基于减水河MIKE11建库后对水环境的影响

卢 慧，董红霞，轩晓博

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

翁结水库位于云南省临沧市耿马傣族佤族自治县，为澜沧江二级支流南碧河上规划建设的一座中型水库，总库容3880万m3，坝址距离澜沧江一级支流小黑江口67km。水库开发任务主要为生产生活和灌溉供水。水库运行后，坝址下游河道水量减少，造成了长67km的河段不同程度减水。河道减水后将使区间河流水面缩窄，水深变浅，流速趋小，河流的纳污能力下降，另一方面，灌区退水经沿线支流又汇入南碧河。为确保工程运行后，减水河段水质目标不下降，需下泄一定水量用于下游河道污染物稀释水量。

当前在河流、湖泊水质水动力研究中应用较为成熟的数值模型主要由DHI-MIKE、EFDC和WASP等，采用类似水环境数学模型进行河湖等地表水体的模拟研究应用广泛，如常旭、武亚菊等［1-3］应用DHI-MIKE、EFDC和WASP模型对河流和湖泊进行了数值模拟。本文基于DHI-MIKE11水动力、水质数学模型，确定翁结水库运行时的较优下泄过程，为工程运行后对下游河道水环境影响提供了科学依据。

1 DHI-MIKE模型及其基本原理

DHI-MIKE是由DHI（丹麦水利研究所）开发研制的系列软件，其根据多个数学模型集成开发研制成综合模型，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、水质、水温等水环境各个领域。本工程采用MIKE11一维模型进行模拟预测翁结水库下游河道水质情况。

1.1 水动力模块（HD）

MIKE11 HD模块基于一维明渠非恒定流方程，其理论基础是Saint-Venant方程组，水流连续方程反映了河道中的水量平衡，如式（1）：

动量方程如式（2）：

式中 A为过水断面面积；t为时间坐标；Q为流量；x为距离坐标；q为旁侧入流量；g为重力加速度；h为水位；C为谢才系数；R为水力半径。

1.2 水质模块（AD）

MIKE11 AD模块可对水体中的可溶性物质和悬浮性物质对流扩散过程进行模拟，根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算。

一维河流水质模型的基本方程为：

式中 C为模拟物质的浓度；μ为河流平均流速；Ex为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；t为时间坐标；x为距离坐标。

对流扩散系数是一个综合参数项，可通过经验公式估算：

式中 V为流速，来自水动力计算结果；a，b均为用户设定的参数。

2 数学模型构建和预测方案确定

2.1 灌区污染源情况

耿马灌区点源退水主要为耿马县生产生活退水，这部分退水经污水处理厂处理后以点源形式排入南碧河支流，最终汇入南碧河；灌区面源退水主要为农村生活面源及农田面源。根据对耿马灌区范围内现状年（2017年）和规划年（2030年）的污染源排放情况进行统计和预测，计算出灌区规划年较现状年入河污染源增加情况如表1。

表1 灌区入河污染源较现状年增加情况

2.2 模型构建

由于南碧河是翁结水库所在河流，同时下游减水河段为灌区主要退水河段，因此本文利用MIKE11软件在南碧河一维水动力学模型预测结果的基础上，增加入河排污口，构建南碧河一维水质模型。

水质模拟指标为COD和氨氮。模拟河段范围为翁结水库坝址至南碧河入小黑江汇口段，共67km。由于南碧河没有直接排入的点源，对于面源的排放，本次根据灌区范围内DEM高程数据和排涝渠系分布情况，基于GIS软件流域剖分和汇水路径分析功能，对灌区范围内面源退水路由进行了剖分，模拟河段区间污染源均概化成由支流十八道河、菜籽地河、芒信河、南木老河及挡帕河汇入南碧河，如图1。

图1 南碧河下游灌区污染物排放过程

本次模型上边界采用1972年6月～2014年5月共42年的流量资料，下边界为水位边界。考虑最不利情况，即预测河流流量在典型枯水年（P=90%）水文条件下的污染物排放过程。

3 坝址下游河道水质影响预测结果

将MIKE11水动力模块与水质模块进行耦合，模拟计算水库运行期间典型枯水年南碧河水质变化情况，选取南木老河与南碧河交汇口断面、芒片河与南碧河交汇口断面、入小黑江汇口断面3个代表断面进行对比分析，各断面水质预测结果如表2，表3和图2。

由表1，表2和图2可知，随着翁结水库坝下南碧河干流沿程工农业及生活供水量的不断增加，相应的退水污染物入河量不断增加，南碧河干流水质从上游至下游是逐渐变差的过程，污染物浓度增值在逐渐扩大，至灌区末梢小黑江汇口前断面，水质最差，相比工程建成前的COD、NH3-N浓度的增幅也最大。但工程建成后，南碧河干流水质总体均能满足水环境功能区划要求的地表水Ⅳ类目标，说明翁结水库下泄的水量过程能够满足下游河道水环境目标的要求。

表2 各断面COD预测结果 单位：mg/L

表3 各断面NH3-N预测结果 单位：mg/L

图2 下游河道水质预测结果

4 结语

（1）通过对建库后下游减水河段的模拟，基于减水河段水动力的变化和灌区污染物的排入分析，确定了翁结水库的最佳下泄水量，在此水量的基础上可确保下游减水河段水环境质量在可接受的范围内。

（2）使用MIKE11水环境数学模型辅助水库的规划设计，可为水利工程的科学设计提供技术依据。