紹興平原河網(wǎng)引水工程精確引水方案研究

楊朝軍，應(yīng)澤林，陳 飛

(1.紹興市越城區(qū)河道水域管理中心，浙江 紹興 312000；2.紹興市水利工程管理中心，浙江 紹興 312000；3.紹興市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 紹興 312000)

0 引 言

紹興城區(qū)位于紹興平原，包括越城區(qū)、柯橋區(qū)及上虞區(qū)的一部分區(qū)域。紹興平原河網(wǎng)河流眾多，水系密布，素有“東方威尼斯”之稱。紹興平原河網(wǎng)地區(qū)人口密集，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)企業(yè)和服務(wù)業(yè)聚集，污染源較多，并且由于地勢平坦，平原河網(wǎng)水動(dòng)力條件較差，存在著往復(fù)流和滯流等現(xiàn)象，使得水體抗污染能力較弱，水環(huán)境整體質(zhì)量較差[1]。引水工程是改善平原河網(wǎng)水質(zhì)較為經(jīng)濟(jì)、可行性較高的技術(shù)方法之一[2]，主要通過稀釋水體，提升水體流動(dòng)性以增強(qiáng)水體自凈能力的方式來提高水環(huán)境質(zhì)量，已在我國海河、長江等流域中得到了廣泛應(yīng)用。

由于平原河網(wǎng)復(fù)雜的水系、水環(huán)境狀況，引調(diào)水最終產(chǎn)生的實(shí)際效果往往受到多重因素影響，引水水量是其中一個(gè)重要因素。如何科學(xué)有效地根據(jù)特定目標(biāo)情況，按照經(jīng)濟(jì)合理的原則，選擇能夠達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)所需要的最小引水流量，即“最優(yōu)引水流量”，至關(guān)重要。

本研究以紹興平原河網(wǎng)區(qū)為研究對象，以一維水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，利用水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)，研究不同引水流量對區(qū)域水環(huán)境的改善效果，根據(jù)不同目標(biāo)組合對引調(diào)水方案進(jìn)行精準(zhǔn)評估，以期為平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境綜合治理提供有效支持。

1 模型基本方程

本次水動(dòng)力計(jì)算采用mike11中的HD模塊[3-5]，本模型演進(jìn)計(jì)算的對象是平原河網(wǎng)，河道交錯(cuò)，水流流向復(fù)雜。計(jì)算采用一維非恒定流方法，圣維南偏微分方程組為：

(1)

(2)

式中：x—計(jì)算點(diǎn)的空間坐標(biāo)；t—計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)；A—過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Q—過流流量,m3/s;h—水位,m;q—旁側(cè)入流流量,m3/s;C—謝才系數(shù),m1/2/s;R—水力半徑,m;α—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)，g—重力加速度,m/s2。

方程組利用Abbott-ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解圣維南方程(見圖1)。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。Abbott-ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

圖1 Abbott格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)布置圖

2 水文和水動(dòng)力模型構(gòu)建

2.1 水文和水動(dòng)力模型

紹興平原河網(wǎng)模型概化了“六縱五橫”骨干河道及其間連接的重要河道共計(jì)200余條，共布設(shè)約3 900多個(gè)計(jì)算斷面，包含有重要湖泊8個(gè)，排澇閘、節(jié)制閘12個(gè)，鐵路公路涵洞50個(gè)，規(guī)劃排澇泵站3個(gè)。模型基本上涵蓋紹興平原區(qū)主要河道、全部的排水擋潮閘以及曹娥江上浦閘以下河段，綜合了現(xiàn)有河網(wǎng)、水閘和規(guī)劃河道、泵站、排水擋潮閘的調(diào)蓄與排澇的作用。

紹興平原河網(wǎng)水利計(jì)算概化圖見圖2。

圖2 紹興平原河網(wǎng)水利計(jì)算概化圖

2.2 水質(zhì)模型

Mike11 ecolab模型是一個(gè)開放性的通用工具，可用來制定水生態(tài)模型，模擬水質(zhì)、富營養(yǎng)化和生態(tài)狀況等。水質(zhì)模型所需要的輸入數(shù)據(jù)包括流域近年來水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷數(shù)據(jù)等。本次研究的污染物主要包括COD、NH4-N等，影響河流水體中生物需氧量的主要過程為生物降解，其平衡方程為：

式中:CB—水中BOD5的濃度;Kd—BOD5的降解系數(shù);Θd—BOD5降解過程溫度系數(shù);T—水溫;Ks—半飽和常數(shù);KD—溶解氧的降解系數(shù)。

3 紹興平原河網(wǎng)的引水工程

3.1 曹娥江引水工程

紹興城區(qū)曹娥江引水工程是一項(xiàng)將曹娥江水引至紹興市區(qū)，改善紹興市城區(qū)水環(huán)境的綜合性工程。整個(gè)工程東西向橫穿上虞區(qū)、柯橋區(qū)和越城區(qū)，至紹興市城區(qū)，再向北匯流入曹娥江。該工程于2010年底正式通水運(yùn)行。

3.2 浙東引水工程

浙東引水工程的主要任務(wù)是引富春江水向蕭紹寧平原及舟山市補(bǔ)充工業(yè)和農(nóng)灌等一般用水，并兼顧改善水環(huán)境，設(shè)計(jì)引水流量為50 m3/s。

4 河道水質(zhì)情況分析

4.1 引水工程對水質(zhì)改善的影響分析

引水工程對城區(qū)水質(zhì)改善的效果非常明顯。受水區(qū)范圍內(nèi)的河道監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)明顯低于外部區(qū)域。受水區(qū)水質(zhì)指標(biāo)主要受曹娥江引水工程、浙東引水工程、以及南部山區(qū)徑流影響。以實(shí)測高錳酸鹽指數(shù)為例，從圖3中可以看出，曹娥江引水對區(qū)域內(nèi)水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)有明顯的改善效果，浙東引水對水體的改善主要集中在柯橋西北部，對環(huán)城河區(qū)域影響較弱，曹娥江引水則對南環(huán)河等越城區(qū)周邊河道產(chǎn)生明顯影響。

圖3 曹娥江引水工程影響范圍示意圖

4.2 受益區(qū)河道水質(zhì)的月際變化規(guī)律

城區(qū)河道監(jiān)測站點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)存在明顯的月際變化規(guī)律[6]?？傮w上，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)自每年在1—6月份逐漸升高，并自9月份開始至年底逐漸降低，表現(xiàn)為夏季濃度高，冬季濃度低。圖4為2018—2020年間高錳酸鹽指數(shù)和總磷指標(biāo)數(shù)值隨著月度實(shí)測數(shù)據(jù)變化的規(guī)律。

4.3 河道水質(zhì)變化與降雨關(guān)系分析

承前所述，城區(qū)河道水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的月際變化規(guī)律與紹興地區(qū)降雨的月際變化規(guī)律存在很高的關(guān)聯(lián)性，即隨著降雨量的增加，河道水質(zhì)指標(biāo)數(shù)數(shù)值會(huì)相應(yīng)增加；反之，河道水質(zhì)指標(biāo)值相應(yīng)減少。圖5所示為高錳酸鹽指數(shù)和總磷指標(biāo)數(shù)值與降雨量的關(guān)系，其中，水質(zhì)指標(biāo)同上文，降雨量為紹興市平均月降雨量。

圖5 高錳酸鹽指數(shù)和總磷指標(biāo)數(shù)值與降雨量的關(guān)系

4.4 不同引水流量對受水區(qū)的影響分析

引水流量與水質(zhì)指標(biāo)的相應(yīng)關(guān)系采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行研究。對河道情況和邊界條件進(jìn)行合理概化，建立紹興平原河網(wǎng)水質(zhì)模型，分析曹娥江引水對受水區(qū)水質(zhì)改善范圍的影響。采用年平均徑流量和負(fù)荷量作為邊界，以環(huán)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值高錳酸鹽指數(shù)4.0 mg/L，氨氮0.5 mg/L，總磷0.12 mg/L為依據(jù)，引水工程的影響范圍結(jié)果見圖6。從模型計(jì)算結(jié)果可以分析，當(dāng)引水量在10～15 m3/s之間，受益范圍主要包括古城內(nèi)河、環(huán)城河及南部的南環(huán)河、南池江、坡塘江河道，受益河道水面面積1.05 m2，受益水量約3 600 000 m3；當(dāng)引水量為5 m3/s時(shí)，受益范圍主要包括南環(huán)河(坡塘江以東)、南池江、禹陵江、平水西江，而南環(huán)河以北至馬山閘西江其余河道則處于浙東引水工程與曹娥江引水工程的影響范圍之間，水體流動(dòng)緩慢，置換周期較長。

圖6 曹娥江引水工程影響范圍示意圖

4.5 階段性停引對城區(qū)水質(zhì)的影響分析

引水工程階段性停引對城區(qū)河道水質(zhì)影響明顯。以圖7主要代表站點(diǎn)南渡橋、渡東橋、西郭鐵路橋、葛山頭、偏門公路橋的實(shí)測數(shù)據(jù)為分析對象，當(dāng)工程停引之后，河道水質(zhì)指標(biāo)會(huì)明顯提高；停引一段時(shí)間后再啟動(dòng)引水工程，河道水質(zhì)指標(biāo)會(huì)明顯下降。

當(dāng)曹娥江引水工程持續(xù)30 d引水后，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷三項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均數(shù)值較停引期間分別低32%、70%、65%，指標(biāo)值可達(dá)到地表水Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)引水工程停止引水超過30 d時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷三項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均數(shù)值會(huì)逐步上升?；謴?fù)引水后，根據(jù)引水流量大小，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值有不同程度的降低。圖8所示為氨氮指標(biāo)數(shù)值變化與引水量關(guān)系。

圖8 氨氮指標(biāo)數(shù)值與引水天數(shù)關(guān)系

5 實(shí)現(xiàn)紹興平原河網(wǎng)精確引水方案研究

5.1 精準(zhǔn)引水方案總體目標(biāo)

受益區(qū)主要代表站點(diǎn)的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷三項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值分別低于4.0 mg/L、0.5 mg/L、0.12 mg/L。減少水質(zhì)指標(biāo)的月際波動(dòng)，維持水質(zhì)相對穩(wěn)定。以維持受益水體最低生態(tài)流量5.0 m3/s為引水下限,以設(shè)計(jì)最大引水流量15 m3/s為上限，綜合考慮梅汛期、臺(tái)汛期調(diào)度情況，采用模型試算法確定引水量[7-8]。

(1)引水水量調(diào)度。每年11月至次年2月，日平均引水流量為5 m3/s，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(Ⅱ類水)；3—10月(6月份除外)，日平均引水流量為10～15 m3/s，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(Ⅱ類水)；6月，日平均引水流量為15 m3/s(理論推算建議20 m3/s)，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(Ⅱ類水)。

(2)引水啟停調(diào)度。根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況，進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，適當(dāng)減少引水天數(shù)，每年11月至次年2月，按照10 m3/s引7 d停3 d間歇引水，可停引9 d左右；3月、7月、8月和10月，按照15 m3/s引5 d停2 d間歇引水，可停引8 d左右；4月、5月、6月和9月，除了特殊條件下停止引水外，均保持每天引水。

(3)根據(jù)上述建議，在保持持續(xù)引水的情況下，年總引水量約為2.81 億m3，引水天數(shù)為332 d；考慮間歇性引水的情況下，年總引水量為3.26億m3，引水天數(shù)為280 d。

逐月的引水天數(shù)(汛期5—9月引水天數(shù)的依據(jù)是2018年實(shí)際引水天數(shù))和具體引水規(guī)模見表1。

表1 曹娥江引水工程2021年度引水方案表

5.2 降雨的應(yīng)急引水方案

降雨徑流攜帶的地表污染物質(zhì)進(jìn)入水體是導(dǎo)致水質(zhì)污染和指標(biāo)數(shù)值提高的重要因素之一，因此需要在產(chǎn)生明顯的降雨徑流事件之后，在滿足區(qū)域防汛、防臺(tái)任務(wù)的前提下，加強(qiáng)應(yīng)急引水量，以改善河道水質(zhì)狀況。

5.3 枯水期引水方案

枯水期為了維持水體的生態(tài)流量[9]，需要保證5 m3/s以上的生態(tài)基流作為基本的引水流量，并且每個(gè)月保證引水不少于20 d。

圖9以南渡橋?yàn)榇碚荆瑸? m3/s持續(xù)引水、以10 m3/s引7 d，停7 d間歇引水、以15 m3/s引5 d，停10 d間歇引水的氨氮濃度的計(jì)算數(shù)值與引水流量的變化過程示意圖。從圖9可以看出5 m3/s持續(xù)引水情形下，氨氮濃度數(shù)值基本保持穩(wěn)定，10 m3/s、15 m3/s間歇引水一旦停止引水后，約3～5 d氨氮濃度數(shù)值達(dá)到5 m3/s持續(xù)引水的濃度數(shù)值。

圖9 不同引水方式下氨氮濃度計(jì)算數(shù)值變化示意圖

對間歇引水的調(diào)度方式進(jìn)行了改進(jìn)后，從圖10可知，經(jīng)計(jì)算得出：以10 m3/s流量引7 d，停3 d間歇引水，或以15 m3/s流量引5 d，停3 d間歇引水時(shí),可使得氨氮濃度數(shù)值低于目標(biāo)濃度數(shù)值。

圖10 不同引水方式下氨氮濃度計(jì)算數(shù)值變化示意圖

6 結(jié) 論

本次研究構(gòu)建紹興平原河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，探討不同引水流量對區(qū)域水環(huán)境的改善效果，并從決策目標(biāo)水質(zhì)、引水流量等多個(gè)層面綜合考慮，構(gòu)建以環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合的評價(jià)方式，對不同引水方案進(jìn)行評估優(yōu)選，確定出不同目標(biāo)組合下的最優(yōu)化調(diào)度方案。

(1)較小引水流量下對研究區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境改善效果十分有限。引水流量較大時(shí)，能夠有效改善區(qū)域水環(huán)境狀況，適當(dāng)?shù)牧髁考扔欣诟纳颇繕?biāo)水環(huán)境，又能將費(fèi)用降到最低。

(2)在平原河網(wǎng)引水方案制定過程中，引水水量和調(diào)度模式都會(huì)對河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生差異性影響，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行前置規(guī)劃十分必要。在模擬時(shí)還應(yīng)結(jié)合控源截污工程實(shí)施進(jìn)度，將上游污染源分布精準(zhǔn)納入到模型邊界條件中。

(3)本研究建立引水多目標(biāo)與評價(jià)方式，能夠從多個(gè)層面對不同引調(diào)水方案進(jìn)行評估與優(yōu)選，得到綜合考慮環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)方案，為平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境長效管理與科學(xué)決策提供理論參考。