MIKE21模型在赣江入湖口及邻鄱阳湖水域水质模拟的应用

沈 越,张 健,尤佳艺,王长芳子,黄 一

(1.江西省生态环境监测中心,330039,南昌;2. 江西省生态环境科学研究与规划院,330039,南昌;3. 江苏河海环境科学研究院有限公司,210009,南京)

随着经济社会的发展和城市化进程的加快,我国河网水系结构变化明显,河湖水系连通性变差,给水生态环境、水资源利用乃至区域发展都带来了诸多问题[1]。为优化区域水资源综合配置能力,结合区域发展布局,充分利用尾闾地区河湖水系和综合整治工程,构建南北向以赣江为主线的水系连通体系,实现水资源与经济社会布局空间均衡。尾闾地区水系综合整治工程实施后,引起河流水文和水力条件发生显著变化,进而对河流水质、生物栖息环境和生物群落产生重要影响。目前,MIKE21在水系综合治理中主要体现在水动力及水质扩散分析等方面。王哲等[2]运用MIKE21模拟了金仓湖的流场分布及水质扩散情况;杨卫等[3]研究了汤逊湖湖泊群5种不同连通方案下的水动力和水质分布情况;钱佳欢等[4]模拟了阳明湖水系综合整治工程不同工程下水系的水位及流场分布情况;张虎等[5]运用MIKE21软件模拟对比了“菜子湖”和“白荡湖”引水方案对巢湖水质的改善效果;李洋等[6]运用数值模型在长江流域一级河网中模拟水库调节引起河流水文和水力条件。本文以赣江尾闾综合整治工程为例,运用MIKE21软件建立了二维水动力模型,计算正常调度方案下赣江入湖口及其相邻鄱阳湖水域水质的变化情况,从水环境质量改善的角度为项目的建设提供科学依据。

1.1 研究范围

通过建设赣江南昌水利枢纽(由主支象山枢纽、北支进口枢纽、中支南新枢纽和南支吉里枢纽4座控制闸组成),以赣江为纵线,以赣抚航道、城南护城河等现有河渠为横线,以象湖、青山湖、艾溪湖、瑶湖、青岚湖等主要湖泊为节点,构建以南昌市昌南城区为核心的水系连通格局,本次分析运用MIKE21软件建立的评价影响范围为赣江入湖口及其相邻鄱阳湖水域。

1.2 水位调度参数及依据

1)外洲典型断面15.5 m目标水位;

2)外洲水文站实测实时水位、流量;

3)赣江四支整治后水量分配方案(表1);

表1 赣江各分支在不同流量级条件下流量分配表

4)赣江主、中、南支各控制闸的闸上、闸下水位;

5)各水闸以闸下水位为参数的“闸上水位-闸下水位-下泄流量”关系线(即泄流曲线)等。当外洲断面水位低于15.5 m时,通过闸门的运用使其抬高至15.5 m,并基本满足各分汊水量需求;当外洲断面水位高于15.5 m时,加大闸门的开启度直至闸门全开泄流,以使典型断面水位降至15.5 m。

1.3 基于规划枢纽正常调度情形下的边界条件

规划枢纽正常调度在从7月份中高水位时开始调度,当赣江枢纽正常运行调度使得河流达到相应的调控目标水位时,由于河流水文条件和入湖水质的变化对下游鄱阳湖会产生影响,根据水环境影响评价导则要求,采用外洲站近10年最枯月平均流量时的水文条件作为模型边界水文条件,计算方案的边界条件具体见表2。

表2 基于南昌枢纽不利调度的水环境影响计算方案表

2.1 模型基本方程

2.1.1 水动力基本方程 基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服从于Boussinessq假定和静水压力的假设。二维非恒定浅水方程组为:

式中,t为时间,x,y为横纵坐标,h=+d为总水深=水位+静水深,u,v分别为x,y方向上的速度分量,f是哥氏力系数,ρ为水的密度,S为源项,Sxx、Sxy、Syy为辐射应力分量。

2.1.2 水质基本方程 水质方程是以质量平衡方程为基础,采用垂向平均的二维水质模型。二维水质输移方程为:

式中,Ci为污染物浓度,u、v为x、y方向上的流速分量,Ex、Ey为x、y向上的扩散系数,Ki为污染物降解系数,Si为污染物底泥释放项。

2.2 模型构建

本次建立鄱阳湖水动力模型[7-13]。模型计算范围水下高程利用部分湖体实际地形数据和资料地形图,模型计算范围见图1。

图1 鄱阳湖二维模型计算范围图

初始水位设定取水位年鉴资料平均水位,起始时刻流速设为0。模型以各入湖河流水文水位站作为边界,模型计算共划分18 768个三角形网格。模型计算时间步长为△t=600 s。

2.3 模型参数率定

利用鄱阳湖内部都昌、星子、棠荫、龙口、康山、吴城水位站作为水动力参数率定点位,选取1、5、7月分别作为枯平丰3个不同水期的代表月对模型水动力进行率定,模型水平涡粘系数Cs取值0.28。底床的摩擦力采用河道糙率值,选用曼宁数表示,介于0.018～0.022之间。风拖曳系数0.001 2～0.001 6。各率定站点计算值与实测值对比如图2～图4所示,模型计算结果的水位与实测水位绝对误差不超过20 cm,所建模型能够较好地适用于鄱阳湖的水动力模拟。

图2 鄱阳湖1月各水位率定点计算值与实测值对比图

图3 鄱阳湖5月各水位率定点计算值与实测值对比图

图4 鄱阳湖7月各水位率定点计算值与实测值对比图

2.4 区域饮用水源及主要污染源概化

区域影响范围内从市汊至南昌枢纽之间共概化46个入江排口以及1个规划未建设污水厂尾水(樵舍污水处理站10万吨/天)入江排口。概化后的区域水环境敏感目标及排污口分布示意图如图5。

图5 区域污染源概化排口相对位置示意图

规划赣江拦河枢纽正常调度时,且在近十年最枯月流量不利条件下,预测枢纽正常运行对鄱阳湖水质影响结果见表3所示,规划前后鄱阳湖浓度场图如图6所示。

图6 规划枢纽建设前后赣江入湖口及邻鄱阳湖水域水质浓度场对比图

1)应用MIKE21模型构建能客观反映赣江入湖段COD、氨氮、TN、TP的浓度时空分布模型,模型计算结果的水位与实测水位绝对误差不超过20 cm,表明模型模拟精度较高,所建模型能够较好地适用于鄱阳湖的水动力模拟。

2) 规划南昌枢纽建设对鄱阳湖水质影响主要集中在入湖口闸门及附近区域,对鄱阳湖整体影响较小。规划枢纽正常运行后,靠近赣江的南矶山、伍湖分场鄱阳湖考核断面水质浓度有所减少;靠近金溪咀刘家、南湖村鄱阳湖考核断面水质浓度有所增加,但总体变化较小,不改变鄱阳湖水质类别,对鄱阳湖影响较小。

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