山区河流水环境数值模拟

王更, 白栋, 钱建利. 2024. 山区河流水环境数值模拟——以四川古蔺河为例. 地质通报, 43(6): 984-993. doi: 10.12097/gbc.2022.12.005
引用本文: 王更, 白栋, 钱建利. 2024. 山区河流水环境数值模拟——以四川古蔺河为例. 地质通报, 43(6): 984-993. doi: 10.12097/gbc.2022.12.005
WANG Geng, BAI Dong, QIAN Jianli. 2024. Numerical simulation of water environment in mountainous river: A case of Gulin River, Sichuan Province. Geological Bulletin of China, 43(6): 984-993. doi: 10.12097/gbc.2022.12.005
Citation: WANG Geng, BAI Dong, QIAN Jianli. 2024. Numerical simulation of water environment in mountainous river: A case of Gulin River, Sichuan Province. Geological Bulletin of China, 43(6): 984-993. doi: 10.12097/gbc.2022.12.005

山区河流水环境数值模拟

  • 基金项目: 中国地质调查局项目《石羊河中游区域生态保护修复地质调查》(编号:DD20242666)
详细信息
    作者简介: 王更(1986− ),男,工程师,从事环境地质及水文地质研究。E−mail:461501321@qq.com
    通讯作者: 钱建利(1990− ),男,硕士,工程师,从事自然资源调查监测观测研究。E−mail:1228143523@qq.com
  • 中图分类号: P343.1; X143

Numerical simulation of water environment in mountainous river: A case of Gulin River, Sichuan Province

More Information
  • 山区河流边界地形复杂、水动力条件变化剧烈且水文水质资料缺失,水环境系统不确定性较大,对其开展数值模拟研究具有重要的科学和实践意义。通过建立基于Navier-Stokes的MIKE 21水动力水质模型,对四川省南部典型山区河流古蔺河进行水环境数值模拟,为山区河流水环境研究提供支撑。结果显示,所建模型表现良好,水动力模型决定系数(R2)平均值为0.93,平均相对误差(MRE)平均值为14.25%,水质模型R2平均值为0.86,MRE平均值为19.83%。水动力情景模拟显示,降雨量增加一倍,控制断面处的平均流速增加7.94%,风速增加一倍,控制断面处的平均流速增加5.26%。在不同补水情景下,当补水位置位于德耀镇、古蔺镇及太平镇再生水厂上游5 km,补水量为再生水厂规模的50%(0.29 m3/s、0.58 m3/s、0.46 m3/s)时,控制断面处COD、NH3-N和TP的平均浓度降幅最大,分别为24.55%、25.25%和26.79%。研究结果可为山区河流的水环境研究提供借鉴,对于山区河流的水环境系统治理具有重要意义。

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  • 图 1  古蔺河分段示意图(图中D1 ~ D13代表计算单元节点)

    Figure 1. 

    图 2  研究区域局部网格剖分图

    Figure 2. 

    图 3  研究区域河底糙率设定图(图中放大部分为局部河道糙率分布,箭头为水流矢量方向)

    Figure 3. 

    图 4  水动力模型验证结果(a、b为水文站断面;c、d为太平渡断面)

    Figure 4. 

    图 5  水质模型验证结果(a、b、c为水文站断面;d、e、f为太平渡断面)

    Figure 5. 

    图 6  不同水动力条件情景下各断面流速对比图

    Figure 6. 

    图 7  不同补水情景下水文站断面水质模拟结果(a,b,c分别表示不同断面COD、NH3−N、TP在不同情景下的浓度变化情况)

    Figure 7. 

    图 8  不同补水情景下太平渡断面水质模拟结果(a,b,c分别表示不同断面COD、NH3−N、TP在不同情景下的浓度变化情况)

    Figure 8. 

    表 1  计算单元信息

    Table 1.  Calculation unit information

    序号 控制单元 计算单元 长度/m 宽度/m 水深/m 体积/m3 坡降
    1德耀镇−飞龙河段D1-D22392100.371760.0107
    2D2-D35623140.35275530.0269
    3D3-D42825160.3135600.0145
    4D4-D56643100.5332150.0054
    5飞龙河段−水文站段D5-D61497220.45148200.0095
    6D6-D72737200.5273700.0030
    7D7-D83255180.5292950.0066
    8水文站−太平渡段D8-D91326140.355700.0068
    9D9-D108413180.3454300.0059
    10D10-D1110110200.51011000.0021
    11D11-D128620250.51077500.0033
    12D12-D135169300.6930420.0050
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    表 2  水动力模块各变量测量值与模拟值指标比较

    Table 2.  Index of comparison for simulated and measured values of hydrodynamic model

    变量 断面 MAE R2 RMSE MRE/%
    流量/(m3·s−1)水文站0.530.910.5520
    太平渡0.250.960.2810
    水位/m水文站1.120.901.6219
    太平渡1.060.951.118
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    表 3  水质模块各变量测量值与模拟值指标比较

    Table 3.  Index of comparison for simulated and measured values of water quality model

    污染物 断面 MAE R2 RMSE MRE/%
    COD 水文站 0.83 0.82 0.74 28
    太平渡 0.66 0.90 0.51 16
    NH3−N 水文站 0.56 0.80 1.34 25
    太平渡 0.29 0.89 1.12 15
    TP 水文站 1.08 0.84 1.41 23
    太平渡 0.77 0.91 0.98 12
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    表 4  水动力模拟情景设定

    Table 4.  Setting of hydrodynamic simulation scenarios

    情景 降雨量/mm 风速/(m·s−1) a
    1 5 1
    2 15 1
    3 30 1
    4 0 1
    5 0 3
    6 0 5
      注:a研究设定模拟风向为正西
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    表 5  补水情景设定

    Table 5.  Water supplement scheme setting

    情景 水厂 补水位置
    (距水厂距离/km)
    补水比例 补水量/(m3·s−1
    1W1030%0.17
    W2030%0.35
    W3030%0.28
    2W1050%0.29
    W2050%0.58
    W3050%0.46
    3W1080%0.46
    W2080%0.93
    W3080%0.74
    4W1150%0.29
    W2150%0.58
    W3150%0.46
    5W1350%0.29
    W2350%0.58
    W3350%0.46
    6W1550%0.29
    W2550%0.58
    W3550%0.46
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  • [1]

    Danish Hyelraulic Institute. 2012. WQTEMPLATES Scientific Description[R]. Denmark.

    [2]

    Endon. 1986. Diagnostic study on the vertical circulation and the maintenance mechanisms of the cyclonic gyre in lake Biwa[J]. Journal of Geophysical Research, C1(9): 869−876.

    [3]

    Imboden M D. 1974. Phosphorus model of lake eutrophication, limno[J]. Ocanogr, 19(2): 144−150.

    [4]

    Kim J, Lee T, Seo D. 2017. Algal bloom prediction of the lower Han River, Korea using the EFDC hydrodynamic and water quality model[J]. Ecological Modelling, 366: 27−36. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2017.10.015

    [5]

    Lopes J F, Silva C I, Cardoso A C. 2008. Validation of a water quality model for the Ria de Aveiro lagoon, Portugal[J]. Environmental Modelling & Software, 23(4): 479−494.

    [6]

    Mikulčić H, Wang X, Duić N, et al. 2020. Environmental problems arising from the sustainable development of energy, water and environment system[J]. Journal of Environmental Management, 259: 109666. doi: 10.1016/j.jenvman.2019.109666

    [7]

    Missaghi S, Hondzo M. 2010. Evaluation and application of a three-dimensional water quality model in a shallow lake with complex morphometry[J]. Ecological Modelling, 221(11): 1512−1525. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2010.02.006

    [8]

    Porté−agel F, Bastankhah M, Shamsoddin S. 2020. Wind−turbine and wind−farm flows: A review[J]. Boundary−Layer Meteorology, 174(1): 50−59.

    [9]

    Saint V B. 1871. Movement non−permanent seaux avec Application auxcures des Rivers[J]. Pintroduction Desmaeres Dansleur Lit, Acad Sci Comptesrekus, 73(1): 148−154.

    [10]

    Stefunkova Z, Macura V, Skrinar A, et al. 2021. Relationship between morphological characteristics and quality of aquatic habitat in mountain streams of Slovakia[J]. Water, 13(2): 1−14.

    [11]

    Streeter H W, Phelps E B. 1958. A study of the pollution and natural purification of the Ohio River[R]. US Department of Health, Education, & Welfare.

    [12]

    Teshager A D, Gassman P W, Secchi S, et al. 2017. Simulation of targeted pollutant−mitigation−strategies to reduce nitrate and sediment hotspots in agricultural watershed[J]. Science of the Total Environment, 607/608: 1188−1200. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.07.048

    [13]

    Wang Q, Peng W, Dong F, et al. 2020. Simulating Flow of An Urban River Course with Complex Cross Sections Based on the MIKE 21 FM Model[J]. Water, 12(3): 761. doi: 10.3390/w12030761

    [14]

    Xiong H B, Ma Y N, Liu T X. 2022. Purification−analysis of urban rivers by combining graphene photocatalysis with sewage treatment improvement based on the MIKE 11 model[J]. Environmental Technology, 43(4): 585−594. doi: 10.1080/09593330.2020.1797897

    [15]

    陈军, 吴程, 李爽, 等. 2022. 灞河流域水环境数值模拟研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 50(9): 80−88.

    [16]

    戴君, 刘硕, 韩金凤, 等. 2018. 污染负荷多情景变化下河流水质响应关系研究[J]. 中国环境科学, 38(2): 776−783.

    [17]

    付素静, 赵娜, 张晓晴, 等. 2021. 基于高时空分辨率流域水污染源清单的河流概化研究[J]. 环境生态学, 3(7): 11−16, 62.

    [18]

    古蔺县生态环境局. 2017. 古蔺县古蔺河“一河一策”管理保护规划[R].

    [19]

    韩先毅. 2017. 古蔺撤县设市城市供需水问题初探[J]. 四川水利, 38(4): 84−86.

    [20]

    何剑波, 李玉山, 胡立堂, 等. 2021. “引哈济党”工程对敦煌盆地地下水位影响的数值模拟研究[J]. 水文地质工程地质, 48(6): 34−43.

    [21]

    赖锡军. 2019. 流域水环境过程综合模拟研究进展[J]. 地理科学进展, 38(8): 1123−1135.

    [22]

    刘兴邦, 杜威. 2018. 关于山区中小河流水面线计算的探讨[J]. 中国水运(下半月), 18(10): 182−184.

    [23]

    罗铭, 丁锐, 黄尔, 等. 2019. 山区河流水位流量关系曲线研究[J]. 工程科学与技术, 51(5): 137−142.

    [24]

    漆露. 2018. 西南城市山溪性河流水系建设规划方法及实例研究[D]. 重庆大学硕士学位论文.

    [25]

    史铁锤, 王飞儿, 方晓波. 2010. 基于WASP的湖州市环太湖河网区水质管理模式[J]. 环境科学学报, 30(3): 631−640.

    [26]

    王民浩, 周晓平, 焦梦, 等. 2019. 流域水环境综合治理技术体系研究: 以兆河流域为例[J]. 环境工程, 37(10): 16−22.

    [27]

    王瑞敏, 胡静, 周末, 等. 2022. 基于 HEC-HMS模型的西南地区典型中小河流洪水预报研究[J]. 水电能源科学, 40(5): 79−82.

    [28]

    王文章, 程艳, 敖天其, 等. 2018. 基于SWAT模型的古蔺河流域面源污染模拟研究[J]. 中国农村水利水电, (10): 32−42.

    [29]

    王岩, 刘园, 高珍, 等. 2022. 环巢湖流域典型圩区水环境模拟与污染控制研究[J]. 水电能源科学, 40(9): 70−73.

    [30]

    吴贻创, 何守阳, 杨应增, 等. 2019. 喀斯特山区河流水环境容量核算与污染控制的单元化研究——以清水江流域鱼梁江河段为例[J]. 中国农村水利水电, (9): 111−120.

    [31]

    杨晨, 徐明德, 郭媛. 2017. 基于MIKE21的汾河水库突发环境事件数值模拟[J]. 灌溉排水学报, 36(11): 115−121.

    [32]

    张光科. 1999. 山区河流若干特性研究[J]. 四川联合大学学报(工程科学版), 3(1): 14−22.

    [33]

    张昊, 张代钧. 2010. 复杂水环境模拟研究与发展趋势[J]. 环境科学与管理, 35(4): 24−28.

    [34]

    张亚丽, 王艺铭, 史淑娟, 等. 2018. 基于QUAL2K模型的鹤壁卫河水质模拟预警研究[J]. 中国环境监测, 34(5): 138−143.

    [35]

    钟宗莲. 2016. 小流域水环境系统运行特性分析[D]. 西南交通大学.

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出版历程
收稿日期:  2022-12-02
修回日期:  2023-03-13
刊出日期:  2024-06-15

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