基于數(shù)值模擬的嘉興市區(qū)河道水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案

張海軍，馬永法，葉 萍，彭衛(wèi)西，陸珊珊，楊金珠，張海平

(1.嘉興市水利水電勘察設(shè)計研究院，浙江嘉興 314001；2.嘉興市水利投資有限公司，浙江嘉興 314033；3.丹華水利環(huán)境技術(shù)〈上海〉有限公司，上海 200235；4.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

杭嘉湖東部平原地區(qū)河網(wǎng)密布，交錯縱橫，水力坡降較小，且河道具有航運、輸水、景觀、防洪排澇、灌溉供水等多種功能，其中，河道的水生態(tài)功能在社會發(fā)展過程中承擔著重要作用。隨著區(qū)域人口增長及社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對水清岸綠的生態(tài)環(huán)境需求也與日俱增，然而，水環(huán)境承載負擔過重成為了常態(tài)，水環(huán)境質(zhì)量差等問題也是尤為突出[1-4]。水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度是實現(xiàn)社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效舉措，是當今國內(nèi)外水科學(xué)的前沿和熱點之一[5]。現(xiàn)有研究與實踐成果表明，在進行源頭截污納管的同時，利用水利工程設(shè)施實施引排水，在來水穩(wěn)定的情況下，能有效促進水體有序流動，提高水體自凈能力，是改善河道水環(huán)境的有效手段之一。李雁鵬等[6]應(yīng)用MIKE 11模型研究蘇州橫涇街道南片的河道水生態(tài)修復(fù)方案，預(yù)測并量化了各組合修復(fù)方案對水環(huán)境的改善效果，為農(nóng)村河道生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支持。樊智等[7]應(yīng)用MIKE 21水動力水質(zhì)模型，研究東太湖吳江應(yīng)急水源地的涵閘調(diào)度規(guī)則，綜合考慮水質(zhì)優(yōu)化、控藻和運行成本，制定一套全年調(diào)度方案，為應(yīng)急水源地的調(diào)度管理提供支持。黃琳煜等[8]應(yīng)用MIKE 11對世博園區(qū)浦東片白蓮涇區(qū)域河道進行水量水質(zhì)模擬，研究河網(wǎng)水利要素的時空變化過程，為制定調(diào)水方案及開發(fā)水資源環(huán)境管理決策支持系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。顧玨蓉等[9]應(yīng)用MIKE 11模型系統(tǒng)建立了以蘇州河及其支流為重點的全市感潮河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型，將上海市河網(wǎng)水系劃分為14個水利片,分片考慮區(qū)域降雨徑流對河網(wǎng)水量的影響。目前，嘉興市區(qū)換水調(diào)度主要是運行城市防洪工程設(shè)施，利用外部水體對市區(qū)河道實施換水，但基本憑經(jīng)驗調(diào)度，缺乏科學(xué)性及系統(tǒng)性，且尚未形成長效機制。本文圍繞嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)水量優(yōu)化調(diào)控方案的編制，構(gòu)建一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)耦合模型，分析評估現(xiàn)有調(diào)水方案的效果，并進行優(yōu)化完善，為嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)的進一步改善提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況

嘉興市地處長江三角洲太湖平原東緣，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，多年平均降雨量為1 193.5 mm，年平均蒸發(fā)量為863 mm，汛期4月—10月約占全年降水量的73%。嘉興市域河道縱橫，市區(qū)主干河道呈“三環(huán)、八放射”的形態(tài)，新塍塘、蘇州塘、長纖塘、平湖塘、嘉善塘、海鹽塘、長水塘、杭州塘八大河道呈放射狀均勻分布，環(huán)城河、中環(huán)河、外環(huán)河呈環(huán)狀與城市八大水系相交。隨著市區(qū)截污納管、雨污分離措施的不斷完善，市區(qū)河道水環(huán)境質(zhì)量不斷趨好，基本穩(wěn)定在Ⅲ～V類水體。嘉興市區(qū)城市防洪工程大包圍西以東環(huán)河為界，南接南郊河，北、西與北郊河杭州塘相鄰，面積為103.72 km2，沿線堤防為52 km，共有5座排澇樞紐及46座節(jié)制閘(圖1)。2011年起，嘉興利用城市防洪工程設(shè)施實施定期河道換水，通過排澇機組調(diào)節(jié)內(nèi)河水位使嘉興市區(qū)河水形成一個固定流向，從而引入活水、排出滯留水與污水，并加快河水流速，以此來達到引流入內(nèi)帶走污水死水、改善水質(zhì)的目的。

2 模型構(gòu)建

基于嘉興市最新水文、水質(zhì)與河床地形資料，應(yīng)用DHI開發(fā)的MIKE 11軟件，構(gòu)建嘉興市區(qū)河道的一維河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合模型。

圖1 嘉興市區(qū)城防工程布置圖Fig.1 Layout of Urban Flood Control Projects in Jiaxing City

2.1 河網(wǎng)概化

以嘉興市區(qū)城市防洪工程大包圍為邊界，概化河道總長為177 259 m，256條河道，包括27條主干河道、82條次干河道、8條外江河道及主要湖泊；概化水面占實際水面90%以上，實測斷面745個，并包括5座排澇樞紐及46座節(jié)制閘(圖2)。模型邊界采用實測水位和水質(zhì)數(shù)據(jù)。

注：圓點為水工建筑物圖2 河網(wǎng)概化Fig.2 Modeling River Network

2.2 水動力模型

MIKE 11 水動力學(xué)模型(HD)基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程組，即一維非恒定流Saint-Venant方程組模擬河流或河口的水流狀態(tài)[8-10]，如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：A——過水斷面面積，m2；

Q——流量，m3/s；

q——旁側(cè)入流量，m3/(s·m)；

t——時間坐標，s；

x——距離坐標，m；

g——重力加速度，m/s2；

h——水位，m；

1.1 一般資料 采用方便抽樣的方法，抽取全院所有N2層級護理人員，排除特殊原因不能參加培訓(xùn)考核者共769名，工作時間2012～2015年，2012年197名、2013年150名、2014年189名、2015年233名。

R——水力半徑，m；

C——謝才系數(shù)，m1/2/s。

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位或流量，具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

2.2.2 模型率定

利用2017年和2018年嘉興杭站的水位進行率定(圖3)，河道水位模擬誤差平均值為3.4 cm，不超過5 cm，水位模擬效果比較準確，變化趨勢一致，滿足本次水動力模型的要求，能夠為下一步的水質(zhì)模型提供基礎(chǔ)。

圖3 模擬與實測水位比較 (a)2017年；(b)2018年Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level (a)2017; (b) 2018

2.3 水質(zhì)模型

2.3.1 水質(zhì)模型構(gòu)建[6,11]

基于MIKE 11 HD模塊產(chǎn)生的水動力條件，應(yīng)用MIKE 11 AD對流擴散模塊分析研究河道水質(zhì)因子在不同工況下的濃度擴散情況，如式(3)。

(3)

其中：C——模擬的物質(zhì)濃度，mg/L；

Ex——縱向擴散系數(shù)，m2/s；

K——衰減系數(shù)，1/d；

C2——源匯項濃度，mg/L；

2.3.2 模型率定

利用2017年1月—12月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型率定，率定指標為CODMn、NH3-N、TP，率定的點位為嘉興市區(qū)范圍內(nèi)市中心水質(zhì)監(jiān)測斷面及市控及省控水質(zhì)監(jiān)測斷面，共26個。比較模擬值與實測值發(fā)現(xiàn)，以實測值的30%作為許可誤差，河道水質(zhì)濃度的模擬準確率達到86.7%，較好反映了市區(qū)河道水質(zhì)變化特征。圖4為塘匯斷面的率定結(jié)果。

圖4 塘匯斷面模擬與實測水質(zhì)濃度比較 (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TPFig.4 Comparison of Simulated and Measured Concentrations at Tanghui Station (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TP

3 方案模擬與結(jié)果分析

3.1 評價指標

采用地表水綜合污染指數(shù)(P)來表征水環(huán)境質(zhì)量，比較各調(diào)水方案的優(yōu)劣。以市區(qū)9個省市控斷面(石臼漾水廠、龍鳳大橋、塘匯、南湖中心、北運橋、長征橋、南門水廠、倪家匯、人中浜)的溶解氧、高錳酸鹽、BOD5、NH3-N、TP、CODCr指標計算P值。

(4)

(5)

其中：Ci——模擬水質(zhì)濃度，mg/L；

Si——該水質(zhì)指標的標準值，mg/L；

Pi——相應(yīng)類別的標準值，mg/L。

3.2 模擬方案

3.2.1 現(xiàn)狀調(diào)度方案

目前，嘉興城防工程的常規(guī)水動力調(diào)度方式為：(1)關(guān)閉大包圍城市防洪工程沿線各閘門，保留杭州塘閘門少量開度；(2)分別啟動穆湖溪泵站、三店塘泵站、平湖塘泵站，使市區(qū)河道水流形成自西南向東北梯降流向；(3)西南片分別開啟孫家港閘、曹莊橋北閘、曹莊橋閘、來龍港閘、鐘家港南閘、鐘家港東閘、楊家浜閘、隆興港閘、馬塘涇閘、眾興橋閘、顧家橋閘、橫港閘、月河橋閘、長水塘南閘，西北片分別開啟杭州塘閘、雁涇港閘、劉家浜閘。

3.2.2 優(yōu)化調(diào)度方案

優(yōu)化的調(diào)度方案需滿足如下原則：(1)具備長效運行的條件；(2)可操作性強，適應(yīng)外部各種不同水情；(3)周期較短、市區(qū)連通河道水質(zhì)改善效益明顯；(4)考慮市區(qū)河道的通航情況；(5)河道流速不超過沖刷流速。基于上述原則，參照現(xiàn)狀城防工程水動力調(diào)度方案，設(shè)置多種調(diào)度情景，進行多方案比選和模擬。

4 結(jié)果與討論

當入境水質(zhì)優(yōu)于市區(qū)河道水質(zhì)時，理論上調(diào)水流量越大，調(diào)水的效果就越好?？紤]到嘉興城防工程現(xiàn)有泵站排水能力、能耗及河道沖刷流速，通過與當?shù)厮块T溝通，確定各水利樞紐換水時以開啟4臺水泵較為造宜。從近幾年的實測水質(zhì)資料分析，嘉興城區(qū)西南側(cè)的入境水質(zhì)總體上優(yōu)于東側(cè)的入境水質(zhì)，因此，新的優(yōu)化調(diào)度方案擬從西南側(cè)引水(月河橋閘至長水塘閘一帶)。另外，市區(qū)各區(qū)域河道水質(zhì)不一，因此，調(diào)水的路徑、流量及實施周期對整體換水效率和效果的影響極大。

分析比較多方案模擬結(jié)果，最終得到如下優(yōu)化調(diào)度方案：(1)打開月河橋閘至馬塘涇閘閘門，長水塘開啟30 cm，沿線其他閘門關(guān)閉，同時，打開穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各2臺泵(單泵為12 m3/s)，共48 m3/s；(2)運行8 h后，穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各關(guān)閉1臺水泵，同時，打開平湖塘樞紐1臺水泵(單泵為12 m3/s)；(3)持續(xù)運行8 h后，關(guān)閉穆湖溪樞紐或同時關(guān)閉穆湖溪樞紐三店塘樞紐，打開茶士浜至倪家浜沿線水閘，以改善東南片區(qū)的次干河道水質(zhì)。通過對2015年—2019年連續(xù)5年的模擬，分析市區(qū)9個省市控斷面在無調(diào)度、現(xiàn)狀調(diào)度方案與優(yōu)化調(diào)度方案條件下的地表水綜合污染指數(shù)P，如表1所示。由表1可知，現(xiàn)狀調(diào)度方案的水質(zhì)改善效果在0.60%～10.1%，平均為3.8%；優(yōu)化調(diào)度方案在現(xiàn)狀調(diào)度方案基礎(chǔ)上可進一步改善市區(qū)河道水質(zhì)，改善效果在1.60%～11.4%，均值為6.3%，與無調(diào)度方案相比，水質(zhì)改善效果平均達到9.8%，效果顯著。

表1 不同模擬工況的水質(zhì)改善效果(P值)Tab.1 Effect of Water Quality Improvement in Various Simulation Scenarios (P Values)

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用MIKE 11模型構(gòu)建了精細的嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)水量耦合模型，模擬水位誤差平均為3.4 cm；以實測值的30%作為許可誤差，河道水質(zhì)濃度的模擬準確率達到86.7%，模型精度較高，可為市區(qū)水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案研究提供支撐。

(2)通過對2015年—2019年的模擬分析，現(xiàn)狀調(diào)度方案的水質(zhì)改善效果在0.60%～10.1%，平均為3.8%。

(3)提出了優(yōu)化調(diào)度原則與實施方案，該方案在現(xiàn)狀調(diào)度方案基礎(chǔ)上可進一步改善市區(qū)河道水質(zhì)，改善效果在1.60%～11.4%，均值為6.3%，與無調(diào)度方案相比，水質(zhì)改善效果平均達到9.8%，效果顯著。