太湖數(shù)字流域系統(tǒng)在陽澄湖地區(qū)的研究和應(yīng)用

王為攀，王勝艷

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇泰州 225300)

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太湖數(shù)字流域系統(tǒng)在陽澄湖地區(qū)的研究和應(yīng)用

王為攀1，王勝艷2*

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇泰州 225300)

基于太湖數(shù)字流域系統(tǒng)建立了陽澄湖地區(qū)一維河網(wǎng)模型，選取研究范圍內(nèi)38個監(jiān)測斷面的水位水質(zhì)實測資料對模型進(jìn)行率定，得到河道參數(shù)范圍：糙率0.020～0.025，CODCr降解系數(shù)0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數(shù)0.07～0.29 d-1，TP綜合沉降系數(shù)0.05～0.10 d-1，模型擬合結(jié)果較好。應(yīng)用建立的一維河網(wǎng)模型計算陽澄湖地區(qū)污染物削減前后的斷面水質(zhì)濃度，結(jié)果顯示，太湖數(shù)字流域系統(tǒng)可定量地進(jìn)行陽澄湖地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的模擬和預(yù)測。

太湖數(shù)字流域系統(tǒng)；陽澄湖地區(qū)；河網(wǎng)模型；率定

太湖數(shù)字流域系統(tǒng)是在太湖流域研究較為深入的水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是指污染物在水環(huán)境中因物理、化學(xué)、生物作用而發(fā)生變化的規(guī)律及影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，既是水環(huán)境科學(xué)研究的內(nèi)容之一，又是水環(huán)境研究的重要工具[1]。合理地應(yīng)用水質(zhì)模型，可定量地進(jìn)行水環(huán)境的模擬和預(yù)測，計算水環(huán)境容量，并制定水污染總量控制方案和控制規(guī)劃，實施水環(huán)境目標(biāo)管理等。它的研究和發(fā)展涉及到水環(huán)境科學(xué)的許多基本理論問題和水污染控制的許多實際問題，很大程度上取決于污染物在水環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿研究的不斷深入，以及數(shù)學(xué)手段在水環(huán)境研究中應(yīng)用程度的不斷提高[2]。

此次研究對象為蘇州市陽澄湖地區(qū)，該區(qū)域位于太湖流域，其中陽澄湖是蘇州市重要飲用水源之一，擔(dān)負(fù)著蘇州市區(qū)、昆山市以及沿湖鄉(xiāng)鎮(zhèn)近百萬人的飲用水的供給任務(wù)。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，陽澄湖地區(qū)水體水質(zhì)不斷惡化。為了保護(hù)陽澄湖地區(qū)水環(huán)境，保障蘇州飲用水源水質(zhì)安全，必須加強對陽澄湖地區(qū)的水環(huán)境整治及水體水質(zhì)的研究。該次研究地域范圍為《蘇州市陽澄湖水源水質(zhì)保護(hù)條例》中規(guī)定的陽澄湖一級、二級及準(zhǔn)保護(hù)區(qū)的范圍，總面積465 km2。筆者基于太湖數(shù)字流域系統(tǒng)，將陽澄湖概化為零維調(diào)蓄節(jié)點，構(gòu)建陽澄湖地區(qū)一維河網(wǎng)模型并進(jìn)行率定驗證，對陽澄湖地區(qū)污染物削減前后的主要交界河道斷面的水質(zhì)變化情況進(jìn)行分析，為水環(huán)境治理的可行性提供科學(xué)的依據(jù)。

1 基于太湖數(shù)字流域系統(tǒng)的陽澄湖地區(qū)一維河網(wǎng)模型的建立

1.1 太湖數(shù)字流域系統(tǒng)太湖數(shù)字流域系統(tǒng)由污染負(fù)荷模型和河網(wǎng)湖泊相耦合的水量水質(zhì)模型組成，覆蓋太湖全流域。該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫和GIS等技術(shù)構(gòu)建數(shù)字流域系統(tǒng)平臺，將太湖流域數(shù)字化，將水動力水質(zhì)數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測流域河網(wǎng)水量水質(zhì)的動態(tài)變化，研究改善流域水量和水質(zhì)的工程調(diào)度方案，制定水污染總量控制規(guī)劃和水資源綜合規(guī)劃等可操作性水污染治理方案，幫助決策者選擇最優(yōu)的污染源控制及其水環(huán)境治理方案[3-5]。

河海大學(xué)王船海教授開發(fā)了太湖數(shù)字流域系統(tǒng)并進(jìn)行了水量模型的率定和驗證；南京水利科學(xué)院水文水資源研究所開發(fā)研制了該系統(tǒng)的降雨徑流模型；河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所建立了污染負(fù)荷模型、湖區(qū)水質(zhì)模型以及河網(wǎng)水質(zhì)模型并進(jìn)行了水質(zhì)模型的率定和驗證[6-7]。系統(tǒng)中水量和水質(zhì)模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進(jìn)行數(shù)值離散。陽澄湖地區(qū)為河網(wǎng)地區(qū)，因此采用一維河網(wǎng)模型。

1.2 一維河網(wǎng)模型

1.2.1水量模型。太湖數(shù)字流域系統(tǒng)中一維河網(wǎng)水量模型的基本方程包括河道連續(xù)方程、動力方程及節(jié)點方程。

連續(xù)方程：

(1)

動力方程：

(2)

節(jié)點方程：

(3)

式中，Q，Z為流量及水位；B，BT為主河道水面寬及包括僅起調(diào)蓄作用附加寬度的水面寬；A，R，U，n為過水面積、水力半徑、流速及糙率；qL為單位河長的旁側(cè)入流量；Qi,j，Zi,j為匯集于同一節(jié)點j的各河道斷面流量及水位；Ω為節(jié)點的水面面積；j為節(jié)點編號；i為與節(jié)點j相連接的河道編號；N為與河道交叉點相連接的河道數(shù)。

1.2.2水質(zhì)模型。河網(wǎng)水質(zhì)模型主要用于研究平原河網(wǎng)污染物的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，水質(zhì)模型的基本方程如下。擴散方程：

(4)

節(jié)點支點平衡方程：

(5)

式中,C為水質(zhì)濃度值；Qp為污染源的排放速率；Ex為縱向分散系數(shù)；K為污染物降解系數(shù)；其他符號同上。

1.3 河流湖泊的概化由于計算工作量及資料等方面的限制，太湖數(shù)字流域系統(tǒng)中計算時所采用的河流、湖泊不可能與真實的完全一致，必須進(jìn)行概化。概化的原則：主要的骨干河道必須作為單獨的概化河道；次要河道按照等效原理進(jìn)行合并；概化河道系統(tǒng)必須能模擬全流域的輸水能力；概化河道、湖泊系統(tǒng)必須能模擬全流域的蓄水能力；陸域?qū)挾戎械乃媛适悄M湖泊的調(diào)蓄作用；較大的湖泊(即太湖)用網(wǎng)格概化，概化后的湖泊可作二維或三維流場計算；中等大小的湖泊概化為零維調(diào)蓄節(jié)點；小的湖泊和塘壩作為面上調(diào)蓄水面處理，即零維非調(diào)蓄節(jié)點。按上述原則進(jìn)行概化，太湖數(shù)字流域系統(tǒng)中概化河道為1 329條，斷面數(shù)為3 838個，節(jié)點中調(diào)蓄節(jié)點為60個，無調(diào)蓄節(jié)點為899個，控制建筑物為118個，流量邊界為24個，水位邊界為70個。太湖數(shù)字流域系統(tǒng)中太湖流域平原河網(wǎng)、湖泊概化見圖1，陽澄湖地區(qū)河網(wǎng)、湖泊概化見圖2。

2 模型的率定

2.1 計算條件

2.1.1計算年型的確定。經(jīng)對太湖地區(qū)各年水文變量結(jié)果綜合分析比選可知，2000年基礎(chǔ)資料條件較好，且2000年流域降水頻率為63.8%，屬平偏枯年份，具有一定的代表性，故河網(wǎng)模型選取2000年作為計算年。

2.1.2水文設(shè)計條件。初始水位采用計算起始時刻控制斷面的實測水位，同時設(shè)定陽澄湖保護(hù)區(qū)上游控制區(qū)望虞河沿線東岸閘門為關(guān)閉狀態(tài)，其余閘門為開啟狀態(tài)。

2.1.3水質(zhì)設(shè)計條件。采用太湖流域2000年控制斷面的水文水質(zhì)情況及區(qū)域污染源資料為邊界條件。因為模型采用的是2000年的污染源，因此根據(jù)現(xiàn)有的污染源調(diào)查分布密度，補充了原有污染源。

2.2 率定方法和結(jié)果太湖數(shù)字流域系統(tǒng)包含眾多的參數(shù)，這些參數(shù)描述了流域水體的理化和生物過程，參數(shù)的正確與否將關(guān)系到模型模擬水質(zhì)在水體中的演化特征好壞。該研究根據(jù)實測資料對陽澄湖地區(qū)河網(wǎng)主要參數(shù)河道糙率和降解系數(shù)進(jìn)行率定。采用建立的陽澄湖地區(qū)一維河網(wǎng)模型，對陽澄湖地區(qū)河道進(jìn)行水位、水質(zhì)模擬計算。選取研究范圍內(nèi)38個監(jiān)測斷面的水文水質(zhì)實測資料進(jìn)行率定，得到陽澄湖地區(qū)河道的參數(shù)范圍：河道糙率0.020～0.025，CODCr降解系數(shù)0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數(shù)0.07～0.25 d-1，TP綜合沉降系數(shù)0.05～0.10 d-1。模型模擬結(jié)果經(jīng)實測資料檢驗，水位相對誤差均<10%，各代表斷面水位實測點緊靠計算過程線，吻合程度較高，擬合情況較為滿意；水質(zhì)指標(biāo)CODCr、NH3-N和TP濃度相對誤差均<20%，計算過程線總體趨勢與實測值基本吻合，擬合情況較為滿意。

3 應(yīng)用

太湖數(shù)字流域系統(tǒng)可以描述和估算由工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染、生活污染以及畜禽養(yǎng)殖等不同污染源產(chǎn)生的污染量，經(jīng)過自然削減和人為整治后進(jìn)入概化河網(wǎng)的污染物質(zhì)數(shù)量。陽澄湖地區(qū)保護(hù)區(qū)范圍為西至元和塘，東至張家港，南到婁江的水域及其所圍繞的三角地區(qū)內(nèi)，設(shè)計該區(qū)域污染物按40%削減率進(jìn)行削減。應(yīng)用構(gòu)建好的模型計算陽澄湖地區(qū)主要交界河道元和塘、張家港和婁江的監(jiān)測斷面的水質(zhì)濃度，并根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行評價。污染物削減實施前CODCr達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的斷面占55.6%，實施后達(dá)到100.0%；污染物削減實施前NH3-N達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的斷面占33.3%，實施后達(dá)到66.7%；污染物削減實施前TP達(dá)到Ⅲ類水的斷面占66.7%，實施后仍為66.7%，但水質(zhì)濃度有所改善。由計算結(jié)果可見，CODCr、TN和TP水質(zhì)有明顯提高，污染物的削減對陽澄湖地區(qū)水功能有明顯改善，基本能達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水環(huán)境有所改善(表1)。

表1 污染物削減后代表斷面水質(zhì)計算結(jié)果和評價 mg/L

4 結(jié)語

筆者基于太湖數(shù)字流域系統(tǒng)，根據(jù)陽澄湖地區(qū)的實際情況，建立了陽澄湖地區(qū)一維河網(wǎng)模型，并通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的率定，得到河道的參數(shù)：糙率0.020～0.025，CODCr降解系數(shù)0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數(shù)0.07～0.29 d-1，TP綜合沉降系數(shù)0.05～0.10 d-1，率定結(jié)果較好。應(yīng)用河網(wǎng)模型計算陽澄湖地區(qū)污染物削減前后主要交界河道監(jiān)測斷面的CODCr、NH3-N及TP的水質(zhì)變化情況并進(jìn)行了評價，河道水質(zhì)基本能達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水環(huán)境有所改善。結(jié)果顯示，太湖數(shù)字流域系統(tǒng)可以定量地進(jìn)行陽澄湖水環(huán)境質(zhì)量的模擬和預(yù)測。而如何應(yīng)用太湖數(shù)字流域系統(tǒng)制定水污染總量控制方案以及實施水環(huán)境目標(biāo)管理等將在今后作進(jìn)一步研究。

[1] 傅國偉，程聲通.水污染控制規(guī)劃[M].北京：清華大學(xué)出版社，1985:1-20.

[2] 謝永明.環(huán)境水質(zhì)模型概論[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1996:25-36.

[3] 姚琪，吳浩云，王鵬.太湖流域河網(wǎng)水體污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[R].河海大學(xué)，水利部太湖流域管理局，2006:1-10.

[4] 徐愛蘭，姚琪，王鵬.太湖流域水資源綜合規(guī)劃數(shù)模研究——水質(zhì)模型的建立與率定[J].四川環(huán)境，2006，25(13):67-72.

[5] 徐愛蘭，姚琪，王鵬，等.基于太湖數(shù)字流域系統(tǒng)的水質(zhì)模型參數(shù)靈敏度分析[J].水利科技與經(jīng)濟，2007，13(1)：17-19.

[6] 丁訓(xùn)靜，姚琪，阮曉紅.太湖流域污染負(fù)荷模型研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(2):189-192.

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Research and Application of Digital Valley System of Taihu Basin in Yangcheng Area

WANG Wei-pan1, WANG Sheng-yan2*

(1. Taizhou Yinjiang Canal Administration of Jiangsu Province, Taizhou, Jiangsu 225321; 2. Taizhou Branch of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Taizhou, Jiangsu 225300)

The paper establishes one-dimension water-quantity and water-quality mathematical model for the water network of Yangcheng area, based on digital valley system of Taihu Basin. Observed water level and water quality dates of 38 representatives have been employed for the determination and verification of various parameters used in the model. The channel roughness is 0.020-0.025.The degradation factors of CODCr, NH3-N and TP are 0.1-0.3, 0.07-0.29, 0.05-0.10 d-1. The model simulation results present well.Calculation of pollutants concentration of water quality before and after the reduction using river network model shows that the digital valley system of Taihu Basin provides scientific evidence of modeling and prediction of water aulity of Yangcheng area.

Digital valley system of Taihu Basin; Yangcheng area; River network model; Calibration

王為攀(1987-),男,江蘇徐州人,助理工程師，從事水利工程管理方面的研究。*通訊作者,工程師,碩士，從事水環(huán)境數(shù)值模擬方面的研究。

2014-12-03

S 181.3;TV 142

A

0517-6611(2015)02-240-03