基于同步原型觀測的水質改善效果敏感性分析與應用

劉國慶，范子武，王 波，柳 楊，王 蔚

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

我國長江下游太湖地區(qū)屬于典型的平原城市河網區(qū)，區(qū)域地勢平坦，河網管網交織，河網水體流動無序，甚至出現(xiàn)緩流滯留現(xiàn)象。另外，隨著高城鎮(zhèn)化率和城鎮(zhèn)化建設的高速推進，在弱水動力條件下，河網污染物遷移擴散緩慢，導致河道水環(huán)境問題日益嚴重，城市河網水環(huán)境承載能力不足已成為制約社會經濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。近年來，以蘇州古城區(qū)為代表的平原城市河網開展了系統(tǒng)的暢流活水綜合治理研究。統(tǒng)籌流域-區(qū)域-城市防洪排澇、水環(huán)境，兼顧航運、景觀等，利用外圍優(yōu)質水源，運用已有水利工程，以水系連通、動力調控為核心，通過控源截污、河道整治、強化凈化、生態(tài)修復、精細管理等綜合措施，科學調控河網水系，實現(xiàn)有序流動，從而改善城市水生態(tài)環(huán)境問題。目前，生態(tài)補水作為河網水環(huán)境提升綜合措施的重要環(huán)節(jié)在我國多有實踐，但水動力調控提升河網水質的機理尚不明確，從目前引水對河網水環(huán)境改善效果的分析來看，缺乏統(tǒng)一的評價指標體系，多數只列出了引水前后各水質因子的水質濃度和類別[1-2]，未能系統(tǒng)說明不同水質指標改善的敏感性或變化規(guī)律；梁媛等[3]采用模糊綜合評判法分析了太湖引水后黃浦江水質類別的變化規(guī)律；陳建標等[4]利用原型調水試驗數據建立了南通市河網水量水質模型，模擬評估了引江調水對河網COD和NH3-N的改善效果；陳振濤等[5]構建河網水質模型，采用水質改善率、類別變化指數和濃度變化指數探究了不同引水水量和水源水質對河網水質改善的影響；崔廣柏等[6]在河網水系結構與人工調度特點分析的基礎上，在常熟市城區(qū)開展了引水試驗，觀測結果支撐了河道水動力指標流量與水質指標COD，NH3-N數值模擬；賈海峰等[7]圍繞吳淞江右岸的甪直鎮(zhèn)河網的22個斷面進行了8次同步水文監(jiān)測，指出水動力條件與水質狀況存在較大的相關性，給出了以溶氧質量濃度上升為表征的水質改善。

從目前研究來看，大量水動力-水質同步原型觀測試驗數據主要用于支撐模型參數的率定驗證，或用于評價引水對水環(huán)境改善的最終效果[8-10]。生態(tài)補水對不同水質指標改善過程及其敏感性研究較少；另外，現(xiàn)有觀測指標的全面性、時間連續(xù)性還存在不足，缺少大范圍長系列連續(xù)觀測資料，難以有效開展引水水動力對不同水質指標影響過程的系統(tǒng)分析。由于城市河網汊口節(jié)點多，內外污染源復雜，工程調度人為干預強，若完全采用傳統(tǒng)水質模型通過調參或利用物理模型試驗來模擬水動力對水質指標變化過程影響，相似性和水質邊界存在很多不確定性，還難以揭示引水過程中水質指標隨時間的變化規(guī)律，長系列多指標的同步原型觀測是研究大范圍河網區(qū)生態(tài)補水優(yōu)化方案的重要手段。

本文以無錫運東大包圍河網水系為例，開展了連續(xù)6 d的多指標水動力-水質同步原型觀測，觀測期包括了引水前的背景期、引水過程中的調度期、引水結束后的恢復期3個階段,全面掌握了河網不同控制斷面水動力、水質指標的變化規(guī)律，分析了水動力過程對不同水質指標改善的敏感性和變化幅度。構建了區(qū)域精細化河網水動力模型，開展了不同情景方案的模擬分析，并應用于無錫運東大包圍生態(tài)補水方案的研究。

1 研究區(qū)域概況

無錫運東大包圍位于蘇南運河以東的中心城區(qū)，范圍西至錫澄運河，南沿蘇南杭運河，東以白屈港控制線為界，北至錫北運河，面積約136 km2。2003年無錫市開始實施城市防洪工程建設，2008年底建成，主要包括8大水利樞紐，32 km堤防以及11座小口門建筑物，可引太湖水或長江水進入城區(qū)，改善城區(qū)河網水環(huán)境。大包圍水系以樞紐工程連接的河道為骨干河網，形成內外兩級圩區(qū)的水系格局，水面率約為9.1%。該區(qū)域屬于高城鎮(zhèn)化平原河網區(qū)，具有水動力弱、人口密集、污染負荷重、調度復雜等特點。多年來區(qū)域水環(huán)境穩(wěn)定性差，伯瀆港、北興塘、九里河、古運河等骨干河道水質在Ⅴ類左右，桐橋港、旺莊港、塔影河等圩內河道水質為劣Ⅴ類，如何實現(xiàn)河網科學調控成為該區(qū)域水環(huán)境治理的迫切需求。

2 研究方法與河網模型

2.1 水動力-水質同步原型觀測

2.1.1原觀要素與檢測方法 河網水動力-水質同步原型觀測是城市河網水動力與水質指標響應關系研究的重要手段，觀測指標選擇是系統(tǒng)掌握河網水動力特性、水質變化規(guī)律的關鍵。參考地表水環(huán)境質量標準(GB 3939—2002)，考慮到相關指標選取的科學性、代表性，以及指標獲取的可操作性，本試驗監(jiān)測了主要水質指標和關鍵水動力要素。其中，水質指標的檢測方法均依據國家標準規(guī)定，水質監(jiān)測指標為：溶氧(DO)(哈希溶氧儀HQ40D)，濁度(哈希2100q便攜式濁度儀)，化學需氧量(COD)(GB/T 11914—1989)，氨氮(NH3-N)(HJ 535—2009)，總磷(TP)、總氮(TN)(GB/T 11893—1989)；水動力觀測要素為：河道水位(H)，流速(V)，流量(Q)，河道水位利用大包圍已有水文站、閘泵站監(jiān)測數據，另外，加密布設了河網內部水位監(jiān)測點，補充獲取實時水位信息，水準測量符合GB 12898—1991；汊道流量、流速采用聲學多普勒剖面流速儀(ADCP)現(xiàn)場巡測，特別在河網水動力調試穩(wěn)定后，開展關鍵斷面全局測量，獲得內部所有分汊河道的分流比。

2.1.2試驗方案與監(jiān)測點位 在前期大量現(xiàn)場踏勘、數學模型試算以及水環(huán)境問題診斷的基礎上，通過水源水質、水量、水勢分析與河網槽蓄量計算，綜合利用大包圍樞紐和二級圩工程，制定了現(xiàn)狀工程體系下的現(xiàn)場調水試驗方案。方案運行時段為2018年5月8—14日，其中，背景期為5月8日8:00至9日8:00，調度期為5月9日8:00至12日8:00，恢復期為5月12日8:00至14日8:00。調度期工程連續(xù)不間斷運行，試驗期間同步監(jiān)測水動力、水質變化。運東大包圍生態(tài)補水原型觀測方案見表1。

為系統(tǒng)掌握引水調度過程中，河網水動力、水質變化規(guī)律，對河網邊界及內部監(jiān)測點位進行了科學布控，測站位置見圖1，包括20個水位(CS-1～CS-20),15個流量(CS-1，CS-5，CS-8～CS-20)以及15個水質(CS-1，CS-5，CS-8～CS-20)觀測斷面。

表1 運東大包圍生態(tài)補水原型觀測方案

圖1 監(jiān)測站位分布

2.2 河網模型構建與率定驗證

2.2.1水動力模型構建 根據無錫運東大包圍內河流形態(tài)及其水流特性，建立了區(qū)域精細化河網模型，將河網概化成為若干河段，河段由汊點連接，運用經典水力學公式圣維南方程組和汊點連接方程，詳盡地描述了河道水體流向不定的特性。利用Preissmann四點隱式格式進行差分，并采用雙追趕法求解模型[11]。

無錫運東大包圍河網模型主要采用實測斷面進行構建，河網模型涉及河道209條，斷面1 534個，主干河道斷面間距100～200 m，支流間距50～100 m，模擬了河網內部36個二級圩，涉及95個泵站、103個閘門，工程調度規(guī)則按照實際調度邏輯控制，模型構建過程參考文獻[12]。

2.2.2模型參數設置與率定驗證 無錫運東大包圍一維模型根據斷面資料采用不等間距的節(jié)點布置，實測河道斷面間距為50～200 m，模型計算步長為50 m。為滿足模型計算穩(wěn)定性和精度的要求，通過模型計算調試，時間步長采用30 s。

河網糙率主要參考《水力計算手冊》、《無錫市城市防洪規(guī)劃》以及《無錫市梁溪區(qū)水系規(guī)劃(2017—2030)》等相關文獻中有關人工渠道和天然河道的經驗值，初步取值范圍為0.020～0.045。

利用2018年5月9—12日現(xiàn)場調水試驗觀測的水位與流量成果，對模型進行率定驗證，采用納什有效系數Ens和可決系數R2對模型有效性進行評定，Ens用于表示模擬結果與實測數據近似程度，R2用來表示兩個系列數據形狀的吻合程度。

模型經過率定，最終確定嚴埭港、北興塘、轉水河、古運河、九里河、伯瀆港等骨干河道糙率為0.022～0.025；環(huán)城河、桐橋港、旺莊港、冷瀆港以及東亭港等河道糙率為0.025～0.030，其他二級圩內河道糙率為0.030～0.045。各斷面水位最大誤差在3 cm以內，流量模擬相對誤差在10%以內，R2與Ens處于合理區(qū)間，模型滿足計算要求，相關結果見表2。

表2 模型率定驗證結果

3 水質改善效果敏感性與模擬分析

3.1 水動力要素變化過程分析

圖2 調水試驗期間上下游水位變化過程

本次原型觀測過程可以劃分為背景期、調水期和恢復期3個階段，如圖2所示。背景期，無工程調度情況下，水動力過程符合平原河網區(qū)特點，上游-嚴埭港與下游-利民橋水位差較小，保持在0～5 cm的自然狀態(tài)；調度期，隨著樞紐工程調度運行，大包圍內嚴埭港樞紐圩內水位逐漸上升后趨于穩(wěn)定，利民橋樞紐圩內水位逐漸下降后趨于穩(wěn)定，非穩(wěn)定期持續(xù)時間約8～10 h，最終河網上下游形成15～20 cm水頭差，沿程水位控制在3.3～3.5 m，河網水動力明顯增強；恢復期，工程停止運行后，河網上下游又恢復0～5 cm 水位差的弱動力狀態(tài)。

另外，調水試驗過程中，嚴埭港入流、利民橋出流穩(wěn)定時流量為18.0～20.0 m3/s；內部河網水位變幅10 cm 以內，外部樞紐工程圩內水位最大變幅不超過13 cm。嚴埭港瞬時入流19.5 m3/s，流速0.15～0.20 m/s，九里河分流約7.5 m3/s、埝埭港分流約3.0 m3/s，轉水河分流約9.0 m3/s；引水進主城約12.0 m3/s，古運河分流約8.5 m3/s，流速約0.08 m/s，跨塘橋流速約0.32 m/s；環(huán)城河分流約3.0 m3/s，流速約0.06 m/s，醬園浜流量較??；伯瀆港入流5.0 m3/s，流速約0.08 m/s；旺莊港入流約2.5 m3/s，流速約0.07 m/s。

從3個階段的水動力變化特征看，運行調度滿足原觀試驗方案設計的要求，并系統(tǒng)掌握了河網干支流水動力特性。

3.2 水質改善效果敏感性分析

從試驗結果來看，引水入城后，嚴埭港-北興塘-轉水河-環(huán)城河-古運河主通道沿線各項水質指標明顯改善，化學需氧量(COD)、總磷(TP)、溶解氧(DO)等水質指標改善效果提高了1個級別，達到了水質V類及以上標準，其他支流水質單指標濃度下降趨勢明顯，但受限于嚴埭港北部補水水源水質，氨氮(NH3-N)指標維持在劣V類和V類范圍波動，總氮(TN)單指標濃度雖有下降，但仍處于劣V類，試驗期間各斷面水質變化過程如圖3所示。

圖3 典型斷面不同水質指標隨時間變化過程

引水過程中不同水質指標在稀釋、對流、擴散物理與生化作用下，其水質指標改善敏感性存在一定的差異。結果表明，總氮(TN)敏感性最強，引水4 h后基本達到濃度穩(wěn)定下降狀態(tài)；氨氮(NH3-N)、總磷(TP)敏感性次之，引水8 h后進入穩(wěn)定改善期；溶氧(DO)引水24 h后進入穩(wěn)定改善期；化學需氧量(COD)敏感性相對較差，引水32 h后才能達到濃度穩(wěn)定下降狀態(tài)。上述水質指標濃度最大下降幅度不超過原背景水質指標的70%～80%，溶解氧(DO)濃度上升幅度較大，最大上升幅度超過了120%，最終改善幅度基本一致，某些斷面水質在長期流動狀態(tài)下可以達到甚至超過源水水質的現(xiàn)象，表明污染物遷移擴散同時，動力作用有助于提升水體的自凈能力。各水質指標變化情況如圖4所示。

圖4 典型斷面不同水質指標改善幅度

3.3 生態(tài)補水方案模擬分析

上述同步原型觀測結果表明，沿線主引水通道基本可行，一是水源水質相對穩(wěn)定，二是在嚴埭港北部高水位條件下開閘自引水量有保證，但是，當嚴埭港外圍水位低于3.6 m時，開閘自引，調水期間會造成城區(qū)內水位總體偏低，且水量難以滿足區(qū)域生態(tài)補水的要求。為此，針對運東大包圍外圍水勢情況，選擇青陽、無錫(大)作為典型代表站，分析了近4年的水位資料，非汛期青陽、無錫(大)平均水位3.5 m左右，低于3.6 m的時段占到了60%，表明外圍低水位情況存在且比例高，方案的優(yōu)化需要綜合考慮外圍高、低水位的情景。

基于無錫運東大包圍周邊水位年際變化規(guī)律與水源特征，利用構建的精細化河網數學模型，開展了高水位單通道自引泵排、低水位單通道泵引泵排、雙通道自引泵排3種類型4組運行方案數值模擬分析，表3給出了不同工況下生態(tài)補水方案。從引水流量(40～50 m3/s)、河網控制水位(3.70～3.40 m)、流速(0.05～0.10 m/s)以及水質改善時間(24 h)等閾值要求，完成了方案綜合評估。比選了不同生態(tài)補水方案的水動力與水質效果，優(yōu)化了無錫運東大包圍生態(tài)補水可行性方案。

表3 不同工況下生態(tài)補水方案

利用大包圍精細化河網模型，模擬了4種工況生態(tài)補水方案，結果表明：按照方案1運行，大包圍內河網水位可以有效控制在3.63～3.41 m，引流量為43.6 m3/s、水質改善時間約20 h，滿足主干河網沿線區(qū)域生態(tài)補水的閾值要求，因此，區(qū)域處于高水位時運行方案1是可行的。方案2～4屬于區(qū)域低水位運行推薦方案，從模擬結果分析來看，方案2內部河網水位雖然滿足需求，但引水流量偏低，水質改善所需時間略長，且嚴埭港泵站引水需進行樞紐改造，因此不推薦；方案3在引水流量、水質改善時間等方面與方案2相似，且內部控制水位偏低，因此不推薦；運行方案4可以滿足引水流量、河網控制水位、水質改善時間對閾值的要求，因此，區(qū)域處于低水位時運行方案4是可行的。不同生態(tài)補水方案模擬成果如圖5所示。

圖5 不同生態(tài)補水方案模擬成果

4 結 語

(1) 在控源截污、河道整治的基礎上，綜合運用運東大包圍樞紐與二級圩控制工程，可以有效調控運東大包圍內骨干河網以及二級圩的引水流量、干支流水量分配，重構南北水位差，形成河網有序流動格局。引水入城后，河網各項水質指標明顯改善，在主引水通道沿程水質改善方面，不同監(jiān)測斷面水質改善與水源水質存在明顯的關聯(lián)性，水質改善效果在調水初期與水源距離存在空間滯后性，最終改善效果基本一致，水質指標最大下降幅度不超過原背景水質指標的70%～80%，溶解氧(DO)數值上升幅度較大，最大上升幅度超過了120%。個別斷面水質在長期流動狀態(tài)下可以達到甚至超過源水水質的現(xiàn)象，表明污染物遷移擴散同時，水動力作用有助于提升水體的自凈能力。

(2) 引水過程中不同水質指標在稀釋、對流、擴散物理與生化作用下，其水質指標改善敏感性存在一定的差異。從本次試驗結果表明，總氮(TN)敏感性最強，引水4 h后基本達到穩(wěn)定下降狀態(tài)；氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、溶解氧(DO)敏感性次之，引水24 h后基本達到穩(wěn)定下降狀態(tài)；化學需氧量(COD)敏感性相對較差，引水32 h后基本達到穩(wěn)定下降狀態(tài)。

(3) 基于無錫運東大包圍外部水位年際變化規(guī)律與水源水質特征，利用構建的精細化河網數學模型，可以從工程調度方式、引水流量、河網控制水位、流速以及水質改善時間等要素方面完成了生態(tài)補水方案的綜合評估。平原河網區(qū)水源、水質復雜多變，河網模型是全局把控河網水動力、水質變化特性的重要工具。