無(wú)為縣環(huán)城河活水工程引水規(guī)模研究

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010)

0 引言

無(wú)為縣隸屬蕪湖市，地處皖中，南瀕長(zhǎng)江、北依巢湖，承東啟西?？h政府駐地?zé)o城鎮(zhèn)，為全縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，地理環(huán)境優(yōu)越、區(qū)位優(yōu)勢(shì)獨(dú)特[1]。城鎮(zhèn)老城區(qū)西部和北部古護(hù)城河與東部花渡河故道相通，組成現(xiàn)在的環(huán)城河。

歷史上，環(huán)城河從康乾年間一直到民國(guó)均與外圍花渡河和西河連通，老城區(qū)與外界通過(guò)吊橋或拱橋相通[2]。建國(guó)后，由于防洪需要，先后建了西河大堤、花渡河大堤、二紡廠閘、城防站，并開鑿5.24km花渡河下游人工河道，進(jìn)而阻斷了環(huán)城河與花渡河、西河的水力聯(lián)系[3]。后為完善交通系統(tǒng)，環(huán)城河之上先后修建起了13座橋梁或交通斷壩，將環(huán)城河隔斷成互不連通或連通性很差的若干段水體。隨著縣城人口的持續(xù)增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，環(huán)城河在人類活動(dòng)的影響下，水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，水體不連通更加劇了水質(zhì)的惡化[4]。

1995年以來(lái)，無(wú)為縣人民政府投入大量資金開展景觀打造、環(huán)境治理、清淤清障等工作，取得了一定的整治效果，但仍存在截污不徹底、水系割裂、水體流動(dòng)不暢等問(wèn)題，導(dǎo)致環(huán)城河水生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。2018年8月環(huán)城河水體再次暴發(fā)大面積藍(lán)藻，基于系統(tǒng)科學(xué)理念的水環(huán)境綜合整治破在眉睫[5-7]。

在近期控源截污工程難以快速實(shí)施的情況下，為了滿足無(wú)為縣城區(qū)環(huán)城河水質(zhì)迅速改善，城市風(fēng)貌得到顯著提升的需求，本著“先易后難、標(biāo)本兼治”的原則[8]，首先研究環(huán)城河活水方案，確定其引水規(guī)模。本文研究結(jié)果對(duì)于環(huán)城河活水工程布置、引水規(guī)模確定、閘站調(diào)度具有重要的指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 環(huán)城河水系格局及問(wèn)題

環(huán)城河上游通過(guò)二紡廠閘與花渡河有連通條件，下游通過(guò)城防站穿堤涵管可與西河連通。環(huán)城河設(shè)計(jì)景觀水位為7.5m(黃海高程)，西河豐、平、庫(kù)水年水位過(guò)程線如圖2所示。除豐水年極端降雨情況下，西河水位絕大多數(shù)時(shí)間都位于7.5m以下[9]，環(huán)城河水入西河有自流條件。花渡河入西河處新建了一座閘門(新花渡閘)，通過(guò)該閘門的調(diào)度可抬高二紡廠閘處花渡河水位，以營(yíng)造花渡河—環(huán)城河—西河的自流條件。

連通環(huán)城河與花渡河的花渡河故道被4處斷壩、若干養(yǎng)殖壩分割成互不連通的水體，卡死了花渡河水入環(huán)城河的入口；環(huán)城河西段大安橋、小安橋橋下涵洞過(guò)流能力較差。環(huán)城河西段水下地形整體高于東段，北段高于南段，導(dǎo)致活水線路上水力條件極差，且引水后約80%的大水從東段走。因篇幅有限，本文不做工程布局及規(guī)模論證，假設(shè)已對(duì)水下地形超過(guò)6.0m的區(qū)域進(jìn)行了清淤、清障，各卡口已通過(guò)清除或者建設(shè)涵管的形式連通，在環(huán)城河?xùn)|西段連接處建設(shè)了活動(dòng)溢流堰以調(diào)節(jié)兩個(gè)河段的分流比(圖3b)，在此基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)城河引水規(guī)模、引水保證率進(jìn)行論證。

1.2 環(huán)城河及周邊水系水環(huán)境現(xiàn)狀及問(wèn)題

2018年11月在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)了10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，對(duì)水質(zhì)主要指標(biāo)pH、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、濁度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，花渡河城區(qū)上游來(lái)水水質(zhì)為III類，花渡河故道水體為III～Ⅳ類；環(huán)城河內(nèi)水體水質(zhì)均為劣Ⅴ類，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，主要超標(biāo)因子為氨氮、總磷。根據(jù) 《無(wú)為縣城市總體規(guī)劃 (2009—2030)》[1]，環(huán)城河被劃為Ⅳ類水環(huán)境功能區(qū)，執(zhí)行地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀水質(zhì)離規(guī)劃目標(biāo)差距較大。

2 研究技術(shù)方法

2.1 水質(zhì)達(dá)標(biāo)需水計(jì)算

本文采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的MIKE21二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)引水規(guī)模進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 模型簡(jiǎn)介[10]

(1)水動(dòng)力學(xué)方程

二維水動(dòng)力控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系(Cartesian Coordinates)下的納維—斯托克斯方程組(Navier-Stokes equations)，該方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動(dòng)量方程和垂直水流方向(y方向)的動(dòng)量方程組成。

(1)

(2)

(3)

(2)水質(zhì)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，考慮污染物運(yùn)移過(guò)程中的對(duì)流、擴(kuò)散和降解等因素，污染物的運(yùn)移方程可寫為：

(4)

式中：c為污染物的濃度；(Dx,Dy)為x和y方向的擴(kuò)散系數(shù)；Kd為污染物線性降解系數(shù)。

2.1.2 計(jì)算條件

(1)計(jì)算范圍

模型研究范圍為二紡廠閘至小河口站之間環(huán)城河水域，研究面積約1.5km2。根據(jù)上述確定的模型計(jì)算范圍，結(jié)合計(jì)算范圍內(nèi)河道形態(tài)和可能影響河道水流結(jié)構(gòu)的相關(guān)因素，對(duì)計(jì)算水域采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，共劃分三角形網(wǎng)格1448個(gè)。

(2)計(jì)算年型

本次引水規(guī)模比選考慮最不利水文條件，選取典型年為90%保證率的枯水年，即2013年，模型計(jì)算時(shí)間從2013年1月1日0時(shí)至2014年1月1日0時(shí)。

(3)初始邊界條件

根據(jù)2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，環(huán)城河超標(biāo)最嚴(yán)重的污染因子為氨氮，因此選取氨氮為計(jì)算指標(biāo)，引水水體氨氮濃度為0.895mg/L，環(huán)城河水體本底氨氮濃度為3.3mg/L。入河污染物點(diǎn)源考慮沿岸控源截污工程的開展，削減為現(xiàn)狀的50%；面源保持不變；內(nèi)源全部削減。經(jīng)計(jì)算枯水年氨氮點(diǎn)源入河量為28.2t，面源入河量為11.7t。

(4)計(jì)算工況

環(huán)城河入流為設(shè)計(jì)引水流量?；ǘ珊迂S水年、平水年、枯水年年平均流量分別為3.37m3/s、2.77m3/s、2.49m3/s，考慮可引水量不超過(guò)年平均流量，本次模型計(jì)算選取1m3/s、1.5m3/s、2m3/s、2.5m3/s、3m3/s、3.5m3/s、4m3/s分別作為設(shè)計(jì)引水流量。

(5)調(diào)度規(guī)則

通過(guò)小河口站調(diào)控，使環(huán)城河水位維持在7.5m；當(dāng)小河口站出口西河水位<7.5m，且花渡河流域及環(huán)城河排澇分區(qū)無(wú)防洪、排澇任務(wù)時(shí)，則實(shí)施引水，否則關(guān)閉二紡閘停止引水。

實(shí)施引水時(shí)，若花渡河來(lái)水量小于既定引水規(guī)模，則來(lái)多少引多少；若花渡河來(lái)水量大于既定引水規(guī)模，則通過(guò)對(duì)二紡閘的控制，按照設(shè)定規(guī)模引水，其他來(lái)水通過(guò)開閉新花渡閘進(jìn)行調(diào)蓄，二紡閘處水位低于10.5m之前，可以通過(guò)關(guān)閉新花渡閘蓄在河道內(nèi)，當(dāng)超過(guò)10.5m時(shí)，則開啟新花渡閘將來(lái)水排出。

2.2 生態(tài)需水計(jì)算

河流生態(tài)需水是將河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過(guò)程維持在一定水平所需要的水量，包括維持河流生物多樣性功能、自凈功能、調(diào)節(jié)水量、維持河道形態(tài)、文化功能等。結(jié)合環(huán)城河水體使用功能，本次方案采用Tennant法計(jì)算河流生態(tài)需水。

Tennant法根據(jù)水文資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，以年平均徑流量百分?jǐn)?shù)來(lái)描述河道內(nèi)流量狀態(tài)。為了使河道達(dá)到非常好的狀態(tài)，河道生態(tài)基流取河道多年平均流量的10%～30%[11]。在此流量條件下，大部分河道將沒(méi)于水中，大部分邊槽將有水流，許多河岸將成為魚類的活動(dòng)區(qū)，許多流速快的河段和大部分旋渦區(qū)的深度將足以作為魚類的活動(dòng)場(chǎng)所。

2.3 景觀需水計(jì)算

在對(duì)河道實(shí)施清淤、護(hù)岸、綠化等措施后，通過(guò)維持一定水深可取得較好的景觀效果。根據(jù)河道水深、河道寬度、河道長(zhǎng)度、交換次數(shù)確定景觀需水，公式如下：

Whe=B×H×L×n

(5)

式中：Whe為河流日生態(tài)需水量，m3；B為河流寬度，m；H為河流水深，m；L為河流長(zhǎng)度，m；n為日交換次數(shù)。

3 引水規(guī)模計(jì)算

3.1 引水水源

環(huán)城河周邊西河、花渡河均滿足引水水量和水質(zhì)需求，本著充分利用現(xiàn)有河道、水閘、泵站工程，及“自流優(yōu)先”的原則，選取花渡河為引水水源。

3.2 引水線路

本方案擬通過(guò)新花渡河閘抬高花渡河水位至7.5m(環(huán)城河景觀設(shè)計(jì)水位)以上，使得花渡河水體通過(guò)二紡廠閘自流進(jìn)入花渡河故道，在植物園處分流，一部分水體流入古護(hù)城河，另一部分水體進(jìn)入花渡河故道，水體最終由小河口站流入西河，活水線路拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)圖4。

3.3 引水量計(jì)算

3.3.1 常年引水規(guī)模分析

(1)水質(zhì)達(dá)標(biāo)需水量分析

圖5為基于MIKE21模擬得到的不同引水工況下銨氮濃度變化趨勢(shì)圖。由圖5可知，若不引水，則環(huán)城河水質(zhì)始終無(wú)法達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo)，引水1m3/s和1.5m3/s時(shí)，環(huán)城河在豐水期部分時(shí)段水質(zhì)無(wú)法達(dá)到Ⅳ類，水質(zhì)全年達(dá)標(biāo)率分別為95.5%和97.5%，其主要原因是降雨導(dǎo)致環(huán)城河周邊大量面源污染物進(jìn)入河道內(nèi)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)水質(zhì)變差。當(dāng)引水流量≥2m3/s時(shí)，環(huán)城河水質(zhì)全年可以達(dá)標(biāo)，且部分時(shí)段可以達(dá)到或接近Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)生態(tài)需水分析

實(shí)施活水工程后，環(huán)城河與花渡河和西河連通，相當(dāng)于花渡河的河段，因此采用花渡河平水年流量過(guò)程(年平均流量2.8m3/s)和Tennant法(豐水季30%，枯水季20%)計(jì)算環(huán)城河生態(tài)需水量，根據(jù)計(jì)算可得環(huán)城河生態(tài)需水量約為0.65m3/s。

(3)景觀需水分析

環(huán)城河景觀設(shè)計(jì)水位為7.5m，根據(jù)實(shí)測(cè)水下地形、清淤深度確定環(huán)城平均水深(H)約為1.6m，河長(zhǎng)(L)約為8200m，河道平均寬度(B)約為180m。根據(jù)相關(guān)研究，平原湖泊換水周期(n)為25d時(shí)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)可以非常穩(wěn)定，環(huán)城河類似狹長(zhǎng)型湖泊，n值取25[12]，計(jì)算得到景觀需水量約為1.1m3/s。

綜合水質(zhì)達(dá)標(biāo)需水、生態(tài)需水和景觀需水的計(jì)算，環(huán)城河活水工程常年引水量確定為2m3/s。

3.3.2 應(yīng)急引水規(guī)模分析

環(huán)城河水質(zhì)在夏天時(shí)受溫度升高、初期雨水入河、沿河排污管道溢流等因素影響，極易發(fā)生短期的水質(zhì)惡化、水華現(xiàn)象，此時(shí)2m3/s的常年引水流量已不足以維持環(huán)城河水質(zhì)，因此需對(duì)應(yīng)急情況下引水規(guī)模進(jìn)行分析。

圖6為應(yīng)急條件下引水規(guī)模分析圖。由圖6可知，當(dāng)環(huán)城河水體為劣Ⅴ類時(shí)，引水1m3/s、1.5m3/s、2 m3/s、2.5 m3/s、3 m3/s、3.5 m3/s和4 m3/s 時(shí)，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間分別為18.3d、14.6d、10.4d、8.3d、7.2d、6.4d和5.8d，二者關(guān)系如圖7所示。本文建議應(yīng)急條件下，采用4m3/s的引水規(guī)模。在該引水規(guī)模下，環(huán)城河水質(zhì)6d內(nèi)可恢復(fù)目標(biāo)水質(zhì)。

3.4 引水保證率

圖8為豐、平、枯水年引水流量、來(lái)水流量和花渡河調(diào)蓄水量變化趨勢(shì)圖。當(dāng)引水流量為2m3/s時(shí)，通過(guò)新花渡閘的調(diào)蓄，豐、平、枯水年可以保證引水流量達(dá)到2m3/s的時(shí)間分別為94.5%、81.4%和59.2%，其他時(shí)間引水量為基流，引水量占來(lái)水量的比例分別為58.6%、68.8%和71.7%。

3 結(jié)論

本文在對(duì)環(huán)城河、花渡河、西河典型年水文、水質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算了環(huán)城河生態(tài)需水量和景觀需水量，并采用MIKE21模型對(duì)不同引水工況下環(huán)城河水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行了模擬，最終確定常年引水流量為2m3/s，應(yīng)急引水流量為4m3/s。在引水流量為2m3/s的情況下，可保證豐、平、枯水年引水時(shí)水質(zhì)均達(dá)到Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo)，應(yīng)急引水為4m3/s的情況下，可保證環(huán)城河水質(zhì)在6d內(nèi)，從劣Ⅴ類水改善為Ⅳ類水。

當(dāng)引水流量為2m3/s時(shí)，通過(guò)新花渡閘的調(diào)蓄，豐、平、枯水年可以保證引水流量達(dá)到2m3/s的時(shí)間分別為94.5%、81.4%和59.2%，其他時(shí)間引水量為基流，引水量占來(lái)水量的比例分別為58.6%、68.8%和71.7%。