水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型在生態(tài)城市河流中的運用

吳啟凡

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

在城市中河流是非常關(guān)鍵的資源，同時也是環(huán)境的載體，尤其是目前城市生態(tài)化已經(jīng)逐漸占據(jù)了城市建設(shè)的主體地位，在生態(tài)建設(shè)時，城市河流更加發(fā)揮了其獨一無二的影響?？墒牵捎诔鞘忻娣e的日益加大以及人為干預(yù)的日益嚴重，大面積的城市河流已經(jīng)出現(xiàn)水污染，生態(tài)失衡，河流過流能力降低以及河流不暢等情況。因此針對城市河流，實施以生態(tài)為前提的對水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度進行的研究，是非常重要的。

1 針對生態(tài)城市河流開展的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型

1.1 城市河流生態(tài)對水資源的總需求量

城市河流生態(tài)對水資源的總需求量指的是:在城市水質(zhì)不良并且水量水動力短缺的基礎(chǔ)上，以使河道所有功能區(qū)劃的最終目標都能達到為基礎(chǔ)，為使在城市河流中生存的生物保持其多樣性，滿足最主要的環(huán)境功能總共需要的流量。需要大量的自凈水資源以及河流自身的稀釋是其最大的特征，河網(wǎng)中大部分河流流量的控制都是由人工進行的。城市河流生態(tài)對水資源的總需求量主要有:為岸邊植物生存提供的水資源，為景觀提供的水資源，為水中生存的生物提供的水資源，河流蒸發(fā)以及滲漏，河流自身的稀釋以及自凈，為了易于深入理解以及實施操作，一般把河流生態(tài)對水資源的總需求量分為最佳需水量，適宜需水量以及最小需水量，關(guān)于具體需水量的計算是通過如下方式進行的，即:河道濕周法、理論和經(jīng)驗公式法、月(年)保證率法、Tennant法以及 R2CROSS法等。

1.2 河流水量的基本模型

1.2.1 主要方程式

圣維南方程組由兩部分構(gòu)成，即動量方程及連續(xù)方程，它是關(guān)于河道水流運動的主要方程。

連續(xù)方程:

動量方程:

式中:x為距離，m;t為時間，s;A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2;B為調(diào)蓄寬度，m;Q為斷面流量，m3/s;u為斷面流速，m/s;Z為斷面水位，m;a為動量修正系數(shù);g為重力加速度;K為流量模數(shù)，m3/s;q為旁側(cè)入流量，入流為正，出流為負，m3/s;vx為入流沿水流方向的速度，若旁側(cè)入流垂直于主流，則vx=0，m/s。

1.2.2 數(shù)值計算

圣維南方程組通過一維非恒定流進行模擬，本文選擇了Perissmann 4點隱式離散來離散主要方程，這主要是由于這種算法不僅具有較好的守恒性，而且數(shù)值變化不大，最主要的是能將無迭代求解顯示出來而且效率好。在離散結(jié)束后，對公式進行簡化后能計算出所有河道水流的動量方程以及連續(xù)方程(式中vx取值為0):

式中:全部系數(shù)的計算都能按照前面計算出來的值乘以時間以及空間步長進行計算，因此該方程組屬于常系數(shù)線性方程組。關(guān)于這個方程組，按照邊界條件的區(qū)別，能設(shè)各種遞推關(guān)系，通過追趕法來進行求解。

1.2.3 節(jié)點連結(jié)條件

河網(wǎng)節(jié)點主要包括兩種:①節(jié)點位置的水量調(diào)蓄范圍不大，水位變化引起的節(jié)點蓄水量發(fā)生的變化能不考慮，屬于沒有調(diào)蓄節(jié)點;②節(jié)點位置蓄水范圍較大，節(jié)點位置的水位變化引起的蓄水量發(fā)生的變化要考慮在內(nèi)，屬于調(diào)蓄節(jié)點。能量守衡的基本條件:因為匯集在相同節(jié)點位置的河道斷面水位大體相似，沒有水位突變的情況，此外由于水位變化速度較慢，所以伯努里方程是能量守恒的基本要條件。

1.2.4 邊界條件

河道通常都有3種邊界條件:①水位流量關(guān)系條件，如果邊界河道上存在水閘以及堰等水工建筑物的話，一般來說水位流量關(guān)系也就是Q=Q(z)是確定的。邊界條件的確定主要來源于對邊界斷面的具體水位資料進行測量得知;②流量邊界條件也就是Q=Q(t);③水位邊界條件，也就是說時間和水位之間的關(guān)系是已知的，即Q=Z(t)。

1.3 河流水質(zhì)模型

城市河流水質(zhì)的變化不僅不均勻而且不穩(wěn)定，由于水質(zhì)觀測資料的有限性，本文選擇了一維河流水質(zhì)模型。

1.3.1 基本方程

一維對流擴散模型的基本偏微分方程為:

式中:c為斷面平均污染物質(zhì)量濃度，mg/L;u為斷面平均縱向流速，m/s;D為縱向離散系數(shù)，m2/s;Sext為外部源匯項;Sint為內(nèi)部源匯項，即降解項，一般假定降解符合一級動力反應(yīng)，則:

式中:k為綜合一級動力學(xué)反應(yīng)速度，1/d。

1.3.2 離散方程

針對離散方程，河流污染物選擇了對體積進行有限控制的顯式計算方式，對節(jié)點處污染物以及管道處污染物的質(zhì)量進行平衡計算。

1.4 對水質(zhì)以及水量基本模型進行耦合的技術(shù)手段

把河流的水質(zhì)模型(生態(tài)環(huán)境要素變化)以及河流的水量模型(水體物理特征)進行耦合，能有效的模擬以及預(yù)測河流生態(tài)系統(tǒng)的各種要素。在對其進行耦合時，水質(zhì)計算要求的流量、速度等水力參數(shù)都來源于水量模型。在進行耦合的過程中，計算單元一定要與時間步長相一致。關(guān)于一維河網(wǎng)問題，在水質(zhì)模型里，水量模型里緊挨著的微斷面構(gòu)成微河段，在水質(zhì)模型中所有的單元體積，它們的交界面都和水量模型里的斷面存在對應(yīng)關(guān)系。在水質(zhì)模型中，關(guān)于水質(zhì)運輸率的計算要在與單元連接的交界面上進行，在所有單元體積中進行水質(zhì)濃度的計算。

2 模型計算實例

2.1 實例概況

有一城市河流，流域面積合計為663.0 km2，43.2 km的長度，關(guān)于河道坡降，屬于上面較陡下面較緩，上段大概占到1/500，下段大概占到1/1 500。共擁有兩個水庫，以及5個橡膠壩。水資源來源于提灌站提供的引水量，大概為1 466萬m3/a。目前，由于城市化的發(fā)展，該河水系生態(tài)水量短缺，使河流生態(tài)功能減弱，水體發(fā)生污染，不管是水質(zhì)性缺水還是水源性缺水不斷加重。

2.2 設(shè)計以及建立模型

2.2.1 河流生態(tài)對水資源的需求量

按照《城市生態(tài)水系規(guī)劃》的規(guī)定，聯(lián)系該市水系資料進行考慮，關(guān)于該河流對水資源需求量的計算，本文選擇了理論以及經(jīng)驗公式法，Tennant法進行計算，表1是其計算結(jié)果。

表1 河流生態(tài)流量推薦值 m3·s－1

2.2.2 對模型進行的驗證

圖1顯示的是該河氨氮質(zhì)量濃度及流量的實測值和模擬值。由圖1可見，其模擬值與實測值的基本變化趨勢是相似的。關(guān)于流量，其不管是模擬值還是實測值，只有4月以及8月具有較大的相對誤差即28.9%以及40.9%，其他月份其相對誤差都不大即≤25%;而氨氮的模擬以及實測值，其4月是－28.9%，8 月是 －43.1%，10 月是 －30.6%，其他月份其相對誤差都≤25%。因此從模擬結(jié)果可以看出模型是準確的。

圖1 模型驗證結(jié)果

2.3 對調(diào)度效果進行的分析

以本市某河河道以及水資源的實際情況為依據(jù)，本文設(shè)計了水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型，其主要目的是對研究區(qū)造成的安全作用最小，缺水量最少但是水質(zhì)得到最大程度的改善。

通過相關(guān)數(shù)據(jù)計算結(jié)果可以得出，只憑借雨水的話是不太容易滿足該河流對水資源的需求量的。該河流建造了兩座水庫。依靠這兩個水庫進行的調(diào)節(jié)，特別是庫1進行的調(diào)節(jié)，當(dāng)汛期結(jié)束后能為最小河道提供最基本的流量。根據(jù)河道適宜性對水資源需求量進行考慮，如果缺乏引水量的話，河道生態(tài)僅能達到10.1%水資源保障;如果存在引供水的話，河道生態(tài)可以達到72.4%的水資源保障，河流對水資源的需求量幾乎可以得到提供。可是經(jīng)過計算得知，在非汛階段要是未引水量的話，也許會發(fā)生沒有水的現(xiàn)象，也就無法為生態(tài)流量提供水資源，因此在非汛期階段要處理好河道生態(tài)對水資源的需求，一定要有水源進行河道調(diào)水。

3 結(jié)語

在城市河流水質(zhì)較差，過流能力不斷減少，生態(tài)失衡的情況下，采取水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型，由實例可以看出，采取這種模型實施閘壩調(diào)控引水，最終計算結(jié)果是科學(xué)適宜的，能為水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度具體方案的設(shè)計、改善河流生態(tài)環(huán)境帶來技術(shù)保障。

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