基于一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型的引水泵站規(guī)模論證研究

高 嵩，金 勇，錢 軍，盛 冰，沈 杰，王 燦

(1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

1 研究背景

老通揚運河是歷史老河，原為南通到揚州運鹽官河，老通揚運河北岸是淮河水系與長江水系的分界線，北側(cè)為里下河水系，屬淮河水系。目前老通揚運河是泰州姜堰通南地區(qū)主要區(qū)域骨干河道，主要承擔(dān)境內(nèi)區(qū)域引、排、航功能。老通揚運河省考斷面崔母大橋地處泰州通南高沙土區(qū)最東端，是泰州通南地區(qū)引、排最困難區(qū)域，該區(qū)域水體流動性差，水環(huán)境惡化，影響老通揚運河崔母大橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

根據(jù)國家和省、市關(guān)于打好長江保護(hù)修復(fù)攻堅戰(zhàn)的決策部署，到2020年底，姜堰區(qū)4個地表水省考及以上斷面水質(zhì)優(yōu)良(達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類)必須達(dá)到100%。為切實改善老通揚運河水環(huán)境，確保老通揚運河崔母大橋斷面水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，通過興建引水泵站和控制建筑物，河道實施清淤疏浚、岸坡防護(hù)等，增加老通揚運河水量，加快水體流動，提升斷面水質(zhì)。文章通過建立一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型，分析比選引水方案，從水量供需平衡、河道流速、水質(zhì)達(dá)標(biāo)時間等方面論證泵站建設(shè)規(guī)模。

2 河道現(xiàn)狀水質(zhì)情況

老通揚運河崔母大橋斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，根據(jù)老通揚運河崔母大橋斷面2019年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)，河道水質(zhì)在Ⅲ～Ⅴ類之間，詳見表1。河道以有機物污染為主，高錳酸鹽指數(shù)、COD、總磷是老通揚運河水質(zhì)的主要影響物質(zhì)，主要污染來源為生活與工業(yè)污水。

表1 老通揚運河崔母大橋斷面水質(zhì)逐月統(tǒng)計表

以總磷為例，2019年逐月水質(zhì)變化如圖1所示。從每月數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，總磷值最高時段在3—6月，分別為Ⅴ類和Ⅳ類，最低時段在主汛期7—8月，為Ⅲ類。

圖1 老通揚運河崔母大橋斷面總磷逐月濃度變化圖

3 一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型

老通揚運河屬于平原河網(wǎng)，河網(wǎng)縱橫交錯，水系復(fù)雜，因此采用丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的MIKE11水環(huán)境模擬軟件，軟件可以準(zhǔn)確模擬水工建筑物調(diào)度規(guī)則，計算河道水位、流量和流速，也可以用來模擬河道內(nèi)水環(huán)境TN、氨氮和TP各參數(shù)濃度變化，可以反映平原河網(wǎng)地區(qū)的水動力特征。

3.1 模型原理

3.1.1MIKE11水動力模塊

MIKE11水動力模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流水流狀態(tài)。其方程組形式如下：

(1)

式中，x，t—空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)；Q，h—斷面流量和水位；A，R—斷面過流面積和水力半徑；Bs—河寬；q—旁側(cè)入流量；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度。

MIKE11水動力模塊采用Abbott-lonescu六點隱式差分格式求解。該格式在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位或流量。

3.1.2MIKE11AD模塊

水質(zhì)模型基于水動力模型進(jìn)行構(gòu)建，MIKE11對流擴(kuò)散模塊(AD)用于模擬可溶性物質(zhì)和懸浮物質(zhì)在水體中的對流擴(kuò)散過程。

MIKE11 AD 采用的一維河流水質(zhì)模型基本方程為

(2)

式中，C—模擬物質(zhì)的濃度；u—河流平均流速；Ex—對流擴(kuò)散系數(shù)；K—模擬物質(zhì)的一級衰減系數(shù)；x—空間坐標(biāo)；t—時間坐標(biāo)。

3.2 模型建立

根據(jù)通南片區(qū)網(wǎng)狀水系覆蓋面、水系內(nèi)部河道分布以及其中河道的水動力水質(zhì)特征，構(gòu)建水動力模擬模型。在進(jìn)行河網(wǎng)概化時，不僅要考慮河網(wǎng)水動力特征、符合河網(wǎng)區(qū)普遍概化規(guī)則，還要體現(xiàn)河道的分級以及考慮其他水工建筑的影響。在河網(wǎng)水系中，老通揚運河為主要河道，白米河、拜官河、白南河組成次要河道，水系情況較為復(fù)雜，河網(wǎng)概化圖如圖2所示。

圖2 河網(wǎng)概化圖

3.3 模型率定與驗證

采用老通揚運河2020年3月31日至4月2日實測資料對模型進(jìn)行率定，以老通揚運河上游實測流量和下游實測水位過程為邊界條件，計算河網(wǎng)內(nèi)節(jié)點水位、流量過程，與對應(yīng)的實測水位、流量進(jìn)行比較，同時計算老通揚運河崔母大橋處各污染物指標(biāo)，與實測數(shù)值進(jìn)行對比，率定相關(guān)參數(shù)。

水動力水質(zhì)模型主要參數(shù)為河道糙率和各污染物擴(kuò)散系數(shù)及綜合衰減系數(shù)。經(jīng)率定計算，河道糙率取值為0.025～0.03，根據(jù)河網(wǎng)狀水系的實際情況，溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(COD)、NH3-N和TP等指標(biāo)的綜合衰減系數(shù)(1/d)分別為0.02、0.05、0.02、0.09以及0.02，各指標(biāo)的擴(kuò)散系數(shù)均為1.82m2/s。

水位、流量計算過程與實測過程逐時變化趨勢相同，相對誤差為0.7%～6.4%，各污染物計算濃度值也與實測值的逐時變化趨勢基本一致，相對誤差為3.5%～8.4%。參數(shù)率定后計算值與實測值吻合良好，說明水動力水質(zhì)模型可以較好地模擬本片區(qū)河網(wǎng)地區(qū)水流特性，模型的率定參數(shù)符合要求，因此模型可用于本次各方案的引水泵站規(guī)模計算。

4 計算方案及結(jié)果分析

4.1 計算方案

老通揚運河水質(zhì)主要受上游來水量、沿線污染物排放等因素影響，河道在非汛期期間，水動力條件較差，限制了水體中污染物的遷移與衰減。針對上述問題，研究從增加老通揚運河水量、加快水體流動、提升斷面水質(zhì)等方面考慮，制定引水方案，本次研究重點以老通揚運河崔母大橋斷面水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)作為引水改善水質(zhì)目標(biāo)。

為提高河道水動力，研究考慮向老通揚運河引入水源，提升河道流速，改善水質(zhì)。規(guī)劃在老通揚運河北側(cè)支河白米河新建泵站，引新通揚運河水(Ⅲ類水)，從里下河地區(qū)向老通揚運河跨流域調(diào)水，同時在拜官河上興建泵站，源水來自周山河(Ⅲ類水)，向老通揚運河調(diào)水，河道水質(zhì)參數(shù)詳見表2，同時對老通揚運河節(jié)制閘東側(cè)境內(nèi)沿線的南側(cè)支河進(jìn)行控制，抬高片區(qū)內(nèi)河道水位，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)水動力條件，從而改善水質(zhì)，引水方案見表3。

表2 模型計算河道水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計表

表3 引水泵站不同規(guī)模方案

4.2 泵站規(guī)模分析

研究采用已建立的一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型模擬各引水方案，計算老通揚運河崔母大橋斷面高錳酸鹽指數(shù)、COD、總磷濃度達(dá)標(biāo)所需的時長，分析水質(zhì)改善效果，計算結(jié)果見表4。

分析表4中數(shù)據(jù)，通過調(diào)水引流措施，引新通揚運河、周山河的Ⅲ類水，可有效降低老通揚運河水質(zhì)因子濃度，提高河道水質(zhì)。當(dāng)泵站規(guī)模為10m3/s時，崔母大橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時間為19.5h；當(dāng)泵站規(guī)模為20m3/s時，崔母大橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時間為12h；當(dāng)泵站規(guī)模為30m3/s時，崔母大橋斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時間為9h，可見水質(zhì)達(dá)標(biāo)時間隨泵站規(guī)模增加而縮短。當(dāng)泵站規(guī)模為20m3/s時，水質(zhì)達(dá)標(biāo)時長較為合適，泵站規(guī)模達(dá)到30m3/s時，水質(zhì)達(dá)標(biāo)時長雖然縮短，但縮短幅度較小，因此確定泵站總規(guī)模宜選用20m3/s。

表4 主要水質(zhì)參數(shù)達(dá)標(biāo)時長

5 結(jié)語

研究建立了一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型，模型能夠較準(zhǔn)確地模擬片區(qū)內(nèi)河道水位、流量及污染物濃度變化，說明模型在平原河網(wǎng)地區(qū)的適用性。研究制定了不同引水方案，通過模型計算分析評估不同方案的水質(zhì)改善效果。結(jié)果表明，新增引水泵站不僅有利于改善片區(qū)水動力條件，也有利于加快片區(qū)內(nèi)水體置換速度，加快污染物遷移和衰減，改善河道水質(zhì)。綜合考慮引水對片區(qū)水質(zhì)改善范圍、速度、效率等多方面因素，建議引水泵站規(guī)模取20m3/s。