水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的流域水系連通方案

田傳沖,陳　星,湛忠宇,盧婉瑩

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098)

水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的流域水系連通方案

田傳沖,陳星,湛忠宇,盧婉瑩

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：以臨海市大田港流域?yàn)槔?統(tǒng)籌水量水質(zhì)綜合效益,根據(jù)流域地形、各子流域特性、土地利用類(lèi)型及人口分布等關(guān)鍵因素,利用ArcGIS分析計(jì)算流域暴雨水及水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn),再通過(guò)徑流分析梳理水系廊道,擬定水系連通方案,最后利用MIKE11構(gòu)建降雨徑流-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,確定基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的最優(yōu)連通方案,進(jìn)而構(gòu)造雨洪安全及水質(zhì)安全格局。結(jié)果表明:構(gòu)建的一維耦合模型在大田港流域有較好的適用性;最優(yōu)連通方案不僅使流域滿(mǎn)足行洪排澇標(biāo)準(zhǔn),而且也使斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率超過(guò)90%。

關(guān)鍵詞：水量;水質(zhì);水系連通;耦合模型;大田港流域

河湖水系是水資源的載體,也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,河湖水系及其連通狀況直接影響水資源的格局、水資源承載能力、水資源的可持續(xù)利用、水旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)狀況及生態(tài)環(huán)境等[1]。水系連通是國(guó)家新時(shí)期保障水安全的治水方略,通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化河湖水系格局,可以改善水資源時(shí)空分布不均狀況,提高水資源分布格局與經(jīng)濟(jì)社會(huì)格局的協(xié)調(diào)性[2]。隨著生活水平的提高,特別是在浙江省提出“五水共治”之后,臨海市對(duì)水環(huán)境的要求也越來(lái)越高,傳統(tǒng)的主要考慮水量、以行洪排澇為目的水系連通方案已然不能滿(mǎn)足實(shí)際需求,水系連通必須要在“推進(jìn)五水共治、突出治污治澇”的大背景下,同時(shí)構(gòu)造雨洪安全格局和水質(zhì)安全格局。筆者以臨海市大田港流域?yàn)槔?統(tǒng)籌水量水質(zhì)的綜合效益,根據(jù)流域地形、各子流域特性、土地利用類(lèi)型及人口分布等關(guān)鍵因素,基于ArcGIS分析,計(jì)算分析流域暴雨水及水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn),并以此為突破口,利用MIKE11構(gòu)建降雨徑流-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,進(jìn)而確定基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的流域水系最優(yōu)連通方案,為水系連通的研究提供新思路。

1研究區(qū)概況

大田港流域位于臨海市中北部,流域面積約570 km2,平均坡度為13.3°,主要包括白石溪、兩頭門(mén)溪、后湖溪、瑯坑溪、康谷溪、小芝溪、嚴(yán)坑溪等水系。利用ArcGIS中的水文分析工具,將研究區(qū)劃分7個(gè)子流域(圖1),各子流域?qū)傩越y(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。大田港流域三面環(huán)山,地勢(shì)中部低四周高,呈“鍋底”形狀;流域上游河短坡陡,集流快、洪水猛,下游地勢(shì)低,牛頭山水庫(kù)雖然可以調(diào)控部分子流域來(lái)水,但由于集雨面積較大且只有大田港閘一個(gè)排水通道,又受靈江潮水頂托,故易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

臨海市主城區(qū)主要集中在大田港流域,人口密度大,點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染比較嚴(yán)重,考核斷面基本全部為劣Ⅴ類(lèi)斷面,流域面臨的水環(huán)境問(wèn)題較為嚴(yán)峻。

注：①～⑦為子流域編號(hào)圖1　大田港流域水系地形及子流域劃分

子流域編號(hào)水系名稱(chēng)水系長(zhǎng)度/m子流域面積/km2子流域平均坡度/(°)有無(wú)調(diào)控工程①白石溪885034.0718.58無(wú)②兩頭門(mén)溪1478052.4722.18無(wú)③后湖溪735030.6417.28無(wú)④瑯坑溪1246057.3117.92無(wú)⑤康谷溪976037.0520.29有⑥小芝溪1512064.1018.19有⑦巖坑溪198013.3626.94有

2研究方法與應(yīng)用

2.1暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)

暴雨水控制點(diǎn)主要包括兩部分:①指同級(jí)徑流交匯點(diǎn);②河道地勢(shì)低洼點(diǎn),即易發(fā)生洪澇災(zāi)害點(diǎn)。暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)是在已確定的暴雨水控制點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步篩選的,其確定原則為:上游集水區(qū)面積相對(duì)較大且無(wú)控制工程,上下游坡度驟減處(多位于山地、平原交會(huì)處)。

研究區(qū)暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)屬性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2,暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

表2　暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)屬性統(tǒng)計(jì)

注：①～⑤為暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)圖2　暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)分布

2.2水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)

水質(zhì)改善需要在確定研究區(qū)水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)污染源控制管理,同時(shí)考慮水系連通工程,增加補(bǔ)水水源。水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)確定原則為:附近有較多點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染的水系河道,人口密度或農(nóng)田所占比例較大的流域出水口,同級(jí)徑流交匯點(diǎn)。

研究區(qū)水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)屬性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3,土地利用現(xiàn)狀及水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)分布見(jiàn)圖3。

表3　水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)屬性統(tǒng)計(jì)

注：①～⑥為水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)圖3　土地利用現(xiàn)狀及水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)分布

2.3擬定水系連通方案

在研究區(qū)暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)及水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)分析確定的基礎(chǔ)上,根據(jù)徑流途徑,梳理并新增水系串聯(lián)廊道,首先滿(mǎn)足行洪排澇達(dá)標(biāo)(20年一遇),同時(shí)考慮斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)(平水年,水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類(lèi)及以上)。先根據(jù)暴雨水關(guān)鍵點(diǎn)確定行洪排澇水系連通方案,在此基礎(chǔ)上,再根據(jù)水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)確定水質(zhì)改善連通方案,考慮到水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)主要集中在主城區(qū),為減輕上游洪水對(duì)主城區(qū)的威脅,水質(zhì)改善連通方案要有節(jié)制閘控制。水系連通具體擬訂方案見(jiàn)表4,水系連通布局見(jiàn)圖4。

表4　擬訂方案統(tǒng)計(jì)

注：A1—A3；B1—B2為方案編號(hào)圖4　水系連通方案布局

2.4模型計(jì)算

2.4.1模型介紹

MIKE11是丹麥水利科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的一維水量水質(zhì)模型,具有人機(jī)界面友好、可視化程度高等特點(diǎn),在很多地區(qū)都已得到廣泛應(yīng)用[3-8],本文主要應(yīng)用其降雨徑流、水動(dòng)力及對(duì)流擴(kuò)散模塊構(gòu)建耦合模型,進(jìn)行模擬計(jì)算。

a. 降雨徑流模塊。降雨徑流(NAM)模塊是一個(gè)由一系列以簡(jiǎn)單定量關(guān)系描述的水文循環(huán)中各種陸相特征連接起來(lái)的集總參數(shù)的概念性水文模型,模擬自然流域的降雨徑流過(guò)程。模塊分4層蓄水體進(jìn)行流域產(chǎn)匯流模擬計(jì)算,分別為融雪蓄水層、地表蓄水層、淺層蓄水層及地下蓄水層。

b. 水動(dòng)力模塊。水動(dòng)力模塊(HD)是MIKE11系統(tǒng)的核心程序,基本方程為圣維南方程組,其微分形式為

(1)

式中:Q為流量;x為沿水流方向空間坐標(biāo);Bw為調(diào)蓄寬度,指包括灘地在內(nèi)的全部河寬;Z為水位;t為時(shí)間坐標(biāo);q為旁側(cè)入流流量,入流為正,出流為負(fù);u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

c. 對(duì)流擴(kuò)散模塊。對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)以對(duì)流—擴(kuò)散方程為基礎(chǔ),該方程同時(shí)考慮水環(huán)境中污染物的對(duì)流擴(kuò)散及污染物線(xiàn)性消解過(guò)程,其微分形式為

(2)

式中:Ex為縱向分散系數(shù);C為水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω為河道叉點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);I為與節(jié)點(diǎn)j相連接的河道編號(hào);Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng),可寫(xiě)為Sc=KdAC,Kd為衰減因子;S為外部的源或匯項(xiàng)。

2.4.2模型建立與率定驗(yàn)證

a. 河網(wǎng)概化。規(guī)劃區(qū)內(nèi)河道多而復(fù)雜,大部分都屬天然河道。概化時(shí)將主要的輸水河道納入計(jì)算范圍,將次要的河道和水體根據(jù)等效原理,歸并為單一河道和節(jié)點(diǎn),使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。對(duì)于規(guī)劃區(qū)內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等,其調(diào)蓄作用不可忽視,采用調(diào)蓄不變?cè)瓌t模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用,使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。牛頭山水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇,故對(duì)其上游河道不進(jìn)行概化,只按照牛頭山水庫(kù)出流增加流量邊界。研究區(qū)河網(wǎng)概化見(jiàn)圖5。

圖5　大田港流域河網(wǎng)概化

b. 污染源概化。污染源主要分為點(diǎn)源和非點(diǎn)源,其中點(diǎn)源包括排入污水廠的城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)企業(yè)源,非點(diǎn)源包括未接入城市污水管網(wǎng)的城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源、農(nóng)田面源和畜禽源。點(diǎn)源根據(jù)排污口的位置直接加入到概化的河網(wǎng)中;非點(diǎn)源根據(jù)流入的河道分布概化到一定長(zhǎng)度的河道中,按完全混合模型進(jìn)行計(jì)算。

c. 模型率定與驗(yàn)證。根據(jù)研究區(qū)子流域劃分及土地利用現(xiàn)狀構(gòu)建NAM模塊,NAM和HD模塊率定的數(shù)據(jù)采用2005年14號(hào)和2007年17號(hào)臺(tái)風(fēng)洪水的降雨徑流序列,驗(yàn)證的數(shù)據(jù)采用2003年16號(hào)臺(tái)風(fēng)洪水的降雨徑流序列。在NAM和HD模塊率定驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,采用2013年臨海市江北城區(qū)3次調(diào)水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)AD模塊進(jìn)行率定與驗(yàn)證。

2.4.3設(shè)計(jì)暴雨及模擬方案對(duì)比

a. 設(shè)計(jì)暴雨。大田港流域洪水主要由臺(tái)風(fēng)暴雨形成,本文在臨海市臺(tái)風(fēng)暴雨資料的基礎(chǔ)上,進(jìn)行設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表5。設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配采用暴雨衰減指數(shù)法,采用的計(jì)算公式為《浙江省短歷時(shí)暴雨》中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式:

(3)

式中:Hi為i時(shí)段的累計(jì)雨量,H1、H6、H24和H72分別為降雨1 h、6 h、24 h和72 h雨量;n1,6、n6,24、n24,72分別為1～6 h時(shí)段、6～24 h時(shí)段、24～72 h時(shí)段的暴雨衰減系數(shù)。

表5　大田港流域設(shè)計(jì)暴雨成果

b. 方案對(duì)比分析。在20年一遇設(shè)計(jì)暴雨情況下,將A1、A2、A3方案分別帶入NAM+HD模塊,進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,只有A3方案滿(mǎn)足實(shí)際要求,故選取A3方案。在平水年的情況下,將A3+B1和A3+B2方案分別帶入NAM+HD+AD模塊,進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬結(jié)果見(jiàn)表6,由結(jié)果可知A3+B1要優(yōu)于A3+B2方案,最終確定水系連通方案為A3+B1。

表6　方案模擬結(jié)果對(duì)比

3結(jié)論

a. 統(tǒng)籌考慮大田港流域地形、土地利用、人口及污染源分布等因素,利用ArcGIS水文分析模塊,分別對(duì)比行洪排澇及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),確定流域暴雨水及水質(zhì)關(guān)鍵點(diǎn);在此基礎(chǔ)上,以暴雨水、水質(zhì)管理關(guān)鍵點(diǎn)為突破口,擬定以行洪排澇和改善水環(huán)境為目的導(dǎo)向的水系連通方案。該方法統(tǒng)籌水量水質(zhì)的綜合效益,比傳統(tǒng)的以行洪排澇為目標(biāo)的水系連通方案,更加符合實(shí)際需求。

b. 基于ArcGIS劃分的子流域,根據(jù)土地利用類(lèi)型,利用MIKE11,建立大田港流域降雨徑流-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,模擬對(duì)比分析擬定的水系連通方案,進(jìn)而確定出最優(yōu)方案。結(jié)果表明:構(gòu)建的一維耦合模型在大田港流域有較好的適用性;最優(yōu)方案不僅使流域滿(mǎn)足行洪排澇標(biāo)準(zhǔn),而且也使斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率超過(guò)90%;驗(yàn)證了以暴雨水、水質(zhì)關(guān)鍵點(diǎn)為突破口建立基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的水系連通方案這一思路的可行性,為水系連通的研究提供了新方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李宗禮,郝秀平,王中根,等.河湖水系連通分類(lèi)體系探討[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(11):1975-1982.(LI Zongli,HAO Xiuping,WANG Zhonggen,et al.Exploration on classification of interconnected river system network[J].Journal of Natural Resourses,2011,26(11):1975-1982.(in Chinese))

[2] 李原園,酈建強(qiáng),李宗禮,等.河湖水系連通研究的若干問(wèn)題與挑戰(zhàn)[J].資源科學(xué),2011,33(3):386-391.(LI Yuanyuan,LI Jianqiang,LI Zongli,et al.Issues and challenges for the study of the interconnected river system network[J].Resourses Science,2011,33(3):386-391.(in Chinese))

[3] 楊洵,梁國(guó)華,周惠成.基于MIKE11的太子河觀-葠河段水文水動(dòng)力模型研究[J].水電能源科學(xué),2010,28(11):84-87.(YANG Xun,LIANG Guohua,ZHOU Huicheng.Study on hydrology and hydrodynamic model in Guanyinge-Shenwo Section of Taizihe River based on MIKE11[J].Water Resourses and Power,2010,28(11):84-87.(in Chinese))

[4] 梁靈君,楊忠山,劉超.基于MIKE 11的北京市典型區(qū)域降雨徑流特征研究[J].水文,2012，32(1):39-42.(LIANG Lingjun,YANG Zhongshan,LIU Chao.Rainfall runoff simulation of Beijing typical area based on MIKE11[J].Journal of China Hydrology,2012，32(1):39-42.(in Chinese))

[5] 朱茂森.基于MIKE11的遼河流域一維水質(zhì)模型[J].水資源保護(hù),2013,29(3):6-9.(ZHU Maosen.One-dimensional water quality model based on MIKE11 for Liaohe Basin[J].Water Resources Protection,2013,29(3):6-9.(in Chinese))

[6] 譚炳卿,姜廣斌,房新勤.分質(zhì)水量綜合評(píng)價(jià)方法的研究及應(yīng)用[J].水資源保護(hù),2005,21(4):47-51.(TAN Bingqing,JIANG Guangbin,FANG Xinqin.Study and application of integrated assessment method for water quantity with different qualities[J].Water Resources Protection,2005,21(4):47-51.(in Chinese))

[7] 黃琳煜,聶秋月,周全,等.基于MIKE11的白蓮涇區(qū)域水量水質(zhì)模型研究[J].水電能源科學(xué),2011,29(8):21-24.(HUANG Linyu,NIE Qiuyue,ZHOU Quan,et al.Study of water quantity and water quality model of Bailianjing Region based on MIKE11[J].Water Resourses and Power,2011,29(8):21-24.(in Chinese))

[8] 林波,劉琪璟,尚鶴,等.MIKE11/NAM模型在撓力河流域的應(yīng)用[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(5):99-108.(LIN Bo,LIU Qijing,SHANG He,et al.Application of coupled MIKE11/NAM model in Naoli River Basin[J].Journal of Beijing Forestry University,2014(5):99-108.(in Chinese))

Watershed system connectivity scheme based on water quantity and quality control system

TIAN Chuanchong, CHEN Xing, ZHAN Zhongyu, LU Wanying

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：A case study was conducted in the Datiangang Basin in Linhai City. The comprehensive benefits of water quantity and quality, and the key factors, including the basin’s terrain, the characteristics of sub-basins, the types of land use, and the population distribution were considered in the study. ArcGIS was used to analyze and calculate the key factors of rainstorm and water quality management in the basin, and the water system connectivity scheme was developed through runoff analysis in the Datiangang Basin of Linhai City. The MIKE11 model was used to build the runoff-hydrodynamic-water quality coupling model, and the optimal connectivity scheme based on the water quantity and quality control system was determined, in order to construct the rainstorm and flood safety and water quality safety pattern. The results show that the established one-dimensional coupled model has strong applicability in the Datiangang Basin, and the optimal scheme meets the requirements of flood drainage in the basin and enables the water quality compliance rate to exceed 90%.

Key words：water quantity; water quality; water system connectivity; coupled model; Datiangang Basin

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.007

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51579148)

作者簡(jiǎn)介:田傳沖(1989—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗念A(yù)報(bào)、水系規(guī)劃。E-mail:798924778@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0030-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)