太湖流域錫澄片主城區(qū)暢流活水方案研究

董 亮，俞芳琴，劉 俊，周 宏，花 培

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2. 南京市浦口區(qū)水務局，南京 211800)

0 引 言

我國太湖流域河道密布，城區(qū)河網(wǎng)流速緩慢，部分城區(qū)河道處于滯留狀態(tài)。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，區(qū)域城市化率迅速提高，大量污水排入河道，城區(qū)河道水污染問題日益嚴重。河道流動性差、自凈能力差，加之外部污染大量排入導致水環(huán)境惡化，水環(huán)境治理迫在眉睫?？卦唇匚凼歉纳瞥鞘泻拥浪h(huán)境的最根本措施，但實施難度很大。調水引流是改善平原河網(wǎng)水污染問題最為快捷和經(jīng)濟可行的技術方法[1,2]。早在20世紀60年代，為改善東京隅田川水環(huán)境質量，日本在疏?；A上從荒川引入清水，極大程度地改善了隅田川的水質[3]。2000年杭州市實施錢塘江引水入城工程，將錢塘江水引入西湖，河道水環(huán)境得到明顯改善[4]。近年來，太湖流域以引江濟太調水試驗為代表，產(chǎn)生了太湖流域水環(huán)境整治的新理念[5]。蘇州市建設自流活水工程引水到古城區(qū)，增加城內河道水量，大大提高了環(huán)城河水體的流動性，改善了水環(huán)境[6]。童朝峰[7]等通過外秦淮河一維河網(wǎng)模型分析了引水方式、引水規(guī)模和閘控方式對水質的影響；李大勇等[8]建立感潮河網(wǎng)數(shù)學模型，對調水改善張家港地區(qū)水環(huán)境進行了研究。本文針對強人工條件下的圩區(qū)內城市地區(qū)河網(wǎng)，通過選取太湖流域錫澄片主城區(qū)為研究區(qū)域，建立水動力水質耦合模型，選取多種沿江樞紐、內河閘站調度方式為研究對象，探求多種活水方案下主城區(qū)河網(wǎng)水體流動性和水環(huán)境的改善效果，對城區(qū)平原河網(wǎng)進行科學有效的水系調度提供參考。

1 研究方法

平原河網(wǎng)地區(qū)的復雜河網(wǎng)結構是研究水體運移規(guī)律的一大難題，需借助數(shù)學工具構建水動力水質耦合模型模擬其變化。本研究借助水文水質資料，結合區(qū)域的水文、防洪特征及水環(huán)境特性，構建一維水動力水質耦合模型，模擬并分析不同活水方案。

1.1 計算模型

MIKE11模型是模擬一維水流的國際化工程軟件，經(jīng)過大量工程實踐驗證被證明適用于包括復雜平原河網(wǎng)在內的一維非恒定流計算[9]。對計算區(qū)域內的河網(wǎng)及水工建筑物采用MIKE11的水動力(HD)模塊、水工建筑物模塊進行概化，結合水質(AD)模塊建立錫澄片主城區(qū)河網(wǎng)水動力水質耦合模型。水動力模型以質量和動量守恒定律為基礎，基本原理為Saint-Venant微分方程[10]，以流量、水位和流速為研究對象，考慮旁側入流，形成方程組：

(1)

(2)

式中：x、t分別為計算點空間和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為過流流量；h為水位；q為旁側入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

式(1)以Abbott六點中心有限隱式差分格式離散，添加連接條件，形成河道方程，計算以傳統(tǒng)的雙掃描法求解。在水工建筑物模塊中結合區(qū)域的實際情況，對閘、泵、江邊樞紐等建筑物概化，設置合理的控制規(guī)則。模型可通過不同的調度方案和優(yōu)先級自動控制調整水工建筑物的運行[11]。

AD模塊以HD模塊生成的水動力條件為基礎，采用對流擴散方程計算[12]：

(3)

式中：ρ為污染物質量濃度；D為縱向擴散系數(shù)；K為線性衰減系數(shù)；ρ2為源匯項的質量濃度。

1.2 評價方法

為了科學評價分析暢流活水對主城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果，根據(jù)錫澄片主城區(qū)河道現(xiàn)狀污染物超標情況，選取NH3-N為評價因子，根據(jù)五個城區(qū)監(jiān)測斷面的污染物濃度下降率評價河道水質改善程度，污染物濃度下降率計算公式如下：

(4)

式中：R為污染物濃度下降率；C0為引水前污染物濃度；Ci為引水后第i天污染物濃度。R值可以反應引水前后污染物濃度的下降程度。

2 模型與方案設定

2.1 活水需求分析

錫澄片位于太湖流域武澄錫虞區(qū)，南瀕太湖、北臨長江、東至望虞河、西以澡港河和武進港為界，屬典型的平原河網(wǎng)區(qū)。河港縱橫交叉，溝塘密布，水系交錯相連。在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，區(qū)域水環(huán)境急劇惡化；為滿足引江濟太等工程的需要，區(qū)域河道設控情況日益增多，水體自然流動性遭受破壞，面臨嚴峻考驗。錫澄片主城區(qū)位于運東大包圍防洪圩區(qū)內，污染排量大，河網(wǎng)流動性差。根據(jù)《2016年無錫市水資源公報》，在主城區(qū)的五個監(jiān)測斷面：嚴埭、萬安橋、清名橋、東亭西橋和冷瀆港中，劣Ⅴ類斷面占80%，僅有嚴埭斷面為Ⅳ類水，水污染嚴重。主城區(qū)排污量大，控源截污難度高，難以在短時間內顯著降低污染物入河量，暢流活水是改善主城區(qū)河道水環(huán)境的可行措施。主城區(qū)潛在可利用的水源為長江、江南運河和太湖，主要有北興塘、九里河、伯瀆港等河道，是本文主要的研究區(qū)域。

2.2 模型構建

2.2.1 計算范圍及概化

考慮到模擬計算的邊界需相對穩(wěn)定且保證水系的完整，對江南運河以北、錫澄運河以東、望虞河以西的錫澄片骨干河網(wǎng)進行概化。北以長江為潮位邊界控制，概化沿江水利樞紐、內河控制閘及樞紐?；静黄疠斔饔玫暮拥溃凑{蓄水面處理[13]。涉及活水的主要水工建筑物有：白屈港抽水站、白屈港沿線控制閘、嚴埭港樞紐、北興塘樞紐、九里河樞紐、伯瀆港樞紐、利民橋樞紐、仙蠡橋樞紐。模擬計算范圍及評價區(qū)域見圖1。

概化的污染源主要分為點源和非點源，其中點源為2016年污水處理廠和直排工業(yè)企業(yè)源；非點源包括未接入城市污水管網(wǎng)的城鎮(zhèn)生活源、農村生活源、農田面源和畜禽源，根據(jù)《2017年無錫統(tǒng)計年鑒》中人口、耕地面積及養(yǎng)殖數(shù)據(jù)推算得出。點源根據(jù)排污口的位置加入到概化的河網(wǎng)中；非點源根據(jù)流入的河道分布概化到一定長度的河道中，按完全混合模型進行計算。河網(wǎng)及可控水工建筑物概化圖見圖2。

2.2.2 參數(shù)率定與驗證

模型邊界選取2012年11-12月長江潮位及江南運河實測水位，以計算區(qū)域內無錫站、甘露站、青旸站實測水位率定，率定得到的河道糙率取值范圍為0.025～0.028。選擇2014年1月各站實測水位進行驗證。采用枯水期沿江及內河閘站實際常規(guī)調度工況。驗證的結果顯示，無錫站、甘露站、青旸站水位平均誤差分別為1.2、1.0、6.0 cm，且計算水位變化過程與實測較為符合。

根據(jù)2016年無錫市水質評價結果，氨氮為錫澄片主城區(qū)主要污染物，故本研究取氨氮降解系數(shù)為率定指標。根據(jù)《太湖流域水環(huán)境容量計算與“十三五”規(guī)劃方案治理目標及污染總量分配研究專題報告》中武澄錫虞區(qū)河網(wǎng)水質模型率定參數(shù)，取計算區(qū)域氨氮降解系數(shù)為0.06/d。根據(jù)模型率定結果，驗證計算區(qū)域內2016年1-3月各監(jiān)測斷面的水質平均值。驗證結果顯示，計算范圍內25個監(jiān)測斷面(包括評價范圍內的5個監(jiān)測斷面)水質指標相對誤差均小于15%。整體率定結果可以反應研究區(qū)的水動力水質狀況，模型參數(shù)選取基本可靠。

圖1 錫澄片主城區(qū)示意圖

圖2 河網(wǎng)與可控水工建筑物概化圖

2.3 模擬方案

錫澄片北接長江，南臨太湖，有江南運河從中部經(jīng)過。其中，運河水質常年為Ⅳ～Ⅴ類水，不宜用作活水水源。太湖可利用水量較少，且受藍藻等問題影響，質量不能長期保證。長江(大通站)多年平均流量為2.83 萬m3/s，水量充沛，且長江錫澄段水質一般為Ⅱ～Ⅲ類水，是較為優(yōu)質的水源。以長江為水源向主城區(qū)引水需經(jīng)過江陰市，然而江陰市縱向水系不發(fā)達，通向主城區(qū)的縱向河道僅有錫澄運河、白屈港。錫澄運河為通航河段，不宜設控，活水效果難以保證。白屈港北端設有抽水站，且東、西兩側河道基本設控，南接主城區(qū)，可作為活水的主要通道，退水進入江南運河。

為研究不同規(guī)模的活水方案對主城區(qū)水體流動性和水質的改善效果，本文結合研究區(qū)實際，經(jīng)白屈港引長江水至主城區(qū)河網(wǎng)。保持白屈港沿線引水格局基本不變，從主城區(qū)活水規(guī)模和周邊樞紐控制方式角度，制定相應的計算方案評估活水對主城區(qū)內河道監(jiān)測斷面的改善效果。

根據(jù)錫澄片現(xiàn)有水利樞紐、閘站設置狀況及常用運行方案，選取不同流量規(guī)模和分配模式，制定模擬方案見表1，模擬時長為20 d。

3 結果與分析

結合表1計算，得到連續(xù)2周活水期間主城區(qū)監(jiān)測斷面氨氮質量濃度變化過程。計算顯示，模擬期間各計算點氨氮質量濃度逐漸趨于定值，在第10天之前均可達到穩(wěn)定值。各方案停止后3～4 d，斷面氨氮質量濃度均基本恢復活水前的水平。選取研究區(qū)域內5個監(jiān)測斷面第10天零時氨氮質量濃度值見表2，對應的斷面流速見表3。

結合表2，計算各斷面氨氮濃度下降率見圖3。

由表2、表3可以看出：方案0為現(xiàn)狀條件下的對照方案，在不開啟城區(qū)周圍閘站時，河道水體幾乎無流動，斷面平均氨氮質量濃度為3.60 mg/L，劣Ⅴ類斷面占比100.0%。從方案1至方案3，活水強度逐漸加大，水量分配更加均勻。

表1 調度方案 m3/s

注：負值表示排水。

表2 第10天監(jiān)測斷面氨氮質量濃度 mg/L

圖3 斷面氨氮質量濃度下降率

方案1主城區(qū)的活水流量共30 m3/s，斷面平均氨氮質量濃度由3.60 mg/L下降至1.84 mg/L，各斷面均出現(xiàn)一定的流動性，但部分斷面流動性較低。在5個監(jiān)測斷面中，劣Ⅴ類斷面1個，Ⅴ類斷面2個，Ⅳ類斷面1個，Ⅲ類斷面1個，各斷面氨氮濃度下降率分別為33.3%、52.9%、52.3%、53.5%、46.1%。

方案2主城區(qū)的活水流量共60 m3/s，斷面平均氨氮質量濃度由3.60 mg/L下降至1.16 mg/L，改善效果進一步提升，但提升幅度明顯小于方案1，基本消除監(jiān)測斷面的流速緩慢狀態(tài)。在5個監(jiān)測斷面中，劣V類斷面0個，V類斷面1個，Ⅳ類斷面3個，Ⅲ類斷面1個，各斷面氨氮濃度下降率分別為46.2%、56.3%、62.3%、66.1%、79.4%。

方案3主城區(qū)的活水流量共80 m3/s，斷面平均氨氮質量濃度由3.60 mg/L下降至1.13 mg/L，各斷面改善效果基本與方案2持平，增加的流量對水環(huán)境的作用不明顯。嚴埭斷面流速達0.47 m/s。在5個監(jiān)測斷面中，劣V類斷面0個，Ⅴ類斷面1個，Ⅳ類斷面3個，Ⅲ類斷面1個，各斷面氨氮濃度下降率分別為53.8%、55.0%、62.5%、68.5%、79.1%。

方案1～3從活水流量及分配的角度，通過階梯式增加城區(qū)活水流量，得到不同活水程度下斷面氨氮濃度的長期改善情況。從模擬結果看，方案1向東側九里河、伯瀆港分別分配15 m3/s時，各斷面氨氮濃度下降率均高于30.0%，且側斷面下降率更高。方案2向東、西兩側均勻分配時，各斷面氨氮濃度下降率提升至46.2%以上，西側冷瀆港斷面的氨氮濃度下降率顯著提升，但整體提升程度明顯弱于方案1。方案3各斷面氨氮質量濃度基本與方案2持平，且增加的活水流量并沒有明顯的效果，引水口附近嚴埭斷面流速過大，有沖刷風險?？紤]投入產(chǎn)出的效率，方案3明顯超過了主城區(qū)活水的需求。

4 結 論

(1)利用MIKE11構建太湖流域錫澄片錫澄運河以東區(qū)域河網(wǎng)水動力水環(huán)境數(shù)學模型，基于實測水量水質數(shù)據(jù)對模型率定和驗證，得到研究區(qū)內河道糙率為0.025～0.028、氨氮降解系數(shù)為0.06 /d，驗證結果表明模型計算值與實測值較好吻合，可用于模擬計算范圍內河網(wǎng)水質水量的變化過程。

(2)研究基于一維水動力水質耦合模型，對太湖流域錫澄片主城區(qū)的暢流活水方案的水動力、水環(huán)境效果進行了模擬。結合實際條件、活水流量及水量分配3個方面因素設置了4種方案，發(fā)現(xiàn)合理配置暢流活水措施可有效改善城區(qū)水體滯留問題，提升河網(wǎng)的水體的流動性，改善水環(huán)境，活水水量應結合實際需求均勻分配；超過一定水量后，隨著流量的增加，河道流動性繼續(xù)提升，但部分河道有沖刷風險，且河道水環(huán)境的改善提升很小。這種關系可用于指導錫澄片活水方案的優(yōu)化。

(3)太湖流域錫澄片主城區(qū)河網(wǎng)污染物排 放入河量較大，雖活水方案提升主城區(qū)河網(wǎng)水動力和水環(huán)境的效果顯著，但維持時間短，需配合控源截污、疏浚清淤、加強水系連通等手段共同解決河網(wǎng)水體滯留和環(huán)境問題。

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