间坐标(s);h为水位(m);R为水力半径(m);A为过水断面面积(m2);g为重力加速度( m / s 2);C为谢才系数;α为动量校正系数。
污染物在水中会出现溶解、稀释及降解等物化反应,同时发生污染物的迁移、扩散和转化等运动过程[12]。MIKE系列软件是支撑水资源管理、水污染管理、水生态修复规划和环境评估的关键技术手段,对流扩散模块(Advection-Dispersion,AD)根据水动力模块(Hydrodynamic,HD)生成的水动力条件来模拟水体中可溶性物质和悬浮性物质的对流扩散过程,并通过设置衰减常数来模拟非保守物质。MIKE11 AD模块采用的一维河流水质模型基本方程为
∂ C n ∂ t + u ∂ C n ∂ x = ∂ ∂ x E x ∂ C n ∂ x - K C n 　 。
式中: C n为模拟物质的浓度( m g / L);u为河流平均流速( m / s); E x为对流扩散系数;K为模拟物质的一级衰减系数。

2.2 河网概化及边界条件

河网概化的目标是在保持河流的水力特性的基础上,确保概化后的河网具有与实际河网相一致的输水能力和调蓄能力[13]。概化河网综合考虑了罗庄区主要河道,如图3所示。河道断面通过地形数据、相应河道的河宽水深数据及河道坡降数据,以梯形断面的方式进行概化,并对研究区域内的17个水工结构物进行设置。
图3 研究区域河网概化

Fig.3 Generalized river network of Nansu River Basin

水动力模块的外部边界条件为上游入流和下游出口,采用实测水文数据作为模型输入。模型的上边界设置在涑河调水口,下边界设置在南涑河与邳苍分洪道的交汇处。HD模块以每日流量、水位数据设置,其中上边界采用时间-流量边界,下边界采用时间-水位边界。内部条件主要为研究河段入河污水量。水环境模块的边界条件设定为对应研究河段边界水环境及入河排污数据。若河流上游没有水量汇入,则设置开边界不设置水质边界;若河流上游有水量汇入,则根据汇入水量的实际水质标准设置水质边界。污水厂、企业污水直排口概化为点源边界,其他各类非点源污染负荷均概化为面源边界汇入河道。

2.3 参数率定与结果验证

河床的糙率系数是水动力学模型的重要参数,也是模型率定的重点。本文将研究区分为4个部分(上游边界—解放路桥断面—黄土堰断面—老屯桥断面—下游边界),使用2020年和2021年老屯站的水位数据进行参数率定,最后确定各段糙率如表1所示,并应用决定系数R2对模拟精度进行评价,老屯站水位模拟值和实测值如图4所示。模拟结果与实测结果的决定系数R2=0.912,模拟效果良好。
表1 南涑河各段糙率

Table 1 Roughness coefficients for different sections of Nansu River

分段 糙率 分段 糙率
上游边界—解放路桥 0.029 黄土堰—老屯桥 0.030
解放路桥—黄土堰 0.031 老屯桥—下游边界 0.031
图4 水位模拟值和实测值

Fig.4 Simulated and measured water levels

水质模型需要率定的参数为污染物衰减系数与纵向扩散系数,对老屯站2020年全年的水质进行率定,测量COD、NH3-N这2种污染物,率定结果如图5所示。经统计分析COD、NH3-N模拟的平均相对误差分别小于7%、5%,水质模拟效果良好;但是由于来水水质不稳定,模型缺乏考虑要素之间的相互作用,导致部分节点模拟效果较差,总体符合模型标准。
图5 水质参数模拟值和实测值

Fig.5 Simulated and measured water quality parameters

3 结果与分析

3.1 水环境容量分析

水环境容量指在指定水域范围、水文条件、规定排污方式及水质目标的前提下,单位时间内该水域最大容许纳污量[14]。南涑河的水文条件和水质条件具有显著的季节性,则水环境容量具有随时间动态变化的特性。全年采用静态水环境容量(基于河流单一设计水文条件下计算得到)限制污染排放量容易造成“丰欠枯超”现象。为实现北方河流水环境容量多变的目标,本文根据丰平枯水期特性构建了水环境容量分期计算模型。
基于MIKE 11的水质水量耦合模型已充分考虑污染物的衰减效应。当污水进入河流水体后,考虑稀释作用的水体混合浓度为[15-16]
C s = Q c C 0 + q c C 1 Q c + q c = Q c C 0 + W i Q c + q c 　 。
式中:Cs为计算单元污染物水质目标浓度(mg/L);Qc为计算流量(m3/s);qc为计算单元内的污水排放量(m3/s);C0为上游来水中污染物的浓度(mg/L);C1为污水浓度(mg/L);Wi为计算单元水环境容量(g/s)。
稀释流量比 m = Q c / ( Q c + q c ),则单元环境容量Wi的表达式为
W i = Q c C s m - C 01 　 。
式中C01为计算单元上游来水污染物的MIKE11模拟浓度(mg/L)。
河流流动过程中的很多不确定因素导致天然水体的水质发生变化,因此,河流的水环境容量计算过程中需要留出安全余量。安全余量一般取水体最大纳污量的5%~10%,本次研究的安全余量为10%。选择老屯桥作为控制断面,COD、NH3-N月均水环境容量计算结果如图6所示。
图6 基于MIKE11模型的月均水环境容量变化

Fig.6 Monthly variation of water environmental capacity based on MIKE11 model

由图6可知,COD、NH3-N月均水环境容量随月份的变化规律基本一致,河道水环境容量在丰水期(6—8月份)最大,平水期(12月—次年2月)次之,枯水期(3—5、9—11月份)最小。南涑河流域在丰水期水环境容量变化幅度较大,其原因是流量增大,随着汇入水质的不同,水环境容量也随之变化。
基于MIKE11模型的m值随时间呈现出显著的动态变化,主要原因是考虑了河流水文和上游来水水质的实际动态变化。相对于传统的一维模型,基于MIKE11模型的水环境容量m值更能反映环境容量的季节性变化。水环境容量动态计算对不同时间段尤其是枯水期污染物削减和水环境容量管理具有指导意义。

3.2 水量水质调度方案研究

水质水量联合调度的目标是通过对河道进行截污和补水,使得河流水质得以改善,达到综合治理污染河流的目的。本文以南涑河为研究对象,通过设置不同工况模拟老屯桥水质改善情况,研究最优调度方案。
南涑河属淮河流域,6—9月份为汛期,其中7—8月份为主汛期,主汛期前为初汛期。本文选择初汛期作为研究阶段,初汛期降水能够形成地表径流,农田、沟渠在冬春汇聚的大部分污染物随着径流汇入河道,造成水质恶化。2020年6月16日至2020年6月18日南涑河流域普降大雨,降雨总量46.5 mm,支流汇入南涑河,最终在老屯水文站形成洪峰。因此选择2020年6月16日至2020年6月21日作为时间序列。
解决南涑河初汛期水质恶化的调度方法主要有增大干流流量和控制支流污水汇入。首先是增大干流流量:南涑河上游为涑河,考虑涑河满足南涑河调水需要的水量以及汛限水位,调水考虑Q=5 m3/s时的研究结果。其次是控制支流污水汇入,即通过闭闸、开闸的水闸调度来控制支流是否汇入干流。具体调度方案如表2所示。
表2 调度方案设计

Table 2 Design of scheduling schemes

调度方案 藕蒲沟 泄洪渠 老龙沟 是否调水
M0 开闸 开闸 开闸 否
M1 关闸 开闸 开闸 否
M2 开闸 关闸 开闸 否
M3 开闸 开闸 关闸 否
M4 开闸 开闸 开闸 是
M5 关闸 开闸 开闸 是
M6 关闸 关闸 开闸 否
M7 关闸 关闸 关闸 否

3.3 水量水质调度方案模拟结果分析

选择COD、NH3-N浓度两项指标反映南涑河水质情况,基于MIKE11模型的水质生态调度模拟结果如图7所示。
图7 基于MIKE11模型的生态调度COD 和NH3-N模拟结果

Fig.7 Simulation results of COD and NH3-N concentration under ecological scheduling based on MIKE11 model

汛前阶段,如M0所示,南涑河满足Ⅳ类水水质要求,随着污染物不断汇入,COD、NH3-N浓度逐渐升高,老屯桥断面初汛期COD、NH3-N不再满足Ⅴ类水水质要求。虽然随着时间迁移,污染物浓度略有下降但仍不满足水质要求。对比M0和M7可知,初汛期干流水质满足要求,主要污染来自支流的汇入。
(1)控制支流污水汇入来优化调度方案。对比M0、M1、M2、M3方案可知,泄洪渠和老龙沟水质污染较轻,对南涑河污染贡献较低,在关闭闸门的条件下,无法起到截污作用,且上游来水减少,反而使老屯桥断面水质进一步恶化;反之,关闭藕蒲沟闸门,水质始终满足Ⅴ类水水质要求。因此可得对老屯桥断面水质影响最大的支流为藕蒲沟。由于藕蒲沟相比其他支流流域面积更大,同时流域内以农田为主,残留化肥、农药、农作物残渣量较大,因此在初汛期藕蒲沟对干流水质恶化的贡献最大。对比M1、M6、M7方案可知,在关闭藕蒲沟闸的条件下,关闭泄洪渠和老龙沟闸对河道水质影响不大。
(2)增大干流流量来优化调度方案。对比M0和M4方案可知,在所有闸门开启情况下,调涑河水进入南涑河有利于提升南涑河水质,且满足水质要求。老屯桥断面处COD浓度满足地表水Ⅴ类水水质要求,24 h后 NH3-N浓度满足地表水Ⅴ类水水质要求。初汛期流域内汇入污染物量较大,且调引涑河水水量较小,因此NH3-N达到目标的时间较长。调水可以改善目标河道的水质,其效果受到目标河道水质、调水水质和水量3个因素的影响。对比M1、M4、M5方案可知,通过调水方式稀释污染物,可以在一定时间内使南涑河的水质达到标准要求,但是与截污效果相比,调水效果并不明显。同时,在截污的前提下,南涑河水质与涑河水质差异不显著,引水对水质的影响较小。

4 结论

本研究基于MIKE11模型构建了适用于南涑河的MIKE11水质水量耦合模型,并利用老屯站2020年的水位和水质数据对模型进行了率定,确保了模型的准确性和可信度。所得结论如下:
(1)利用水质水量耦合模型模拟COD、NH3-N月均水环境容量随月份的变化规律。河道水环境容量在丰水期最大,平水期次之,枯水期最小。汛期因为流量增大,随着汇入水质的不同,水环境容量增加。
(2)改善水质条件从控制支流污水汇入和增大干流流量两方面开展。结合实际流域情况,共提出7种调度方案。对比发现藕蒲沟支流是造成干流水质恶化的主要源头。从控制支流污水汇入和增大干流流量两方面均可达到改善水质的目的,但与截污效果相比,调水效果并不明显。根据调度方案对比,推荐改善水质的最优调度方案为关闭藕蒲沟支流水闸阻止污染物汇入,并适当调水改善水质。

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