第 ３７ 卷第 ４ 期

２０１７ 年 ４ 月

环　 境　 科　 学　 学　 报　 Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ

Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４Ａｐｒ．， ２０１７

基金项目： 安徽省省级环保科研课题（Ｎｏ． ２０１５⁃１３）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（Ｎｏ．２０１５ＺＸ０７２０４⁃００７）Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ′ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｕｎｄｓ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｎｏ． ２０１５⁃１３） ａｎｄ ｔｈｅ Ｍａｊｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｈｅ （Ｎｏ．２０１５ＺＸ０７２０４⁃００７）作者简介： 熊鸿斌（１９６３—），男，教授（博士），Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｈｂ６３２４＠ ｓｉｎａ．ｃｏｍ； ∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｋｕａｎｇｗｕ１９７２＠ １２６．ｃｏｍＢｉｏｇｒａｐｈｙ： ＸＩＯＮＧ Ｈｏｎｇｂｉｎ（ １９６３—），ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ （ Ｐｈ． Ｄ．），Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｘｈｂ６３２４＠ ｓｉｎａ． ｃｏｍ； ∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｋｕａｎｇｗｕ１９７２＠１２６．ｃｏｍ

ＤＯＩ：１０．１３６７１ ／ ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１６．０３６０熊鸿斌，张斯思，匡武，等．２０１７．基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析［Ｊ］ ．环境科学学报，３７（４）：１５７３⁃１５８１Ｘｉｏｎｇ Ｈ Ｂ，Ｚｈａｎｇ Ｓ Ｓ，Ｋｕａｎｇ Ｗ， ｅｔ ａｌ． ２０１７．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＩＫＥ１１ ｍｏｄｅｌ［ Ｊ］ ．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３７（４）：１５７３⁃１５８１

基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析熊鸿斌１，张斯思１，２，匡武２，∗，吴蕾２，朱慧娈２

１． 合肥工业大学 资源与环境工程学院， 合肥 ２３０００９２． 安徽省环境科学研究院，安徽省污水处理技术研究重点实验室， 合肥 ２３００２２收稿日期：２０１６⁃０６⁃１２　 　 　 修回日期：２０１６⁃０８⁃２２　 　 　 录用日期：２０１６⁃０９⁃０８

摘要：为分析入河水污染源不同处理措施的控制效能，以中国多闸坝重污染河流的典型代表—涡河为例，针对“引江济淮”工程涡河段的水质

改善需求，以涡河主要污染物 ＣＯＤ、氨氮为指标，应用 ＭＩＫＥ １１ 模型建立能客观反映模拟河段水动力、水质时空演变规律的模型；结合情景分

析方法对涡河流域入河水污染源不同处理措施的控制效能进行量化评估．模拟结果表明：截污是改善“引江济淮”工程涡河段水质的关键，可降

低约 １８．９％～３６．８％的 ＣＯＤ 入河负荷，以及 １３．９％～２６．３％的氨氮入河负荷；提高污水厂的处理量是改善“引江济淮”工程涡河段水质的有效措

施，可削减 １５．０％的 ＣＯＤ 和 １０．８％的氨氮污染；综合处理措施优于单一措施，通过截污、提高污水厂的处理量和排放标准可以使 ８６％以上的河

段达到 ＩＶ 类水体要求．本研究结果可为“引江济淮”工程沿线的水污染防治提供技术支持，同时为河流综合治理工程决策提供借鉴和依据．关键词：ＭＩＫＥ １１ 模型；“引江济淮”工程；涡河；水质改善

文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１７）０４⁃１５７３⁃０９　 　 　 中图分类号：Ｘ１４４　 　 　 文献标识码：Ａ

Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎＭＩＫＥ１１ ｍｏｄｅｌＸＩＯＮＧ Ｈｏｎｇｂｉｎ１，ＺＨＡＮＧ Ｓｉｓｉ１，２，ＫＵＡＮＧ Ｗｕ２，∗， ＷＵ Ｌｅｉ２，ＺＨＵ Ｈｕｉｌｕａｎ２

１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９２． Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｒｅｓｅｒｃｈ ｏｎ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｈｕｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ ｆｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １２ Ｊｕｎｅ ２０１６；　 　 　 ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２２ Ａｕｇｕｓｔ ２０１６；　 　 　 ａｃｃｅｐｔｅｄ ８ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１６

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｓｓｅｓｓ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｇｕｏ Ｒｉｖｅｒ， ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｌｅａｄｉｎｇ ｗａｔｅｒｆｒｏｍ Ｙａｎｇｔｚｅ ｔｏ Ｈｕａｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＭＩＫＥ １１ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯＤ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｓｃｅｎａｒｉｏａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｓｅｗａｇｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ＣＯＤ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ １８．９％ ｔｏ ３６．８％ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ １３．９％ ｔｏ ２６．３％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． ｏｎｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ， ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ＣＯＤ ｂｙ １５．０％ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｙ １０．８％． ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ａｎｙ ｓｉｎｇｌｅ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｌａｎ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｅｗａｇｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ， ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ ｅｆｆｌｕｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ＣＯＤ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ， ａｎｄ ｏｖｅｒ ８６％ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ Ｃｌａｓｓ ＩＶ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （ＧＢ３８３８—２００２）． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｌｅａｄｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｆｒｏｍＹａｎｇｔｚｅ ｔｏ Ｈｕａｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＭＩＫＥ １１ ｍｏｄｅｌ； ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｌｅａｄｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｆｒｏｍ Ｙａｎｇｔｚｅ ｔｏ Ｈｕａｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ； Ｇｕｏ Ｒｉｖｅｒ； ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ

环　 　 境　 　 科　 　 学　 　 学　 　 报 ３７ 卷

１　 引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）

“引江济淮”工程是一项以城乡供水和发展江

淮航运为主要任务，并结合灌溉补水和改善巢湖及

淮河流域水生态环境的大型跨流域调水项目．为保

证“引江济淮”工程输水水质，需要从流域治理出

发，因地制宜地制订和实施入河水污染源不同处理

措施，包括截污、污水厂扩建和提标等．方案实施前，管理决策者和工程人员迫切需要量化评估这些处

理措施对河流的水质改善效果，而河流水质模型模

拟是解决该类问题的一种有效手段 （王亚炜等，２０１３）．

水质模拟的主要研究目标是量化描述河流水

质的时空演变规律，为河流的污染防治提供技术支

撑．目前，应用较多的模型有 ＱＵＡＬ２Ｋ、ＷＡＳＰ、ＭＩＫＥ等，主要应用在污染事故模拟预测 （王庆改等，２００８）、水质预测（张青梅等，２０１４；Ｌｉｎ ｅｔ ａｌ．，２０１２；金春久等，２０１０）和水量调度（Ｄｏｕｌｇｅｒｉｓ ｅｔ ａｌ．，２０１２；Ａｒｅｇａ ｅｔ ａｌ．，２００３）等研究领域．其中，ＭＩＫＥ 系列模

型精度高、通用性强，且在现行水环境影响评价导

则的修订版中，也把 ＭＩＫＥ 软件作为导则推荐软件

之一而提出（王庆改等，２００９）．目前，我国学者对

ＭＩＫＥ１１ 模型在我国河流水体中的应用做了广泛的

研究．李洋等（２０１０）利用 ＭＩＫＥ １１ 模型水动力模型

模拟了三峡与葛洲坝建坝前后长江的水动力变化，

为生态调度提供技术支撑．钱海平等（２０１３） 应用

ＭＩＫＥ１１ 建立平湖市平原感潮河网的水动力和水质

模型，计算了达到水质改善目标应削减的污染负荷．余晓等（２０１１）应用 ＭＩＫＥ１１ 模型模拟了额尔古纳

河洪水的最大淹没面积，为河流两岸的防洪提供科

学依据．以上研究主要通过模拟河流水文和水质，为水量调度、防洪和削减负荷提供科学依据．依靠模型

的模拟预测，实现河流综合治理工程辅助决策功能

的报道较少（王亚炜等，２０１３）．而且，目前国内应用

ＭＩＫＥ １１ 模型的研究较少涉及以多闸坝重污染为主

要特征的河流．因此，本研究以中国多闸坝重污染河

流的典型代表—涡河为例，选取“引江济淮”工程江

水北送段的涡河线路大寺闸至入淮口河段为模拟

河段，针对“引江济淮”的调水水质要求，以 ＣＯＤ、氨氮为目标污染物，应用 ＭＩＫＥ １１ 模型的降雨径流模

块、水动力模块和对流扩散模块，采取数值模拟的

方法，分析入河水污染源不同处理措施的控制效

能，以期为“引江济淮”工程江水北送段涡河线路的

水质改善提供技术支持，同时为河流综合治理工程

决策提供参考和依据．

２　 研究区域概况（Ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ）

２．１　 研究范围

研究区域如图 １ 所示．涡河是淮河中游左岸一

级支流，淮河第二大支流，发源于河南省尉氏县，在

图 １　 研究区域示意图

Ｆｉｇ．１　 Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａ

４７５１

４ 期 熊鸿斌等：基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析

安徽省内流经亳州、涡阳、蒙城，于蚌埠市怀远县城

附近注入淮河．涡河流域位于我国南北气候过渡地

带，多年平均降水量为 ６００～９００ ｍｍ，降雨主要集中

在 ６—９ 月，丰枯水期径流量悬殊较大．安徽省境内

流域面积为 ４３４０ ｋｍ２，河道长 ２２５ ｋｍ．涡河主河道沿程设有大寺闸、涡阳闸和蒙城闸

等拦河节制闸蓄水工程；主要支流有赵王河、油河、洺河和老武家河等，集中分布在中上游的谯城区和

涡阳县．本文研究范围是涡河流域从大寺闸至入淮

口段的汇水面积（即涡河安徽段流域面积扣除大寺

闸上游河段的汇水面积）．２．２　 涡河流域现状水质

根据 ２０１３ 年水质监测数据，涡河中上游水质年

均值为劣Ⅴ类，下游水质年均值为Ⅳ类．但涡河流域

作为“引江济淮”工程重要输水廊道和受水区，其调

水水质要求为Ⅳ类．经对比，涡河干流及一级支流大

部分河段不能满足调水水质要求，主要超标因子是

ＣＯＤ 和氨氮．污染来源主要有工业、城镇生活、农村

生活及农业面源等，其中，沿线工业废水、城镇生活

污水等点源污染相对较突出．

３　 水质模型的建立（Ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ）

ＭＩＫＥ １１ 模型适用于河口、河流、灌溉渠道及其

他水体模拟一维水动力、水质和泥沙运输的专业工

程软件，包括水动力模块（ＨＤ）、水工建筑物模块

（ＳＯ）、溃坝模块（ＤＢ）、降雨径流模块（ＲＲ）、对流扩

散模块（ＡＤ）、水质生态模块（ＥＣＯ Ｌａｂ）、非粘性泥

沙输运模块（ＳＴ）和洪水预报模块（ＦＦ） ／数据同化

模块（ＤＡ）８ 个模块．本研究应用 ＭＩＫＥ １１ 的水动力

和对流扩散模型，并结合降雨径流模型建立“引江

济淮”工程涡河段水质模型．３．１　 数学模型

３．１．１　 水动力模块（ＨＤ） 　 ＭＩＫＥ１１ ＨＤ 模块是基于

垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流

圣维南（Ｓａｉｎｔ⁃Ｖｅｎａｎｔ）方程组来模拟河流或河口的

水流状态；采用 Ａｂｂｏｔｔ⁃Ｉｏｎｅｓｃｕ ６ 点隐式差分格式求

解，即在每一个计算点不同时计算水位和流量，采取按顺序交替计算水位和流量的方法．３．１．２　 对流扩散模型（ＡＤ） 　 ＭＩＫＥ １１ ＡＤ 是 ＭＩＫＥ１１ 系列软件中对河流中的可溶性物质和悬浮性物

质的对流扩散过程进行模拟的模块，它基于 ＨＤ 模

块生成的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算．ＭＩＫＥ １１ ＡＤ 的功能特点包括：能够求解溶解质或悬

浮物的一维对流扩散方程；能准确计算污染物的较

大浓度梯度过程；可以模拟粘性泥沙的侵蚀和沉积．３．２　 河网概化

在河网的概化中，应根据地形条件及水流情

况，着重考虑主要的河道，那些水量较小、对整个河

网影响不大的短小河段或不予考虑，或与其它河道

结合考虑（吴作平等，２００３）．综合考虑对涡河干流水

质影响较大及子流域内有概化排污口的支流，将模

拟河网概化为 １ 条涡河干流和 ３ 条支流，即赵王河、油河、老武家河，河网概化及模拟节点情况见图 ２．建立模型时，各子流域内的支流及排污口均概化到该

支流汇入涡河的节点处，排污量按考虑迁移过程中

降解因素后的数值设定．

图 ２　 河网概化图

Ｆｉｇ．２　 Ｃｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｒｉｖｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ

３．３　 模型的边界条件

模型的上、下边界分别设在亳州市大寺闸和怀

远县的入淮口处．水动力模型以每日流量、水位数据

设置，上边界采用时间⁃流量边界，下边界采用时间⁃水位边界．水质模型边界条件以 ２０１３ 年每月一次的

水质监测数据设定，其中，上边界条件入流流量和

污染物浓度值见图 ３．由于涡河水质较差，沿程取水

量占比较小，因此，在建模过程中设定沿程没有流

量汇出．为提高河道水力计算精度，在 ＮＡＭ 模块中按

照地形划分多个区域模拟其降雨径流过程．由于不

同区域的汇流时间有所不同，且本文主要收集到了

３ 个雨量站（大寺闸、涡阳闸和蒙城闸） 和 ２ 个蒸发

站（大寺闸和蒙城闸） 的资料，因此，各区域采用分

区范围内或周边最近雨量站日降雨量和蒸发量来

计算分区的日平均降雨量及蒸发量．根据 ２０１３ 年安

徽省环境统计数据及其他补充资料计算，２０１３ 年随

地表径流汇入到研究区域河段的面源 ＣＯＤ、氨氮分

别为 ４１４６．２、４１７．９ ｔ，包含农村生活污染、农业面源

污染、城市径流污染等．模型以流量和污染物浓度的

日均值按分布式污染源设定．

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环　 　 境　 　 科　 　 学　 　 学　 　 报 ３７ 卷

图 ３　 上边界条件入流流量（ａ）和污染物浓度（ｂ．ＣＯＤ，ｃ．ＮＨ＋４ ⁃Ｎ）

Ｆｉｇ．３　 Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ（ａ） ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（（ｂ．ＣＯＤ，ｃ．ＮＨ＋４ ⁃Ｎ）） ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

　 　 沿线存在 １３ 个概化点源排污口，其中，工业企

业直排污水 １０００．２ 万 ｔ、ＣＯＤ １０２２．９ ｔ、氨氮 ２５８．４ ｔ，城镇生活直排污水 ４４７９．０ 万 ｔ、ＣＯＤ ２１３６．８ ｔ、氨氮

２１３．７ ｔ，５ 个污水厂排污口排放污水 ３１５３． ５ 万 ｔ、ＣＯＤ ９５７．０ ｔ、氨氮 ９７．２ ｔ，模型以实测资料按点源设

定，无时间序列的数据用恒定值设定，位置分布如

图 １ 所示．３．４　 模型的构建

３．４．１　 数据准备 　 本研究建模需要的数据包括涡

河流域图、气象数据（包括每日降雨量和每日蒸发

量等）、闸门构筑物参数、涡河实测断面的起始距及

河床高程数据、上下游断面的水位和流量数据、断面水质实测数据、涡河沿线排污口（含概化排污口）水质水量数据．其中，水文数据来源于安徽省水利部

门，水质实测数据和污染源数据来自于 ２０１３ 年安徽

省环境统计数据和安徽省环保厅发布的重点监控

企业监测数据．３．４．２　 模型构建　 引入“引江济淮”工程涡河流域

图，构建模型河网文件，其中，河网最大计算步长

ｍａｘΔｘ 设为 ３０００ ｍ，模型根据 ｍａｘΔｘ 值自动插入计

算水位点，并以 Ｗｅｉｒｓ 结构分别输入沿程大寺闸、涡阳闸和蒙城闸 ３ 个闸门的形状等参数条件；输入涡

河 １８７ 个实测断面的起始距及河床高程数据，生成

河段的断面文件（．ｘｎｓ１１）；以时间序列文件（．ｄｆｓ０）的形式输入模型边界条件（．ｂｎｄ１１），无时间序列的

数据以恒定值设置；输入日降雨量和日蒸发量等气

象资料、流域资料及模块参数构建降雨径流文件

（．ｒｒ１１），并耦合到水动力参数文件（．ＨＤ１１）中；设置水动力参数文件和水质的参数文件（． ＨＤ１１ 和

．ＡＤ１１），定义模拟的初始条件、河床糙度、扩散系数

和衰减系数等条件；设置模拟文件（．ｓｉｍ１１），模拟时

间步长设为 １ ｍｉｎ，每天输出 １ 个模拟数据．３．５　 模型的参数及率定

３．５．１　 降雨径流模块（ＮＡＭ） 　 由于研究区域的监

测资料有限，单独对 ＮＡＭ 模块进行率定较难，因此，与水动力模块联合率定．ＮＡＭ 模块参数包括地

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４ 期 熊鸿斌等：基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析

表储水层最大含水量 Ｕｍａｘ、土壤或根区储水层最大

含水量 Ｌｍａｘ、壤中流汇流时间 ＣＫＩＦ、坡面流汇流系

数 ＣＱＯＦ、坡面流产流临界值 ＴＯＦ、坡面流汇流时间

ＣＫ１２等．根据安徽省水文局的涡河段实测数据，选取

２０１１—２０１３ 年为模型的率定年．对比国内相关文献

资料 （卿晓霞等， ２０１５；林波等， ２０１４；钱海平等，２０１３），经率定得到 Ｕｍａｘ ＝ １０ ｍｍ、 Ｌｍａｘ ＝ １５０ ｍｍ、ＣＫＩＦ＝ ５００ ｈ、ＣＱＯＦ＝ ０．４１、ＴＯＦ＝ ０、ＣＫ１２ ＝ ３０ ｈ．３．５．２　 水动力学模块（ＨＤ） 　 为提高模型的模拟精

度，针对涡河不同河段河道的水力特性和点源的排

放情况，分别对大寺闸⁃涡阳闸、涡阳闸⁃蒙城闸、蒙城闸⁃入淮口河段的参数进行率定．ＨＤ 需要率定的

参数为河床糙度，即曼宁系数，参数值见表 １．

表 １　 涡河段的曼宁系数

Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｎｎｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ Ｇｕｏ Ｒｉｖｅｒ

河段 大寺闸⁃涡阳闸 涡阳闸⁃蒙城闸 蒙城闸⁃入淮口

曼宁系数 ０．０２０ ０．０２１ ０．０２３

以实测值率定水动力学模型，并用绝对误差

Ｒｅ、可决系数 Ｒ２和 Ｎａｓｈ⁃Ｓｕｔｔｃｌｉｆｆｅ 系数 Ｅｎｓ验证模型

的可靠性，一般认为，Ｒ２≥０．６、Ｅｎｓ≥０．５ 时，模型的

模拟结果是可以接受的．涡阳闸水深和蒙城闸流量

模拟结果见图 ４．从图 ４ 的水深、流量模拟值和实测

值对比分析可知，ＭＩＫＥ １１ 建立的水动力学模型的

精度较高，涡阳闸水深 Ｒｅ为 ３．３０％，Ｒ２为 ０．９９０，Ｅｎｓ

为 ０．９８４；蒙城闸流量 Ｒｅ为 ９．８％，Ｒ２为 ０．９６９，Ｅｎｓ为

０．９９７，模型模拟效果良好，可较准确反映河段的水

动力变化过程．

图 ４　 水深、流量模拟值与实测值对比

Ｆｉｇ．４　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｆｌｏｗ

３．５．３　 对流扩散模块（ＡＤ） 　 ＡＤ 模块的参数包括：ＣＯＤ 和 ＮＨ＋

４ ⁃Ｎ 的衰减系数、沉降速率、再悬浮率、沉降临界速率等，其中，需要率定的参数为扩散系数

和污染物衰减系数．参考国内相关文献资料（冯民权

等，２００７；王帅，２０１１），将扩散系数在 ５～２０ ｍ２·ｓ－１之

间用 ２０１３ 年断面的实测水质数据进行率定．经率

定，本模型扩散系数取 ８ ｍ２·ｓ－１ ．各污染物在涡河各

区段的综合衰减系数取值见表 ２．

表 ２　 各污染物在涡河各区段的综合衰减系数

Ｔａｂｌｅ ２　 Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｉｎ Ｇｕｏ ｒｉｖｅｒ

污染物综合衰减系数 ／ ｄ－１

大寺闸⁃涡阳闸 涡阳闸⁃蒙城闸 蒙城闸⁃入淮口

ＣＯＤ ０．０６７ ０．０６２ ０．０６０

ＮＨ＋４ ⁃Ｎ ０．０７０ ０．０６７ ０．０６７

　 　 研究选择岳坊大桥作为模型的验证断面，用２０１３ 年 ＣＯＤ 和 ＮＨ＋

４ ⁃Ｎ 模拟值与实测值进行对比，结果见图 ５．根据图 ５ 率定的结果分析可知，ＣＯＤ 模

拟值误差为 １４．２％，氨氮模拟值误差为 １６．１％．率定

模型存在一定误差，主要原因是部分点源排污口的

水质水量数据是概化计算值，设置为恒定值．模型基

本能够描述涡河的水动力、水质的时空演变规律，可用于描述入河水污染源不同处理措施的控制

效能．

４　 涡河水质改善措施情景分析（Ｓｃｅｎａｒｉｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｉｎ ＧｕｏＲｉｖｅｒ）

针对涡河以 ＣＯＤ 和氨氮污染为主的水污染特

征，提出 ３ 项涡河流域入河水污染源的处理措施，分

７７５１

环　 　 境　 　 科　 　 学　 　 学　 　 报 ３７ 卷

图 ５　 ＣＯＤ、ＮＨ＋４ ⁃Ｎ 模拟值与实测值的比较

Ｆｉｇ．５　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ＣＯＤ ａｎｄ

ＮＨ＋４ ⁃Ｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ

别为：①截污，控制河段沿程点源污染物入河量；②污水厂升级改造，提高河段主要污水厂的处理量和

排放标准；③综合①、②处理措施．本研究对这 ３ 种

处理措施的控制效能进行情景分析，以期为今后河

流水体的水质改善提供有益的借鉴．４．１　 治污前水质模拟

对研究水体中 ＣＯＤ 和氨氮浓度时空分布进行

了数值模拟，以期了解现状水质，并与各情景的效

果进行对比．由于一般非汛期水质劣于汛期水质，因此，本研究选择非汛期（１ 月）水质变化情况进行对

比．涡河大寺闸至入淮口沿程污染物浓度分布见

图 ６．根据图 ６ 模拟结果可知，涡河大寺闸至入淮口

的中上游水质较差，ＣＯＤ 总体达不到地表水Ⅳ类水

质目标；氨氮上游（０～２０ ｋｍ）水质较差，但中下游水

质能够满足Ⅳ类水体的要求．结合对涡河沿程污染

源的调查，发现模拟河段中上游水质较差主要是受

上游来水污染物浓度高和沿程污染点源排放的影

响，尤其是谯城区、涡阳县和蒙城县的排污口集中，污染物入河量较大，使得附近河段 ＣＯＤ 和氨氮浓度

较高；下游纳入的污染物相对上游而言有所减少，污染物浓度显著下降．因此，为改善“引江济淮”工程

涡河段的水质，需要考虑对沿程点源进行截污、提高污水厂的处理量和排放标准．

图 ６　 污染物浓度分布图

Ｆｉｇ．６　 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ

４．２　 截污的控制效果

截污被广泛认为是高效的处理措施（卿晓霞

等，２０１５；邱明海等，２０１５）．对研究范围内污染源进

行分析，发现入河污染负荷以点源贡献为主，点源

排放 ＣＯＤ、氨氮分别占入河总量的 ５６％、６１％．因此，本研究在对涡河流域 ２０１３ 年污染源调查及排污口

概化的基础上，结合《“引江济淮”工程治污规划（安徽段）》及其他相关规划，模拟 ３ 种情景进行分析：①城镇生活直排概化排污口全部截污进入污水厂，截污水量 ５５．３５×１０４ ～ ２７７７．７０×１０４ ｔ·ａ－１、ＣＯＤ 入河

８７５１

４ 期 熊鸿斌等：基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析

量１６６．０６～ ７８２．５９ ｔ·ａ－１、氨氮入河量 １６．６１ ～ ７８．２６ｔ·ａ－１，截污后污水厂水量相应增加，其他排污口不

变；②工业企业直排概化排污口全部截污进入污水

厂，截污水量 １５７．１６×１０４ ～５８２．２１×１０４ ｔ·ａ－１、ＣＯＤ 入

河量 １５４． ６０ ～ ７３０． ８９ ｔ·ａ－１、氨氮入河量 １４． ９４ ～２２５．５１ ｔ·ａ－１，截污后污水厂水量相应增加，其他排

污口不变；③除污水厂排污口外所有概化排污口全

部截污进入污水厂，污水厂水量相应增加，截污对

污染物浓度的模拟结果见图 ７．

图 ７　 实施截污措施后对河道污染物浓度的影响

Ｆｉｇ．７　 Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｏｎｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ

截污对污染物浓度影响的模拟结果（图 ７）表

明：①与截污前相比，中上游 ＣＯＤ 和氨氮浓度下降

明显，说明截污对涡河的水质改善效果显著．下游污

染物浓度降幅较小，主要原因是下游排污口相对上

游而言有所减少，因此，截污对下游污染物浓度降

低的效果不明显．②对比所有城镇生活直排（情景

１）和工业企业（情景 ２）概化排污口的截污效果，城镇生活直排概化排污口截污后污染物浓度平均降

幅更大，ＣＯＤ 平均减少了 １０． ２９ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为

２２．８％；氨氮平均减少了 ０．１５ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为１７．９％．③对比 ３ 种情景，除污水厂排污口外所有概化排污

口全部截污（情景 ３）对污染物削减贡献最大，ＣＯＤ平均减少了 １５．４４ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 ３６．８％；氨氮平均

减少了 ０．２１ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 ２６．３％，因此，截污可作

为涡河水质改善的首要处理措施．４．３　 污水厂升级改造的控制效果

通过对河段沿程污水厂调查发现：由于流域人

口和城镇化发展较快，部分污水厂已满负荷甚至超

负荷运行，使得大量污水（７．５％ ～ １３．２％）未经处理

而直接排放；另外，部分污水厂排放尾水不能稳定

达到 《城镇污水厂污染物排放标准 （ＧＢ １８９１８—２００２）》中的一级 Ａ 标准．为加强巢湖流域水污染防

治，改善地表水环境质量，合肥市在 ２０１３ 年要求辖

区内的城市污水处理厂排放标准在一级 Ａ 的基础

上进一步提高至准Ⅳ类标准（ＣＯＤ３０ ｍｇ·Ｌ－１，氨氮

２．５ ｍｇ·Ｌ－１），截至目前，合肥市已有几家污水厂通

过升级改造达到了该标准．为量化评估污水厂升级

改造对沿程水质改善的效果，综合考虑《城镇污水

厂污染物排放标准（ＧＢ １８９１８—２００２）》和合肥市提

出的准Ⅳ类出水标准，本研究以涡阳县和蒙城县内

超负荷运行的污水厂为例，模拟 ２ 种情景进行分析：①污水厂升级改造，污水全部处理且出水稳定达到

一级 Ａ 标准（ＣＯＤ ５０ ｍｇ·Ｌ－１，氨氮 ５ ｍｇ·Ｌ－１）；②污

水厂升级改造，不仅污水全部处理，而且出水稳定

（ＣＯＤ ４０ ｍｇ·Ｌ－１、氨氮 ２．５ ｍｇ·Ｌ－１）．污水厂升级改

造对涡河段水质改善效果的模拟结果见图 ８．图 ８ 情景模拟结果表明：①与治污前相比，污水

全部处理且稳定达到一级 Ａ 标准（情景 １）时，ＣＯＤ平均减少了 ３．５１ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 １５．０％；氨氮平均

减少了 ０．０６ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 １０．８％．其中，岳坊大桥

断面（距大寺闸约 ７４ ｋｍ 处）ＣＯＤ 和氨氮浓度降幅

分别为 １７．９％和 ２４．７％．因此，避免超越排污，提高

污水厂的处理量，是显著提高受纳水体水质的重要

措施．②相较于情景 １，当污水厂出水标准由一级 Ａ提高标准时（情景 ２），ＣＯＤ 平均减少了 １．６ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 ９．７％；氨氮平均减少了 ０．０５ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为

１０．４％．其中，岳坊大桥断面 ＣＯＤ 和氨氮浓度降幅分

别为 ５．６％和 ４．７％，可知提高污水厂排放标准也是

改善水体水质的有效途径之一．③对比治污前、情景

１ 和 ２，在污水厂升级改造过程中，首要的应该是提

高污水厂的处理量，避免污水未经处理直排入水

体；其次应该提高污水厂的排放标准，减少污染物

９７５１

环　 　 境　 　 科　 　 学　 　 学　 　 报 ３７ 卷

的入河量．

图 ８　 污水厂排水水质对污染物浓度的影响

Ｆｉｇ．８　 Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｏｎ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　

４．４　 综合处理措施的控制效果

综合以上情景分析，制定 ３ 组“引江济淮”工程

涡河段 ＣＯＤ 和氨氮的综合处理措施进行模拟，即：①城镇生活直排概化排污口全部截污，污水厂污水

全部处理且出水稳定达到一级 Ａ 标准；②除污水厂

排污口外的排污口全部截污，污水厂污水全部处理

且出水稳定达到一级 Ａ 标准；③除污水厂排污口外

的排污口全部截污，污水厂污水全部处理且出水稳

定达到 ＣＯＤ ４０ ｍｇ·Ｌ－１、氨氮 ２．５ ｍｇ·Ｌ－１ ．综合处理

措施对涡河段水质改善效果的模拟结果见图 ９．分析模拟结果（图 ９）可知：①情景 １、２、３ 中，

ＣＯＤ 和氨氮浓度降幅分别为 ３３． ３％ ～ ５０． ７％ 和

２４．１％～４０．１％；其中，岳坊大桥断面 ＣＯＤ 降幅分别

为 ４３． ６％、 ５５． １％ 和 ６３． ７％，氨氮的降幅分别为

２７．０％、４０．３％和 ４７．０％；３ 组方案分别在 ２０、１７ 和 １７ｋｍ 处（分别占模拟河段全长的 ８６％、８８％和 ８８％）开始满足 ＩＶ 类水要求．②与单一处理措施相比，综

合处理措施不仅可以弥补截污措施造成的水量无

法保证，还能缓解污水厂升级改造带来的经济成本

和工程技术压力，因此，综合处理措施控制效能优

于单一措施．

图 ９　 综合水质改善方案实施效果模拟

Ｆｉｇ．９　 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｆｔｅｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒｔａｔｅｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ

５　 结论（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）

１）应用 ＭＩＫＥ１１ 模型构建能客观反映“引江济

淮”工程涡河 ＣＯＤ 和氨氮的浓度时空分布的模型，用水文水质的实测值对模型进行率定．水深的 Ｒｅ、Ｒ２和 Ｅｎｓ分别为 ３．３０％、０．９９０ 和 ０．９８４，流量的 Ｒｅ、Ｒ２

和 Ｅｎｓ分别为 ９．８％、０．９６９ 和 ０．９９７，ＣＯＤ 模拟值误差

为 １４．２％，氨氮模拟值误差为 １６．１％，表明模型模拟

精度高，能够合理描述入河水污染源不同处理措施

的控制效能．２）在单一处理措施中，截污对污染物削减贡献

最大，不同截污措施使 ＣＯＤ 平均减少了 ９．０７～１５．６２ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 １８． ４％ ～ ３７． ５％，氨氮平均减少了

０．１２～０．２１ ｍｇ·Ｌ－１，降幅为 １３．３％～２６．３％，表明截污

是改善模拟河段水质的关键措施．如不截污，提高污

０８５１

４ 期 熊鸿斌等：基于 ＭＩＫＥ１１ 模型入河水污染源处理措施的控制效能分析

水厂的处理量，ＣＯＤ 和氨氮浓度降幅分别为 １５．０％和 １０．８％，是提高受纳水体水质的重要措施；其次应

该提高污水厂的排放标准，减少污染物的入河量．３）综合处理措施控制效能优于单一措施，通过

截污、提高污水厂的处理量和排放标准可以使模拟

河段 ８６％以上达到 ＩＶ 类水体要求．４）本研究以“引江济淮”工程涡河段为例，研究

入河水污染源不同处理措施的控制效能．本文的研

究结果可为“引江济淮”工程江水北送段的涡河线

路的污染防治提供技术支持，同时可为河流综合治

理工程决策提供借鉴和依据．５）本次研究对截污、污水厂的扩建和提标进行

了控制效能分析，但入河水污染源的处理措施还包

括支流治理、改善上游来水水质和生态河道等，因此，在总量控制时还应对其他处理措施进行效能分

析，以期获得最优处理措施组合．

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