黄河下游引黄灌区水系连通条件下水环境变化效应模拟

胡亚伟 常东明 高子乐 贾倩 郑银林

关键词：ＭＩＫＥ１１；水系连通工程；水环境质量；水环境容量；赵口引黄灌区；黄河下游

水系连通是提高河网水系生态环境质量的重要方式之一。通过新建、改建江河湖库水系连接通道，优化水资源配置格局，可增强水系自净能力，促进流域可持续发展［１－３］。目前，ＭＩＫＥ１１、ＷＡＳＰ、ＥＦＤ等水环境模拟软件已成为研究水环境问题的重要工具［４］，其中ＭＩＫＥ１１软件可用于河流、灌溉渠道等河（渠）网的一维动态水动力、水质模拟，进行河渠灌溉系统的设计与调度、水质预警等，具有计算稳定、精度高等特点，在水域水系连通研究中运用广泛［５－６］。如：高强［７］采用ＭＩＫＥ１１软件建立水动力模型，提出优化河涌水系连通补水调度方案；周震［８］采用ＭＩＫＥ１１软件从微观尺度分析了巢湖流域不同水系连通状况对河流水质的影响；卢卫等［９］采用ＭＩＫＥ１１软件的水质模块评估分析了各种水系连通规划及水源调蓄工程的水污染情况；潘剑光等［１０］利用ＭＩＫＥ１１软件模拟了北方平原区城市水系的最优水动力情景，并据此得出实现水质全面达标的污染负荷削减方案。但目前针对灌区复杂渠系的ＭＩＫＥ１１模型模拟研究较为缺乏。

为分析水系连通条件下灌区水环境变化效应，以黄河下游赵口引黄灌区二期工程为例，基于ＭＩＫＥ１１软件构建灌区水动力－水质耦合模型，对闸控一维复杂河网的水动力、水质进行模拟，评估水系连通工程对灌区退水受纳水体水环境变化的影响，以期为赵口引黄灌区水资源利用、水生态修复提供依据。

１研究区概况

赵口引黄灌区位于黄河下游，高程４０～８０ｍ。现有骨干渠道１６条，支渠２４条，排水河沟道６２条。为满足农业灌溉用水需求，提升灌区用水效益，赵口引黄灌区二期工程对灌排工程和配套工程进行了新建、改建等。对１４条骨干渠道进行初衬改建，对东一干渠和陈留分干渠进行扩建，新建总干渠—运粮河—涡河和东二干渠—陈留分干渠—惠济河输水通道。灌区内河流均属于淮河流域涡河水系。灌区设计灌溉面积为１４７７．４ｋｍ２。自赵口引黄灌区渠首闸引黄河水，退水受纳水体主要为涡河和惠济河。涡河为淮河第二大支流，利用段总长１２４．７ｋｍ，输水利用段为运粮河沟口至玄武拦河闸。惠济河为涡河第一大支流，利用段总长２４．１６２ｋｍ，利用段有罗寨拦河闸和李岗拦河闸。工程完工后，会减小灌区输水损失，提高灌溉水利用系数，提升豫东平原渠道和河沟水系的连通性，改善区域生产生活条件，促进区域可持续发展。

２灌区水动力－水质耦合模型构建

赵口引黄灌区二期工程区内河道、沟道、渠道长度远大于宽度和深度，在灌区水体横向和垂向上各类污染物易混合均匀，符合一维稳态模型的构建、模拟条件。采用ＭＩＫＥ１１水动力模块（Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ，ＨＤ）和对流扩散模块（Ａｄｖｅｃｔｉｏｎ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＡＤ）构建赵口引黄灌区水动力－水质耦合模型。

２．１水动力模块

水动力模块（ＨＤ）基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维明渠非恒定流方程组来模拟河流或河口的水流状态［１１－１２］。

连续方程为

式中：Ｂｓ为河宽，Ａ为断面过流面积，ｔ为水体运移时间，Ｑ为断面流量，ｘ为按照水体流动走向的直线里程，ｑ为单位河长的旁侧入流水体流量，α为垂向速度分布系数，ｇ为重力加速度，ｈ为断面水位，Ｃ为谢才系数，Ｒ为水力半径。

采用Ａｂｂｏｔｔ－Ｉｏｎｅｓｃｕ六点隐式差分格式求解方程组，在每一个网格节点中按顺序交替计算水位和流量［１３］，可取较长的时间步长进行计算以节省时间。

２．２对流扩散模块

对流扩散模块（ＡＤ）可模拟水体中可溶性和悬浮性物质的对流扩散过程。对流扩散方程如下：

式中：Ｃ１为受纳水体污染物浓度，Ｃ２为旁侧入流水体污染物浓度，Ｄ为污染物扩散系数，Ｋ为污染物衰减系数。

污染物扩散系数为综合参数项，表示污染物沿水流方向的扩散速率，公式为式中：Ｖ为水流速度，ａ、ｂ为模型中用户设定的参数。

２．３模型构建

２．３．１河网概化文件设置

河网概化原则为可基本反映河网水系的水力特性，使河网输水、调蓄能力与实际相近或基本一致。根据地形、水力条件，运用ＡｒｃＧＩＳ概化赵口引黄灌区二期工程范围内的河、沟、渠，选择１６条骨干渠道和１７条河沟道导入ＭＩＫＥ１１形成连通的河网概化文件（．ｍｗｋ）。１６条骨干渠道分别为总干渠、东一干渠、东二干渠、陈留分干渠、朱仙镇分干渠、石岗分干渠、跃进干渠、幸福干渠、幸福西分干渠、幸福东分干渠、杞县东风干渠、东风二干渠、幸福渠、团结干渠、东风（太康）干渠、宋庄干渠，１７条河沟道为涡河、惠济河、孙城河、运粮河、香冉沟、小温河、小蒋河、小清河、涡河故道、小白河、铁底河、大堰沟、汤庄沟、清水河、上惠贾渠、下惠贾渠、姜清沟。

２．３．２断面及边界设置

为提高模型模拟的准确性，根据灌区地形在３３条河、沟、渠设置监测断面，在重要节点（水体交汇处）增加监测断面。

ＭＩＫＥ１１模型外部边界包括水动力模块的水文动力学边界和对流扩散模块的水质边界。水文动力学边界的时间序列数据来自河、沟、渠的实测和设计资料（流量、水位），上游边界为流量边界，下游边界为水位边界。水质边界的时间序列数据来自实测水质资料，水质指标包括总氮（ＴＮ）、总磷（ＴＰ）、氨氮（ＮＨ＋４－Ｎ）和硝氮（ＮＯ－３－Ｎ）。模拟的３３条河、沟、渠共包含７个边界，其中有５个上边界、２个下边界。上边界分布于总干渠、惠济河、涡河、大堰沟、清水河，下边界位于涡河和宋庄干渠。

２．３．３初始条件及参数设置

为使模型平稳启动，初始条件设置应尽可能与模拟开始时刻实际河网水动力、水质条件一致，因此设定初始水位、流量、水质数据为实测数据。水动力模块中糙率ｎ可以衡量河床边壁粗糙程度，其取值直接影响水动力模型的计算精确度。根据已有研究成果，河网糙率取值为０．０２５～０．０３０，混凝土衬砌渠道糙率为０．０１１～０．０１９［１４－１５］。模型初步搭建的河道和渠道糙率设置在上述范围内选择。对流扩散模块参数主要包括纵向扩散系数和衰减系数，国内河流的纵向扩散系数取值为５～２０ｍ２／ｓ［１６］。模型初步搭建时水质组分（ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ）的縱向扩散系数均在上述范围内设定，衰减系数初步设置为０．００２／ｈ。

２．３．４模型率定及误差分析

利用实测的水文、水质等数据对构建模型进行率定验证，通过不断调整各河、沟、渠的参数值，使模拟结果更为准确。

对涡河和惠济河的河道糙率进行率定，最终确定糙率值见表１。除涡河、惠济河外，其他１５条河沟道的糙率率定为０．０２５；１６条干渠、分干渠糙率率定为０．０１６。

为评价模型率定结果的准确性，对率定期（５月１—３１日）涡河下游魏湾闸附近断面和惠济河下游李岗闸附近断面流量的模拟值与实测值进行比较，采用效率系数与相关系数分析模型在灌区的适用性。涡河糙率的相关系数为０．８６５５、效率系数为０．８０８５，惠济河糙率的相关系数为０．８１９４、效率系数为０．７９２１，满足效率系数≥０．５且相关系数≥０．７的基本要求，表明率定后的糙率可较好地模拟实际水动力过程。

为达到更好的模拟效果，对涡河和惠济河的纵向扩散系数和衰减系数进行率定。涡河纵向扩散系数率定为９ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰减系数分别率定为０．００２９０、０．０００６０、０．００４１０、０．００１３０／ｈ。惠济河纵向扩散系数率定为８ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰减系数分别率定为０．００２５０、０．０００５０、０．００３８０、０．０００８３／ｈ。其余河、沟、渠的纵向扩散系数率定为８．５ｍ２／ｓ，ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＴＮ、ＴＰ衰减系数分别率定为０．００２７０、０．０００５５、０．００３９５、０．００１１０／ｈ。

对率定期（５月１—３１日）涡河下游魏湾闸附近断面及惠济河下游李岗闸附近断面处ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ和ＴＰ浓度的实测值与模拟值进行比较，得到纵向扩散系数和衰减系数的率定误差，见表２。各水质指标的纵向扩散系数和衰减系数满足效率系数≥０．５且相关系数≥０．７的基本要求，表明率定的纵向扩散系数和衰减系数可较好地模拟实际水动力过程。

２．４水环境容量计算

水环境容量是指在给定水文条件和水域范围、规定水质目标和排污方式的前提下，为保证水体功能正常使用，单位时间内允许最大纳污量，其由稀释容量和自净容量组成，可表示水域的自净同化能力［１７－１８］。采用基于ＭＩＫＥ１１模型的ｍ值法计算灌区受纳水体涡河和惠济河的日均水环境容量［１９－２１］。

ＭＩＫＥ１１水质模块已充分考虑污染物的衰减作用，在计算水环境容量时只需考虑稀释作用。污水进入受纳水体后的混合污染物浓度Ｃｓ计算公式为

３结果分析

３．１水系连通后受纳水体水环境质量变化情况

赵口引黄灌区二期工程区内净耕地面积为１４７０ｋｍ２，第一产业以农业为主，农作物主要有花生、棉花、玉米、小麦、西瓜等。灌区年内雨量分配集中，６—９月汛期降水量占全年降水量的７５％～８５％，暴雨主要发生在７—８月。３—５月、７月和１１月为引黄灌溉期。

利用搭建的水动力－水质耦合模型分析新建总干渠—运粮河—涡河和东二干渠—陈留分干渠—惠济河输水通道后，涡河裴庄闸、吴庄闸、魏湾闸、玄武闸监测断面和惠济河罗寨闸、李岗闸监测断面２０２１年１月１日—１２月１８日的水质变化情况，各断面的水质变化情况较相似，选取涡河裴庄闸断面和惠济河罗寨闸断面的模拟结果进行展示，见图１、图２。水系连通前涡河４个闸口断面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ浓度符合地表水Ⅳ类水标准（ＴＮ≤１．５ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．３ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤１．５ｍｇ／Ｌ），惠济河２个闸口断面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ浓度符合地表水Ⅴ类水标准（ＴＮ≤２．０ｍｇ／Ｌ，ＴＰ≤０．４ｍｇ／Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ≤２．０ｍｇ／Ｌ）。水系连通后６个断面的ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ浓度整体均低于连通前的，表明在较长时间尺度上，水系连通性的提高使得灌区受纳水体水环境质量改善。汛期和灌溉期氨氮浓度较高，原因是氮肥以有机氮和氨氮为主，氨氮带正电荷，易与带负电荷的土壤结合，在汛期和灌溉期含有氨氮的土壤被冲刷入河，导致水体中氨氮浓度升高。

水系连通对河、沟、渠道及受纳水体水质改善具有积极的作用。增加灌区河、沟、渠连接节点并进行渠道衬砌改造后，灌区水系水力联系、水体流动性和连续性提高，促进水量、能量、物质流交换，加快水体循环。灌区通水灌溉后，长距离输水及水力机械运动使得水体复氧更加充分，有利于污染物的稀释、扩散和降解，增强水体自净能力，增加河流水环境容量。同时部分引黄水通过河渠渗漏或灌溉回归地下水，经水体稀释等可在一定程度上降低浅层地下水中的污染物浓度，提升水环境质量。

３．２水系连通后受纳水体水环境容量变化情况

水系连通前后涡河和惠济河６个断面的日均水环境容量计算结果见表３和表４。水系连通之后，涡河裴庄闸、吴庄闸、魏湾闸、玄武闸断面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水环境容量整体为水系连通前的１．０～５．７倍。

惠济河罗寨闸、李岗闸断面ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的水环境容量整体为水系连通前的１．３～２．３倍。

水系连通后水环境容量增加，表明灌区退水受纳水体的污染物最大容纳负荷增大，维持水体生态系统平衡的综合能力增强。在满足基本水环境质量要求的前提下，可进行的水资源利用等人类活动上限提高，有助于维持黄河下游社会经济可持续发展和保持水生态系统健康。

４结论

采用ＭＩＫＥ１１軟件构建了赵口引黄灌区二期工程水动力－水质耦合模型，评价水系连通对灌区退水受纳水体重要节点水环境质量和水环境容量的影响。水系连通工程的实施使灌区退水受纳水体涡河及惠济河中ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的浓度降低，涡河各污染物的水环境容量整体为水系连通前的１．０～５．７倍，惠济河污染物的水环境容量整体为水系连通前的１．３～２．３倍。通过新建总干渠—运粮河—涡河和东二干渠—陈留分干渠—惠济河输水通道，增加了流域水环境容量，提高了水体复氧能力、自净能力，改善了流域水生态环境。