基于水動(dòng)力-水質(zhì)同步原型觀測的城市生態(tài)補(bǔ)水方案研究*

張小穩(wěn)1 劉國慶 范子武

(1.無錫市防汛防旱指揮部辦公室，江蘇 無錫 214032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

隨著太湖水環(huán)境綜合治理的大力推進(jìn)，無錫市政府近年來持續(xù)開展水環(huán)境治理工作，通過節(jié)水減排、控源截污、廢污水收集處理、調(diào)水引流以及黑臭河道治理等一系列工程和管理手段的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了全過程污染防控，水環(huán)境質(zhì)量明顯改善[1-2]。但是從現(xiàn)狀水環(huán)境來看，主城區(qū)河道由于多年來受工業(yè)、生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染的影響，市區(qū)70%以上的河道水質(zhì)劣于Ⅴ類，仍然是典型的水質(zhì)型缺水城市，水環(huán)境改善已成為無錫市提高城市品位、滿足人民群眾對(duì)美好生活的需求的關(guān)鍵瓶頸[3]。

1 研究區(qū)概況

無錫市城市防洪大包圍位于運(yùn)河以東的中心城區(qū)，其范圍西至錫澄運(yùn)河，南沿京杭運(yùn)河，東以白屈港控制線為界，北至錫北運(yùn)河，面積約136km2[4]。2003年無錫市開始實(shí)施城市防洪工程建設(shè)，2008年底建成，包括仙蠡橋樞紐、江尖樞紐、伯瀆港樞紐、九里河樞紐、利民橋樞紐、北興塘樞紐、嚴(yán)埭港樞紐、寺頭港節(jié)制閘8個(gè)水利樞紐、32km堤防以及11座小口門建筑物。

大包圍水系以東西方向河道為主，包括北興塘、九里河、伯瀆港等；南北方向河道主要有白屈港、桐橋港、東亭港-江溪港-旺莊港等，水域面積比例為9.1%。該區(qū)域?qū)儆诟叱擎?zhèn)化平原河網(wǎng)地區(qū)，人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、污染負(fù)荷重，河道流速平緩、自凈能力差，多年來區(qū)域水環(huán)境較差。主干河道中伯瀆港、桐橋港、東亭港-江溪港-旺莊港等水質(zhì)為劣Ⅴ類，北興塘、九里河、白屈港等水質(zhì)在Ⅴ類左右。為提升區(qū)域河道水動(dòng)力條件，增強(qiáng)水體自凈能力，改善河網(wǎng)水質(zhì)，本研究構(gòu)建基于一維水動(dòng)力精細(xì)化河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型開展研究，結(jié)合原型觀測，制定主城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水方案，實(shí)施后取得了良好成效。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建原理

InfoWorks ICM的水力計(jì)算采用完全求解的圣維南方程模擬明渠流，對(duì)于超負(fù)荷的模擬采用Preissmann Slot方法，能夠仿真各種復(fù)雜的水力狀況。各水力設(shè)施真實(shí)反映水泵、孔口、涵洞、閘門、調(diào)蓄池等構(gòu)筑物的水力狀況。河網(wǎng)水體流動(dòng)具有明顯一維特征，采用1D河網(wǎng)模型，求解應(yīng)用St.Vennant方程組描述[5-6]。

連續(xù)方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

2.2 模型構(gòu)建過程

2.2.1 斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入

河道斷面是一維河網(wǎng)模型計(jì)算的基本要素，無錫大包圍模型中河道斷面創(chuàng)建有兩種方式：針對(duì)實(shí)測斷面數(shù)據(jù)，首先將斷面數(shù)據(jù)整理成ICM軟件需要的標(biāo)準(zhǔn)格式，從軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心，將河道ID及河道斷面數(shù)據(jù)表導(dǎo)入模型，并對(duì)其進(jìn)行檢查和修正，使其垂直于河道中心線。在模型構(gòu)建過程中，對(duì)于河網(wǎng)交叉河道連接點(diǎn)，泵站、水閘連接點(diǎn)需要線性內(nèi)插斷面。

2.2.2 斷面創(chuàng)建與河道連接

河道斷面導(dǎo)入模型后，新建break點(diǎn)，對(duì)照編制區(qū)域的影像或水系底圖，建立河道中心線，并以線創(chuàng)建斷面，河道斷面創(chuàng)建完成后，根據(jù)區(qū)域水系特點(diǎn)及水流方向，完成河網(wǎng)連接。

2.2.3 創(chuàng)建水利工程及調(diào)度規(guī)則

模型構(gòu)建中水工建筑物主要包括閘門、泵站和涵洞等，這些水工建筑物創(chuàng)建于斷面之間，其中，閘門、泵站、涵洞都是以線型對(duì)象概化。對(duì)象創(chuàng)建之后，對(duì)建筑物進(jìn)行參數(shù)賦值，包括閘門、涵洞的尺寸參數(shù)及過流計(jì)算參數(shù)，泵站的數(shù)量、水泵流量揚(yáng)程曲線等，圖1(c)中黑色矩形為水閘，藍(lán)色三角形為泵站。模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，對(duì)模型中構(gòu)建的水利工程，包括閘門、泵站以及涵洞的調(diào)度邏輯進(jìn)行編寫。無錫運(yùn)東大包圍模型構(gòu)建過程見圖1。

圖1 河網(wǎng)模型構(gòu)建過程

2.3 模型率定驗(yàn)證

2.3.1 模型參數(shù)選取

a.空間步長:無錫大包圍一維模型根據(jù)斷面資料采用不等間距的節(jié)點(diǎn)布置，實(shí)測河道斷面間距約為100m，模型計(jì)算步長為100m。

b.時(shí)間步長:為滿足模型計(jì)算穩(wěn)定性和精度的要求，通過模型計(jì)算調(diào)試，時(shí)間步長采用60s。

c.河道糙率:河道糙率取值主要參考《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》(2006年)、《無錫市城市防洪規(guī)劃》(2015年)、《無錫市排水(雨水)專項(xiàng)規(guī)劃(2012—2020)》(2014年)、《無錫市城市防洪規(guī)劃》《無錫市城市排水與防澇綜合規(guī)劃》以及《無錫市梁溪區(qū)水系規(guī)劃(2017—2030)》(2018年)等相關(guān)文獻(xiàn)中有關(guān)人工渠道以及本區(qū)域河道的經(jīng)驗(yàn)值，初步取值范圍為0.02～0.04。

2.3.2 模型率定驗(yàn)證方法

模型的率定驗(yàn)證主要用于調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)以提高模擬結(jié)果的精確度。一維模型中的主要影響因子包括空間步長、時(shí)間步長以及河道糙率等[7-9]。利用2018年5月9日8∶00至5月10日8∶00的時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，采用Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE和確定性系數(shù)R2對(duì)模型有效性進(jìn)行評(píng)定：

(3)

(4)

2.3.3 模型率定驗(yàn)證

本次模型率定驗(yàn)證采用的內(nèi)部監(jiān)測斷面分布均勻，能夠充分反映區(qū)域范圍內(nèi)河網(wǎng)水動(dòng)力變化過程。其中，模型率定選取的區(qū)域內(nèi)部站點(diǎn)為東亭港、轉(zhuǎn)水河、跨塘橋、環(huán)城河。模型率定結(jié)果表明，選取的4個(gè)率定站點(diǎn)其計(jì)算水位序列和實(shí)測水位序列最大絕對(duì)水位誤差均小于4cm，見圖2，NSE系數(shù)均大于0，表明模式質(zhì)量好或者模擬結(jié)果接近觀測值的平均值水平，相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果表明相關(guān)性中等偏上，即模型結(jié)果總體可信，見表1。

圖2 水位數(shù)據(jù)率定結(jié)果

表1 率定驗(yàn)證結(jié)果分析

3 生態(tài)補(bǔ)水方案

3.1 水源選擇

大包圍外圍水源主要有白屈港、大運(yùn)河、梁溪河、錫澄運(yùn)河及望虞河等。其中大運(yùn)河、錫澄運(yùn)河來水水質(zhì)較差不適宜作為引水水源；梁溪河來水水質(zhì)較好但夏季受太湖藍(lán)藻影響，僅冬季可以使用；望虞河來水水質(zhì)較好但流量較小；白屈港來水水質(zhì)較好且流量充足。由于本次補(bǔ)水方案驗(yàn)證在冬季進(jìn)行，因此選取梁溪河、白屈港作為水源。

3.2 方案制定

根據(jù)選取的水源，利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水方案計(jì)算。計(jì)算結(jié)果綜合考慮大包圍內(nèi)水體的流動(dòng)性，水質(zhì)改善效果及工程調(diào)度的可實(shí)施性，制定了大包圍內(nèi)8大樞紐調(diào)度方案。其中江尖樞紐、北興塘樞紐、九里河樞紐、寺頭港節(jié)制閘關(guān)閉，嚴(yán)埭港樞紐開閘引水，仙蠡橋樞紐地涵打開引梁溪河水進(jìn)城，伯瀆港樞紐、利民橋樞紐各開機(jī)一臺(tái)排水，補(bǔ)水路線見圖3。

3.3 水動(dòng)力-水質(zhì)同步原型觀測

3.3.1 水質(zhì)取樣點(diǎn)選取

針對(duì)大包圍河網(wǎng)特點(diǎn)和本次現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)的目標(biāo)，在引水主通道及支流河道的分流處布置了6個(gè)水質(zhì)觀測與取樣斷面，見圖4。其中，嚴(yán)埭港樞紐圩內(nèi)引水口、仙蠡橋樞紐引水口為主要的入流水質(zhì)邊界，可代表水源的水質(zhì)變化過程；河網(wǎng)內(nèi)部重點(diǎn)關(guān)注東亭港、跨塘橋以及出水口利民橋閘內(nèi)、伯瀆港閘內(nèi)水質(zhì)，分別在對(duì)應(yīng)的入流斷面和出流斷面布設(shè)監(jiān)測取樣點(diǎn)，獲得對(duì)應(yīng)斷面處各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化過程，為評(píng)估調(diào)水效果以及調(diào)水過程中水質(zhì)的改善規(guī)律提供完整的數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測指標(biāo)主要包括pH值、溫度、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等。

圖3 補(bǔ)水路線圖

圖4 水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)圖

3.3.2 水質(zhì)結(jié)果分析

水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2、表3，嚴(yán)埭港進(jìn)水口水質(zhì)穩(wěn)定，在Ⅳ類左右；仙蠡橋進(jìn)水口水質(zhì)在Ⅲ類左右；跨塘橋、利民橋出口水補(bǔ)水前水質(zhì)是劣Ⅴ類，補(bǔ)水后水質(zhì)提升至Ⅲ類；錫興路(東亭港)、伯瀆港出口水質(zhì)雖未有級(jí)別上的提升，但各指標(biāo)濃度均有所降低。

表2 生態(tài)補(bǔ)水前取樣點(diǎn)基底水質(zhì)

表3 生態(tài)補(bǔ)水后取樣點(diǎn)水質(zhì)

4 結(jié) 論

通過前期的資料收集、現(xiàn)場踏勘、模型構(gòu)建、方案制定及現(xiàn)場驗(yàn)證，利用大包圍樞紐工程，連續(xù)調(diào)水引流入城，大包圍內(nèi)骨干河網(wǎng)水質(zhì)顯著提升，調(diào)水過程中不同點(diǎn)位水質(zhì)改善效果存在一定的差異。從本次試驗(yàn)條件的結(jié)果來看，跨塘橋、利民橋出口改善效果最好，補(bǔ)水試驗(yàn)結(jié)束后水質(zhì)由劣Ⅴ類提升至Ⅲ類，錫興路(東亭港)、伯瀆港樞紐出口水質(zhì)雖然沒有級(jí)別上的提升，但各項(xiàng)指標(biāo)濃度均有所改善。生態(tài)補(bǔ)水試驗(yàn)結(jié)束后片區(qū)內(nèi)水質(zhì)出現(xiàn)反彈，表明大包圍內(nèi)控源截污還存在缺陷，需進(jìn)一步完善。