MIKE 21模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用.pdf

18环境科学导刊2023，42（4）CN 53-1205/XISSN 1673-9655MIKE 21 模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用吕睿喆（安徽省生态环境科学研究院，安徽 合肥 230000）摘 要：为保障引江济淮工程输水线路供水安全，基于MIKE21模型，以COD、氨氮、总氮和总磷为特征性指标，对瓦埠湖现状水质和情景模拟预测分析。模拟结果发现，在未来引江济淮工程治污项目全部实施的情景下，2025年瓦埠湖湖区整体水质有了显著提升，湖区国控断面各项指标均能稳定达到地表水类标准，为输水安全提供保障。关键词：MIKE21模型；引江济淮；水质模拟；风险预测中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2023）04-0018-060 引言安徽省“引江济淮”工程沟通长江、淮河两大水系，是安徽省重大基础设施建设的标志性调水工程。工程具有保障城乡供水、发展江淮航运、灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等重要功能1。根据引江济淮工程整体布局和输水线路，范围划分为四个规划片区，分别是引江济巢段、江淮沟通段、江水北送段、淮水北调段2。瓦埠湖是安徽省引江济淮工程中江淮沟通段的重要组成部分3，也是引江济淮工程三大重点湖泊之一4，不仅承担引江济淮工程重要的输水通道，还发挥着调蓄引水注入蚌埠闸上的重要作用，同时兼有区域重要的城镇饮用水源地和农业灌溉用水等多项功能5。为确保引江济淮输水干线的供水安全，保护和改善瓦埠湖水生态环境成为当务之急6。1 瓦埠湖水环境现状与问题分析1.1 研究区概况瓦埠湖是安徽省淮河流域范围内最大湖泊，位于淮南市寿县，涉及范围包括淮南市寿县、田家庵区、谢家集区和合肥市长丰县2市4区（县）。瓦埠湖属河流型湖泊，湖面狭长，南北长约51 km，湖宽最宽处约6 km，湖区水面面积达156 km2；多年平均入湖水量为14.22亿m3，蓄水量为2.2亿m3；丰水位18.9 m，枯水位15.5 m；最大深度4.5 m，浅处水深 0.5 m，湖区内平均水深22.5 m，湖底高程15.5 m。瓦埠湖由东淝河下游河段积水而成，入湖河流主要为东淝河、瓦埠河和陡涧河等，下游经东淝河下游宣泄入淮7。瓦埠湖区同时兼有淮南市备用水源地功能，属于东淝河瓦埠湖六安合肥淮南调水水源保护区，是国家重要水功能区。淮 河东淝河（92.95 km）陡涧河（12.3 km）谢家集截洪沟瓦埠湖庄墓河（5.62 km）瓦埠湖（7.12 km）淮河淮南段长度：108.492 km河流河伯 国家考核断面水流方向东淝河东源（大堰水）青龙堰水西源（桃园河）国家考核断面-瓦埠湖位置：E116.8769 N32.5503水质目标：GB3838-2002类主要污染源：高锰酸盐指数、总磷、COD、氢氯东淝河长：92.95 km图1 瓦埠湖水系汇水范围概化图1.2 瓦埠湖水环境现状瓦埠湖湖区设有 1 个国控监测断面，水质目标为类标准，对国控断面 20182020 年逐月水质分析，发现 COD 存在 5 次超标，高锰酸盐指数存在 3 次超标，氨氮指标较好，3 年内无超标，总氮收稿日期：2022-06-20作者简介：吕睿喆（1991-），男，工程师，硕士，环境科学专业，主要从事水环境研究工作。MIKE 21 模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用吕睿喆19存在 9 次超标，总磷问题最为严重，存在 12 次超标，超标次数占比达到 1/3，最高超标月份达到 0.2 mg/L（超标 3 倍）。富营养化评价选择评价因子Chla、TP、TN、SD、CODMn等5个浓度参数8，参照综合营养状态指数计算公式，对2020年瓦埠湖国控断面监测点位全年12次监测数据进行评价，结果为：水体呈中营养状态5次，占比41.7%；轻度富营养7次，占比58.3%；年均富营养指数为51.49。综合评价，瓦埠湖整体营养化程度为轻度富营养化。1.3 水环境问题与成因分析根据瓦埠湖湖区断面监测数据，其水环境问题主要有两个：一是断面水质无法稳定达标，难以逐月稳定达到类水质目标，主要超标因子为TP和COD，二是湖体呈现轻度富营养化。（1）工业污染。由于治污设施不完善，瓦埠湖汇水内仍存在少量工业污染，湖区汇水范围内仍存在多个排污口；（2）乡镇基础设施建设短板突出，导致生活污水直排问题突出，部分老旧小区雨污未能分流、生活污水处理设施缺乏、污水处理厂处理能力不够等，此外，瓦埠湖湖区渔民生活污水直接排放入湖带来的污染也是一大原因；（3）农业面源污染严重。首先，瓦埠湖流域范围共有耕地面积1301.80 km2，总施肥量达14.71104 t，过量施用的农药化肥最终均汇入湖 区9；其次，淮南市禁养区内养殖场和养殖专业户搬迁或关闭执行进度缓慢，畜禽规模养殖场目前配备的污染治理设施比较低，存在大量养殖粪污直排入湖现象；另外，瓦埠湖存在水产养殖，围网养殖和饲料投放也会带来大量的污染。2 水质模拟预测为保障引江济淮工程输水安全，针对重点湖库瓦埠湖的水质目标可达要求，在工程规划治污项目全部实施的情景前提下，对2025年瓦埠湖水质进行模拟预测，分析水质目标的达成情况。预测采用MIKE 21二维模型的水动力模块（HD模块）和对流扩散模块（AD模块）10。MIKE 21模型计算基于非结构化网格，广泛应用于湖泊、水库、河流等水体流动、水质变化和泥沙输移等环境问题11。水动力模块（HD模块）和对流扩散模块（AD模块）其主要方程包括12：a.水流连续方程：b.水流动量方程：c.污染物输移扩散方程：式中：x距离坐标；t时间坐标；A过水断面面积，m2；Q流量，m3/s；q区间入流；h水位，m；R水力半径，m；g重力加速度，m/s2；C河床糙率系数；Ci模拟水质指标浓度，mg/L；表1 2020年瓦埠湖综合营养状态指数评价结果1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年均41.5042.7649.3848.0346.3153.2753.6255.2252.9455.0753.7653.1351.49中营中营中营中营中营轻度轻度轻度轻度轻度轻度轻度轻度富营富营富营富营富营富营富营富营养养养养养养养养养养养养养图2 瓦埠湖20182020年逐月水质变化情况COD浓度/（mg/L）瓦埠湖点位2018年1月2018年4月2018年7月2018年10月2019年1月2019年4月2019年7月2019年10月2020年1月2020年4月2020年7月2020年10月高猛酸盐指数COD高锰酸盐指数/（mg/L）3020100201612840氨氮浓度/（mg/L）总氮/（mg/L）瓦埠湖点位氨氮总氮2018年1月2018年4月2018年7月2018年10月2019年1月2019年4月2019年7月2019年10月2020年1月2020年4月2020年7月2020年10月32.521.510.503210总磷浓度/（mg/L）叶绿素a/（mg/m3）总磷叶绿素a瓦埠湖点位2018年1月2018年4月2018年7月2018年10月2019年1月2019年4月2019年7月2019年10月2020年1月2020年4月2020年7月2020年10月0.150.10.0500.20.10-0.1环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月20D污染物扩散系数，m2/s；k污染物降解系数，d-1；C2源汇项水质指标浓度，mg/L。2.1 现状水质模拟分析为充分了解湖区水质变化情况，采用MIKE21二维模型对瓦埠湖水质进行现状分析及预测。根据瓦埠湖河网结构及地形高程进行河网概化，采用瓦埠湖多年平均水文数据作为水动力边界；网格划分采用三角形网格进行划分，COD、氨氮、总氮、总磷初始浓度设定分别参照国控断面监测数据。研究河段有3个支流汇入口，1个流出口，源汇项根据实际情况，以20172019年的现状资料（模型时间序列从2017年1月开始，时间步长为30 d，时间步数为36）为基础进行率定，水质数据采用瓦埠湖入湖支流上国控、省控断面逐月水质监测数据，模型主要参数见表2。发现瓦埠湖水动力和水环境模型模拟值与实测值吻合较好，相对误差较小，该模型可用于瓦埠湖模拟和预测计算13，将基准年2020年瓦埠湖水质现状、入湖支流浓度、各类污染源概化到入湖支流以作为水质边界，可得到瓦埠湖2020年水质概化图。根据模拟结果，2020年瓦埠湖湖区整体COD、氨氮、总磷状况较为良好，湖区总氮有较大范围超标，各项指标在入湖排污口附近存在严重超标现象，排污口污染物随着水流进入湖区后逐渐改善，超标情况减轻，湖区国控断面附近各项指标整体状况较好，受点源污染影响较小。从整体上看，瓦埠湖湖区总体水质可以达到地表水类标准，局部地区受点源污染影响较大，随水流变化逐渐改善，将排污口进行截污至污水厂达标处理后再排放对瓦埠湖水质提升有直接影响。2.2 2025年水质预测模拟预测根据2020年瓦埠湖水位、COD、氨氮、总氮、总磷率定结果，可得出：瓦埠湖水动力模型模拟值和实测值基本吻合；水质模型模拟结果趋势和实测值能较好吻合。故而，率定的模型参数可以作为未来水质模型预测的参数。根据瓦埠湖水质现状污染成因分析，未来引江济淮工程在淮南市规划实施水环境治理任务，包括开展截污导污工程、生态修复与水环境综图3 瓦埠湖2020年水质现状模拟图表2 水动力水质模型主要参数参数设置输入条件模型参数/单位数值模型输入条件输入内容模型精度一阶精度输入源入湖支流、排入口模型传输方程计算最小时间步长/s0.01初始条件2017年瓦埠湖国控断面水质监测数据干水深/m0.005边界条件陆地边界湿水深/m0.1流量边界：东淝河、陡涧河、瓦埠河涡粘系数/（m2/s）0.28流出边界底床摩擦力/（m1/3/s）32输入水质数据监测断面逐月水质数据，随时间序列变化32.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.24COD/（mg/L）TN/（mg/L）TP/（mg/L）NH3-N/（mg/L）Above 7570-7565-7060-6555-6050-5545-5040-4535-4030-3525-3020-2515-2010-155-10Below 5Undefined ValueAbove 6.05.0-6.04.5-5.04.0-4.53.5-4.03.0-3.52.5-3.02.0-2.51.5-2.01.2-1.51.0-1.20.8-1.00.5-0.80.2-0.50.1-0.2Below 0.1Undefined Value32.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.2432.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.2432.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.24116.80116.80116.80116.80116.85116.85116.85116.85116.90116.90116.90116.90116.95116.95116.95116.95117.00117.00117.00117.00Above 6.05.0-6.04.5-5.04.0-4.53.5-4.03.0-3.52.5-3.02.0-2.51.5-2.01.2-1.51.0-1.20.8-1.00.5-0.80.2-0.50.1-0.2Below 0.1Undefined ValueAbove 2.402.20-2.402.00-2.201.80-2.001.60-1.801.40-1.601.20-1.401.00-1.200.80-1.000.50-0.800.20-0.500.10-0.200.05-0.100.02-0.050.01-0.02Below 0.01Undefined ValueMIKE 21 模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用吕睿喆21表3 淮南市规划实施环境治理主要任务项目名称项目内容污染物入湖削减量/（t/a）COD氨氮总氮总磷老旧小区雨污分流改造工程针对城镇生活污染直排，开展老旧小区雨污分流，计划新建改造主支管网58.9 km。386.956.781.56.1城镇污水处理厂提标改造工程针对城镇污水处理厂处理能力不足等问题，开展城镇污水处理厂提标改造。2988.8666.6896.3244.8淮南市瓦埠湖段淮河中游综合治理工程开展流域农村环境的综合整治，对汇水范围内15 km河道展开综合治理，实施内容包括护坡整治，河道清淤等。184.714.428.82.7寿县日处理污水4万t污水处理厂项目在淮南市寿县双桥路与滨湖大道交叉口处，建设占地5万m2，日处理污水4万t的污水处理厂一座。244.860.481.222.1寿县新桥园区南部日处理污水10万t污水处理厂项目针对新桥产业园污水处理厂处理能力不足等问题，新建城镇污水处理厂一座。3347.4490.1704.953.1寿县农村污水处理建设工程开展农村污水处理建设工程，包括：管网补充完善、管网覆盖延伸、终端设施提质改造及对已建设实施规范运营和维护。861.2101.7125.46.2图4 瓦埠湖2025年水质预测值模拟图图5 瓦埠湖国控断面水质模拟预测值与现状值对比图现状监测值COD现状监测值总氮现状监测值总磷现状监测值氨氮预测值COD预测值总氮预测值总磷预测值氨氮COD浓度/（mg/L）总氮浓度/（mg/L）总磷浓度/（mg/L）氨氮浓度/（mg/L）25201510501.51.20.90.60.300.40.30.20.100.10.080.060.040.0201月1月1月1月2月2月2月2月3月3月3月3月4月4月4月4月5月5月5月5月6月6月6月6月7月7月7月7月8月8月8月8月9月9月9月9月10月10月10月10月11月11月11月11月12月12月12月12月32.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.2432.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.2432.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.2432.5632.5432.5232.5032.4832.4632.4432.4232.4032.3832.3632.3432.3232.3032.2832.2632.24COD/（mg/L）TN/（mg/L）TP/（mg/L）NH3-N/（mg/L）Above 2221-2220-2119-2018-1917-1816-1715-1614-1513-1412-1311-1210-119-108-9Below 8Undefined ValueAbove 0.960.90-0.960.84-0.900.78-0.840.72-0.780.66-0.720.60-0.660.54-0.600.48-0.540.42-0.480.36-0.420.30-0.360.24-0.300.18-0.240.12-0.18Below 0.12Undefined ValueAbove 1.81.7-1.81.6-1.71.5-1.61.4-1.51.3-1.41.2-1.31.1-1.21.0-1.10.9-1.00.8-0.90.7-0.80.6-0.70.5-0.60.4-0.5Below 0.4Undefined ValueAbove 0.150.14-0.150.13-0.140.12-0.130.11-0.120.10-0.110.09-0.100.08-0.090.07-0.080.06-0.070.05-0.060.04-0.050.03-0.040.02-0.030.01-0.02Below 0.01Undefined Value116.80116.80116.80116.80116.85116.85116.85116.85116.90116.90116.90116.90116.95116.95116.95116.95117.00117.00117.00117.00环境科学导刊第 42 卷第 4 期2023 年 8 月22合治理工程、城镇水污染综合整治、加快建设和完善配套污水管网、推进畜禽养殖污染防治、入湖排污口布局与整治等任务，依据规划的相关任务，计算得到2025年污染物瓦埠湖各支流入河削减量，进而对2025年瓦埠湖湖区水质变化情况、国控断面的COD、氨氮、总氮、总磷4项指标进行预测，结果见表3。2025年瓦埠湖COD总体良好，湖区内COD能稳定达标，入湖支流处水质也有明显改善；湖区氨氮优良，湖区氨氮能稳定达标，无超标风险；总氮和总磷相比过去有明显提升，总体上状况良好，但是存在局部超标。根据引江济淮工程规划开展的相关水环境保护与治理任务，2025年瓦埠湖水质有显著提升。通过对比2020年瓦埠湖国控断面监测值与2025年断面处预测值，断面预测值明显优于现状值，COD从2020年年均值的16.08 mg/L提升至11.13 mg/L，氨氮从0.11 mg/L提升至0.08 mg/L，总氮从0.70 mg/L 提升至0.47 mg/L，总磷从0.045 mg/L提升至0.013 mg/L，各项指标均有明显提升。瓦埠湖湖区断面2020年逐月水质中COD超标月份1次，总氮超标月份3次，总磷超标月份4次，根据2025年国控断面模拟预测值，无超标月份，COD、氨氮、总氮和总磷不仅年均值能稳定达标，逐月水质也均能达到地表水类标准，湖区断面水质优良，可以满足引江济淮工程供水安全保障。综上所述，在规划开展的治污项目全部实施的前提下，2025年瓦埠湖断面COD、氨氮、总氮和总磷逐月水质均能稳定达标，湖区总体水质良好，主要水环境问题为湖泊总氮、总磷局部存在超标风险。3 结论（1）瓦埠湖作为引江济淮工程输水通道，目前受到工业、城镇生活、农业面源等污染源影响，现状水质不能稳定达标，存在总磷总氮超标风险，为确保引江济淮输水干线的供水安全，治理和改善瓦埠湖水环境质量刻不容缓。（2）通过构建MIKE 21模型，分别对瓦埠湖2020年和2025年水质进行模拟预测，在引江济淮工程治污项目全部实施的情景下，2025年瓦埠湖湖区整体水质有了显著提升，湖区国控断面各项指标均能稳定达到地表水类标准，为输水安全提供保障。参考文献：1 郑鹏.浅谈引调水工程施工期的环境管理以引江济淮工程为例J.能源与节能,2021(9):92-93,177.2 陈玲玲,苏善真.基于成本路径的引水工程线路规划建模研究以安徽引江济淮工程为例J.测绘与空间地理信息,2021,44(7):59-63.3 唐柱闩.引江济淮工程(淮南段)应对2020年淮河1号洪水的调度措施J.工程技术研究,2021,6(21):135-136.4 卢凯,马玉杰,陈睿.“引江济淮”背景下瓦埠湖岸线综合利用方法研究J.安徽建筑,2019,26(9):45-47,53.5 谭茜.引江济淮工程瓦埠湖水质保护对策J.江淮水利科技,2018(2):34-36.6 钟恒昌,伦冠海,张钧堂,孙洁莹.引江济淮入瓦埠湖段线路方案研究J.治淮,2019(11):38-39.7 汪宏伟.瓦埠湖流域核心区景观格局变化与生态安全格局构建研究D.安徽:安徽建筑大学,2021.8 余进祥,刘娅菲,钟晓兰,尧娟.鄱阳湖水体富营养化评价方法及主导因子研究J.江西农业学报,2009,21(4):125-128.9 李凯.瓦埠湖流域水环境评价与水生态健康评估D.合肥:合肥工业大学,2017.10 孙磊,马巍,蔡昕,班静雅,齐德轩.基于MIKE21模型的普者黑湖水环境数值模拟研究J.水利水电技术(中英文),2022,53(1):153-165.11 言文杰,王晓辉,石先阳.基于MIKE21的大型湖库型饮用水水源保护区划分研究以花亭湖水库为例J.环境污染与防治,2021,43(1):109-114,120.12 唐崇熙.基于MIKE 21的白洋淀水动力与水质数值模拟研究D.天津:天津工业大学,2021.13 张叶,孟德娟,于子铖,等.基于MIKE21的城市河流水质改善与达标分析J.水电能源科学,2020,38(9):48-52.图6 瓦埠湖国控断面水质模拟预测值逐月变化图COD浓度/（mg/L）氨氮/总氮浓度/（mg/L）总磷浓度/（mg/L）25.0020.0015.0010.005.000.001.000.800.600.400.200.000.2000.1500.1000.0500.0002025年1月2025年1月2025年4月2025年7月2025年10月2025年4月2025年7月2025年10月预测值COD预测值氨氮预测值总磷预测值总氮MIKE 21 模型在“引江济淮”背景下瓦埠湖水质模拟预测中的应用吕睿喆23Application of MIKE 21 Model in Water Quality Simulation and Prediction of Wabu Lake under the Background of“Diverting Water from Yangtze River to Huaihe River”LV Rui-zhe(Anhui Academy of Ecological and Environmental Sciences,Hefei Anhui 230000,China)Abstract:In order to ensure the safety of water supply along the water transmission line from Yangtze River to Huaihe River,based on Mike21 model,COD,ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus were taken as characteristic indicators,the current water quality analysis and scenario simulation prediction analysis of Wabu Lake were carried out.The simulation results showed that under the scenario of the full implementation of the pollution control project of the river diversion to Huaihe River project in the future,the overall water quality of Wabu Lake area would be significantly improved in 2025,and all indicators would stably meet the class III standard of surface water,which provided guarantee for water transmission safety.Key words:Mike21 model;diverting water from Yangtze River to Huaihe River;water quality simulation;risk prediction环境科学导刊征稿简则环境科学导刊，投稿及联系邮箱：；电话（传真）：0871-64142389；国内统一连续出版物号：CN53-1205/X；国际标准连续出版物号：ISSN1673-9655。环境科学导刊是云南省生态环境厅主管，云南省生态环境科学研究院主办的学术类环境科技双月刊。刊物力求反映环境科学的研究成果、应用技术、新理论、新方法，活跃学术气氛，促进学术交流。环境科学导刊设置有科研专题研究、环境管理、水环境保护、高原湖泊研究、生态环境保护、污染防治、污染治理技术、大气污染防治、农业环境保护、环境与人体健康、环境监测、环境影响评价等栏目。欢迎广大作者惠赐文稿。为使杂志严谨、规范，特对来稿作如下要求：1.文章论点明确，数据准确、可靠，文约字简，以8000字以内为宜；2.来稿应附有200字以内的中英文摘要、关键词和英文题目；3.稿件需留足够行距以备修改用，并附详细地址、邮编及联系电话或E-mail地址；4.文内标题序号、层次按国家统一标准用阿拉伯数字连续编号；5.严格按中华人民共和国法定计量单位标称，表达量值时一律使用国际符号；6.附图及图内文字、字母、数字等均清晰、规范；7.参考文献标注齐全。来稿文责自负，本刊编辑可作必要删改，期刊出版后，赠送当期刊物两本。因人力有限，来稿未录用恕不退还，2个月内未收到录用通知，作者可另行处理。环境科学导刊的数字版本已全文入编中国期刊网中国知网万方数据数字化期刊群中国核心期刊（遴选）数据库中国学术期刊综合评价数据库中文科技期刊数据库（全文版）龙源期刊网长江文库、“超星移动图书馆”等。所有被本刊录用并发表的稿件文章，将一律由本刊编辑部统一制作成数字版本在以上各数据库发布，并参与光盘版汇编。作者在我刊投稿、办理稿件录用手续，则视为同意稿件在环境科学导刊刊登、同意稿件数字版本在以上网站、数据库传播，并在我刊自有网站发布。环境科学导刊编辑部