基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析.pdf

第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.6Jun.，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.005收稿日期：2023-04-09基金项目：智慧长江与水电科学湖北省重点实验室开放研究基金（ZH21020001）作者简介：董玉茹（1999-），女，山东鄄城人，硕士研究生，研究方向：水文水资源，E-mail：。通信作者：陈燕飞（1982-），女，江西万载人，副教授，博士，研究方向：水文水资源，E-mail：flyney163com。基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析董玉茹1，陈燕飞1，陈威2，孙咏曦1（1.长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2.湖北省荆州市水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000）摘要：为定量分析排污口所排污水对受纳水体水环境的影响，以石首市城南污水处理厂为例，采用MIKE 21软件建立了二维水动力及对流扩散模型。对模型参数进行率定后，在正常工况与非正常工况下分析了化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）及总磷（TP）在受纳水体中的扩散情况。结果表明：正常工况下，污染物对水质的影响范围较小，最短污染带范围长50 m、宽45 m；非正常排放下，污染物对水功能区产生了较大的影响，最长污染带范围长1 200 m、宽45 m。MIKE 21模型对污染物迁移与扩散的模拟效果较好、精度较高，模拟结果反映了污染物在民建渠中的扩散过程，可以为入河排污口的设置论证工作提供技术支持。关键词：入河排污口；MIKE 21模型；水质影响；对流扩散中图分类号：X522文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）06-0019-05为定量分析排污口所排污水对受纳水体水环境的影响，国内外许多研究者设计了不同的数学模型。常用的模型软件有荷兰的Delft 3D1-2、美国的CCHE2D3-4、英国的InofWorks5以及丹麦的MIKE6-7。其中，MIKE软件不仅能够准确地模拟水动力条件，而且在入河排污及污染物扩散方面的应用也较为广泛。张守平等8采用MIKE 21软件的污染物对流扩散模块，定量化地评估了入河排污口所排污水对受纳水域水环境的影响；张雨航等9采用MIKE 21软件预测了密云水库的总氮变化趋势，并对其影响提出了最优处理方案；张叶等10基于MIKE 21软件定量分析了改善北京市潮白河顺义段水质的4种方案；刘晨辉等11采用MIKE 21软件建立了荆州中环污水处理厂排污口的二维水动力及水质模型，模拟了污染物在长江河段的迁移与扩散。MIKE 11水动力模型仅能反映出污染物在一个方向上的扩散变化，而MIKE 21模型能够较好地耦合水动力模型与对流扩散模型，可以对数据进行前处理，计算结果准确度和可视化程度高。以石首市城南污水处理厂的排污扩散为例，使用MIKE 21二维水动力模型及对流扩散模型，分析了正常与非正常两种工况下，入河排污口排放污水对受纳水体的影响范围和程度，可以为入河排污口的设置论证工作提供技术支持。1研究区概况石首市城南污水处理厂的排污口位于民建渠左岸，污水来源主要为石首市城南片区的生活污水。随着人口以及需水量的增长，生活污水总量也在不断增长，经常出现污水外溢问题12。根据排污口所在地的水域状况，分别考虑不同工况下，生活污水对民建渠的影响。结合渠道地形资料，确定研究区范围为民建渠城南污水处理厂排污口上游约50 m处至枣石高速陈家院附近，全长约为4 km，属于民建渠开发利用区，如图1所示。2研究方法2.1水动力方程采用N-S方程13来描述民建渠二维水流基本运动，其由连续性方程、横向（x 方向）的动量方程和纵向（y 方向）的动量方程组成。具体如下：19ht+hu x+hv y=hS（1）hu t+hu 2x+hy=fv h-ghx-h0pax-gh220 x+sx0-bx0-1Sxxx+Sxyx+x()hTxx+x()hTxy+husShv t+hv 2x+hy=-fu h-ghy-h0pay-gh220y+sy0-by0-1Syxy+Syyx+x()hTyx+x()hTyy+hvsS式中：h为静止水深（m）；t为时间（s）；u、v分别为流速在x、y方向上的分量（m/s）；u、v 为沿水深平均的流速（m/s）；S为源汇项；f为科里奥利（Coriolis）力参数，f=2sin（其中，=0.72910-4s-1，为地球自转角速率；为地理纬度）；g为重力加速度（m/s2）；为水位（m）；0为参考水密度（kg/m3）；pa为当地大气压（Pa）；为水的密度（kg/m3）；sx、sy、bx、by均为有效剪切力分量（kg/mm2）；Sxx、Sxy、Syx、Syy均为辐射应力分量（m2/s2）；Txx、Txy、Tyx、Tyy均为水平黏滞应力项（N）；us、vs为源汇项水流流速（m/s）。2.2污染物运移方程根据质量守恒定律，考虑民建渠污染物运移14过程中的对流、扩散和降解等因素，得出污染物的运移方程为：()hct+()uhcx+()vhcy=xhDxcx+yhDycy-Fhc+S（4）式中：c为污染物浓度（mg/L）；Dx、Dy分别为x方向和y 方向上的扩散系数；F为污染物衰减系数；S=Qs（cs-c），其中，Qs为排污口流量（m3/s），cs-c为污染物相对浓度（mg/L）；其他变量含义同水动力方程。2.3CFL值采用显示法计算水动力与污染物运移方程的时间积分，理论上模拟计算步长需要使 Courant-Friedrich-Levy（CFL）值在1以内才能维持模型的稳定。但是,由于CFL值具有推测性，有时即使小于1,模型也会处于不稳定状态。经过多次实验验证，当CFL临界值取0.8时，模型的稳定性较好。CFL值的计算公式为：CFLHD=()gh+|utx+()gh+|vty（5）式中：g 为重力加速度（m/s2）；h 为总水深（m）；u和 v 为流速在 x 方向和 y 方向上的分量（m/s）；t是时间间距（s）；x 和y 为 x 方向和 y 方向上的特征长度（m）。3模型建立研究采用MIKE 21软件构建民建渠水动力及对流扩散模型。首先，收集民建渠建模所需数据，包括河道流速、流量、水下地形、降水蒸发以及水质等；其次，将研究区划分为多个计算网格，并设置边界条件；再次，采用实测数据率定验证模型；最后，耦合对流扩散模型，模拟民建渠在不同工况下的污染物运移情况。3.1网格划分首先，对排污口所在纳污水体民建渠的9个过水断面进行流速、流量及水质测量。9个断面分别位于排污口下游0m、50m、100m、150m、200m、500m、1 000 m、2 000 m和4 000 m处。然后，在以排污口为起始点至下游4 000 m处，每隔20 m进行水下地形高程的勘测。分析实测断面资料后，为了使模拟出来的河道更加精确，将研究范围内的渠道地形数据每隔5 m插值后输入模型。在渠道的计算范围内使用MIKE 21网格生成器（Mesh Generation）划分模拟网格，研究采用三角形网格。权衡网格的空间分辨率来确定最优网格数量，最终确定网格长度为1030 m，网格数量为1 170个。具体如图2所示。水体研究区官田湖红星渠黄莲湖五股岔闸民建渠N图例研究区图1研究区位置uv（2）uv（3）2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷200500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 00026.7026.6526.6026.5526.5026.4526.4026.3526.30水位/m实测水位值模拟水位值与排污口距离/m05001 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000与排污口距离/m实测流量值模拟流量值4.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0流量/（m3/s）（b）（a）3.2边界条件模型的边界一般分为开边界和闭边界两种，开边界为水域边界，闭边界为水陆边界。该模型的开边界包括上边界入流口和下边界出流口，闭边界为民建渠岸线。上边界采用90%保证率的最枯月平均流量，下边界采用小湖口断面水位数据。3.3模型参数3.3.1 降水蒸发由于民建渠无水文站，故以邻近的监利市气象资料为基础，采用水文比拟法进行频率分析。根据1961-2019年监利市降水资料，按照典型年的选取原则，选定1963年为典型年，设计保证率为90%，年降水量为961.15 mm。采用1963年最枯月（2月）的降水蒸发资料作为降水蒸发模块的模拟条件。3.3.2 河床糙率考虑到民建渠为较为规整的人工渠道，故在模型模拟范围内，糙率取统一值。利用实测水位流量数据，经过多次糙率率定后，得到曼宁系数为31.25（m1/3）/s。按照此糙率值模拟计算，水位误差在0.010.02 m，流量误差在0.020.04 m3/s。3.3.3 污染物衰减系数根据民建渠的地形资料和水质实测资料，经过MIKE 21模型率定，得到COD、NH3-N、TN和TP的衰减系数分别为0.12/d、0.11/d、0.17/d和0.17/d。模拟出的污染物浓度结果与断面水质实测值的R2分别为0.95、0.83、0.88和0.96。3.4模型率定采用2022年5月民建渠9个监测断面的实测水位流量数据，建立民建渠水动力模型，并进行多次调参率定，将率定最优的水位流量与实测水位流量进行对比，如图3所示。结果表明，水位模拟值与水位真实值的平均误差为4.3%，流量模拟值与流量真实值的平均误差为8.8%。模拟结果均可反映民建渠的实际情况，模型可用于模拟民建渠的水质情况。3.5工况选取以COD、NH3-N、TN和TP为评价指标，排放流量为30 000 m3/d，在正常和非正常两种工况下分析污水排放。其中，正常工况为城南污水处理厂正常运行，污水经处理后达到GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准 的一级A排放标准；非正常工况为污水处理厂停止运行，污水不经处理，污水中的污染物以原浓度排放到民建渠中。各工况下的背景浓度与排放浓度如表1所列。4结果与分析将MIKE 21水动力模型及对流扩散模型耦合，图2模型计算网格图31.631.231.630.831.230.430.830.030.429.630.029.229.628.829.228.428.828.028.427.628.027.227.626.827.226.426.826.026.426.0未定义值测深/m图3水位、流量真实值与模拟值对比第6期董玉茹，等：基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析第59卷2136.536.036.535.536.035.035.534.535.034.034.533.534.033.033.532.533.032.032.531.532.031.031.530.531.030.030.529.530.029.5未定义值浓度/（mg/L）排污口然后对城南污水处理厂在正常工况与非正常工况下COD、NH3-N、TN和TP的浓度扩散情况进行模拟计算，分析两种工况下的污染影响范围及程度。4个评价指标在两种工况下的浓度场见图4，具体影响范围见表2。分析图4及表2可知，城南污水处理厂在正常运行时，污染影响范围仅限于民建渠。下游COD污染带范围长约100 m，宽约45 m；NH3-N污染带范围长约600 m，宽约45 m；TN污染带范围长约800 m，宽约45m；TP污染带范围长约50 m，宽约45 m。非正常运行时，污水处理厂收集的污水未经处理直接排放，下游COD污染带范围长约630 m，宽约45 m；NH3-N污染带范围长约1 100 m，宽约45 m；TN污染带范围长约1 200 m，宽约45 m；TP污染带工况正常非正常浓度背景浓度排放浓度背景浓度排放浓度评价指标COD30.0050.0030.00250.00NH3-N1.508.001.5020.00TN1.5015.001.5035.00TP0.300.500.303.00表1背景与排放浓度单位：mg/L30.04430.04030.04430.03630.04030.03230.03630.02830.03230.02430.02830.02030.02430.01630.02030.01230.01630.00830.01230.00430.00830.00030.00429.99630.00029.99229.99629.98829.99229.988未定义值浓度/（mg/L）（a）COD（正常工况）（b）COD（非正常工况）1.631.621.631.611.621.601.611.591.601.581.591.571.581.561.571.551.561.541.551.531.541.521.531.511.521.501.511.491.501.49未定义值浓度/（mg/L）2.302.252.302.202.252.152.202.102.152.052.102.002.051.952.001.901.951.851.901.801.851.751.801.701.751.651.701.601.651.60未定义值浓度/（mg/L）（c）NH3-N（正常工况）（d）NH3-N（非正常工况）1.8501.8251.8501.8001.8251.7751.8001.7501.7751.7251.7501.7001.7251.6751.7001.6501.6751.6251.6501.6001.6251.5751.6001.5501.5751.5251.5501.5001.5251.500未定义值浓度/（mg/L）2.92.82.92.72.82.62.72.52.62.42.52.32.42.22.32.12.22.02.11.92.01.81.91.71.81.61.71.51.61.5未定义值浓度/（mg/L）（e）TN（正常工况）（f）TN（非正常工况）排污口排污口排污口排污口排污口2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷220.300 280.300 260.300 280.300 240.300 260.300 220.300 240.300 200.300 220.300 180.300 200.300 160.300 180.300 140.300 160.300 120.300 140.300 100.300 120.300 080.300 100.300 060.300 080.300 040.300 060.300 020.300 040.300 000.300 020.300 00未定义值浓度/（mg/L）0.3700.3650.3700.3600.3650.3550.3600.3500.3550.3450.3500.3400.3450.3350.3400.3300.3350.3250.3300.3200.3250.3150.3200.3100.3150.3050.3100.3000.3050.300未定义值浓度/（mg/L）（g）TP（正常工况）（h）TP（非正常工况）图4各评价指标的浓度场排污口排污口范围长约500 m，宽约45 m。由前述分析可知，若污水未及时处理，将会对下游河道的生态环境造成极大影响。可见，对污水进行及时有效的处理是必要的。5结论与展望通过建立的民建渠水动力及对流扩散模型模拟了污水处理厂排放污水的扩散情况，主要结论如下。（1）经过多次率定得到曼宁系数为31.25（m1/3）/s。COD、NH3-N、TN 和 TP 的衰减系数分别为 0.12/d、0.11/d、0.17/d和0.17/d。污染物浓度模拟值与断面水质实测值的R2分别为0.95、0.83、0.88与0.96。（2）将水动力学模型与对流扩散模型进行耦合，在正常工况与非正常工况下，分析了COD、NH3-N、TN及TP在受纳水体中的扩散情况。分析发现，污水经过处理后再排放时，污染带范围最长为800 m，宽45 m；不处理直排时，污染带范围最长为1 200 m，宽45 m。污染带范围均属于本水功能区，未对下一个水功能区造成影响。（3）污染物在水体中的扩散是一个相对复杂的过程，传统的物理模型并不能完整和精确地反映污染物迁移扩散的真实情况，且物理模型存在运行速度慢、需求参数多等问题。这些参数之间存在着线性或非线性的关系，下一步将引入机器学习方法，研究污染物在河段中的迁移扩散。参考文献：1汪洁琼，陈奕，毛永青，等.基于Delft3D污染物扩散模拟的城市湖泊景观水体三维形态循证设计J.中国园林，2021，37（5）：44-49.2RIVERA A R，HEREDIA M W.Application of Delft3Dcomputational model to estimate the influence of El Balarun-of-the-river dam on the morphological activity of BeniRiver，BoliviaC/IOP.IOP Conference Series：Earth andEnvironmental Science.Bristol：IOP Publishing Ltd.，2023.3房亚军，于川淇，金鑫，等.基于SWMM-CCHE2D单向耦合模型的山地海绵城市内涝管控效果研究J.武汉大学学报（工学版），2021，54（10）：898-906.4AL A S，HUSSAIN T A，AL M M.Modeling Flow Patterns inTigris River-Baghdad Using the CCHE2D modelC/IOP.IOP Conference Series:Earth and Environmental Science.Bristol：IOP Publishing Ltd.，2022.5甄志雄.现代排水模型软件技术(InfoWorks CS)在广州市污水管网的应用J.广东建材，2010，26（4）：25-27.6穆聪，李家科，邓朝显，等.MIKE模型在城市及流域水文环境模拟中的应用进展J.水资源与水工程学报，2019，30（2）：71-80.7ZHANG X Q，WU X L，ZHU G Y，et al.Simulation of diffusesource polluted water environment based on MIKE21:Acase study of the urban section of the Bai riverJ.WaterPractice&Technology，2022，17（9）：1893-1913.8张守平，辛小康.MIKE21模型在企业污水处理厂入河排污口布设中的应用J.水电能源科学，2013，31（9）：101-104.表2各评价指标的污染影响范围单位：m工况正常非正常影响范围COD100630NH3-N6001 100TN8001 200TP50500（下转第46页）第6期董玉茹，等：基于MIKE 21模型的污水排放对水环境影响分析第59卷23且随着水流速度的增大，其变化幅度也增大，但当速度为 0.4 m/s、0.5 m/s 时，其变化曲线基本重合。等效应力和等效应变的变化趋势与总变形基本一致。最小主应力的最大值随着流速的增大呈增大趋势，而最小主应力的最小值和平均值随着流速的增大而减小，且平均值的减小幅度较小。（4）通过流固耦合方法模拟计算引水暗涵壁面的受力和变形特点可知，引黄济临工程在日常运行中应注意控制进水口的水位及流速，避免局部出现极端应力。参考文献：1姚惠惠，邢述彦.有限单元法在水电站压力管道应力分析中的应用J.科技情报开发与经济，2007，17（30）：176-177.2张献才，程玖红，李晓春.有限单元法在重力坝坝体孔洞应力分析中的应用J.华北水利水电学院学报，2009，30（5）：30-32.3刘光华，魏红.电力隧道近距离底穿输水方涵应力变形分析J.人民黄河，2020，42（4）：108-111.4高祥泽.输水工程中暗涵结构有限元计算分析J.陕西水利，2020，89（3）：31-32.5李玺.水锤激励下的管道流固耦合振动模态分析J.化工技术与开发，2021，50（增刊1）：62-66.6刘怒涛.坝内开裂泄水涵洞渗流-应力耦合有限元计算分析J.山西水利，2022，38（6）：31-33.0.00.10.20.30.40.5180900-90-180-270-360最小主应力/MPa最大值平均值最小值速度/（m/s）最大值平均值最小值1 0008006004002000-200最大主应力/MPa0.00.10.20.30.40.5速度/（m/s）（a）最大主应力（b）最小主应力图11最大主应力、最小主应力变化情况9张雨航，孙长虹，范清，等.基于MIKE21的密云水库总氮预测研究J.干旱区资源与环境，2021，35（8）：122-131.10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）：48-52.11刘晨辉，刘思飔，李丹，等.基于MIKE21模型的长江中环排污口水质影响分析J.中国农村水利水电，2020，62（1）：72-76.12姚家芬，高绣纺.石首市水环境质量现状评价及防治对策J.长江大学学报（自科版），2017，14（13）：32-40.13黄树新.推导Navier-Stokes方程用的Stokes的三条假设J.力学与实践，2022，44（3）：749-751.14薛强，梁冰，刘晓丽，等.土壤水环境中有机污染物运移环境预测模型的研究J.水利学报，2003，48（6）：48-55.（上接第23页）2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷46