連云港市區(qū)水環(huán)境改善的河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控

潘志富， 王小青， 孫 陽(yáng)

(連云港市市區(qū)水工程管理處， 江蘇 連云港 222003)

城市水環(huán)境是城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要保障。如何改善城市水環(huán)境、如何應(yīng)用新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市河道的長(zhǎng)效久治和智慧化管理，是自然科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題和前沿問(wèn)題，也是城市發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

本文以連云港市為例，通過(guò)摸底調(diào)查，梳理連云港市區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境現(xiàn)狀，識(shí)別主要污染源和水環(huán)境脅迫因素，系統(tǒng)構(gòu)建一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，綜合模擬和預(yù)測(cè)不同情景、不同調(diào)控方案下的污染物輸移擴(kuò)散過(guò)程，提出面向水環(huán)境改善的河網(wǎng)多閘聯(lián)動(dòng)調(diào)控方案，探索長(zhǎng)效久治的智慧化河道管理模式。為城市河網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)度、智慧管理、科學(xué)決策和快速響應(yīng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為連云港市實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)發(fā)展、后發(fā)先至”提供水環(huán)境保障和技術(shù)支持。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 研究區(qū)域

連云港市地處江蘇省北端，位于北緯33°58′55″～35°08′30″，東經(jīng)118°24′03″～119°54′51″之間。連云港市水系基本屬于淮河流域沂沭泗水系，位于淮河流域沂沭泗水系的最下游，沂沭地區(qū)的主要排洪河道新沂河、新沭河等均從市內(nèi)入海，處在江蘇省供水網(wǎng)絡(luò)的末梢，既是水資源較為緊缺的地區(qū)，又是著名的洪水走廊[1]。研究區(qū)域涉及玉帶河、大浦河、龍尾河、東鹽河和排淡河5條河流，電廠閘、玉帶河閘等9座閘門(mén)，2處省考斷面及3處國(guó)考斷面。本文以連云港市區(qū)4條典型調(diào)水路線(xiàn)為研究目標(biāo)，進(jìn)行河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控研究。

1.2 主要污染源和水環(huán)境脅迫因素

2016年至今，連云港市相繼實(shí)施了“清水進(jìn)城”工程建設(shè)項(xiàng)目、黑臭水體整治項(xiàng)目，開(kāi)展了生態(tài)調(diào)水工作。目前，市區(qū)河道已初步實(shí)現(xiàn)了從“清水進(jìn)城”到“碧水繞城”的蛻變，連云港市區(qū)水環(huán)境問(wèn)題得到了有效改善，但市區(qū)河道仍存在突發(fā)污染的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)資料顯示，連云港市區(qū)河道主要污染物為氨氮，主要污染源為生活污水，2017—2018年國(guó)考斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，個(gè)別月份氨氮濃度超出Ⅳ類(lèi)，甚至Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，水環(huán)境容量為負(fù)[1-2]。本文以氨氮做為連云港市區(qū)水環(huán)境脅迫因素，構(gòu)建連云港市區(qū)河道一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，模擬不同情景下連云港市區(qū)河道內(nèi)氨氮的輸移擴(kuò)散規(guī)律，為連云港市實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)發(fā)展、后發(fā)先至”提供水環(huán)境保障和技術(shù)支持。

2 模型建立

2.1 模型控制方程

2.1.1 一維水動(dòng)力模型控制方程

采用一維圣維南方程描述河流水動(dòng)力特征，由反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)性方程和反映動(dòng)量守恒定律的動(dòng)量方程共同刻畫(huà)。根據(jù)流域上下游拓?fù)潢P(guān)系，將模型計(jì)算區(qū)域分成不同單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)計(jì)算，控制方程如下：

(1)

(2)

式中：Q為流量；A河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；z為水位；u為流速；g為重力加速度；Cn為河段的謝才系數(shù)；R水力半徑；n為河床糙率系數(shù)；q為區(qū)間入流。

2.1.2 一維水質(zhì)模型控制方程

描述河流水系污染物輸移運(yùn)動(dòng)和濃度變化規(guī)律的控制方程為對(duì)流擴(kuò)散方程，其方程形式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：D為彌散系數(shù)；C為河段中某種污染物的濃度；t為時(shí)間；x為河水流動(dòng)的距離；u為河段水流的平均流速；S為污染源匯項(xiàng)。

河流的彌散系數(shù)是分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)與縱向離散系數(shù)之和，但縱向離散系數(shù)一般要比分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)大得多，當(dāng)河流的彌散系數(shù)很小時(shí)，一般可以忽略，即D=0，入式(4)。對(duì)于均勻河段，流量和排污穩(wěn)定時(shí)，各斷面的污染濃度不隨時(shí)間變化，如式(5)。

2.2 河網(wǎng)概化

對(duì)研究區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行概化，玉帶河4.2 km、大浦河10.2 km、龍尾河5.1 km、東鹽河27.2 km和排淡河17.1 km河道斷面根據(jù)設(shè)計(jì)資料確定；研究區(qū)域內(nèi)涉及的閘門(mén)、泵站按照模型中可控建筑物進(jìn)行概化，其中玉帶河閘與玉龍泵站為分流節(jié)點(diǎn)，大浦閘、新城閘和大板跳閘為水位控制節(jié)點(diǎn)。

2.3 邊界與參數(shù)

邊界：模型上游邊界以流量做為控制條件，位于電廠閘處；模型下游邊界以水位進(jìn)行控制，由于缺乏基礎(chǔ)資料，水位根據(jù)明渠均勻流公式進(jìn)行推求，位于大浦閘、新城閘和大板跳閘處。

糙率：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，治理后混凝土河道糙率取0.02[3]。

分流比：玉帶河閘處分流比為1∶2，上游來(lái)水的1/3流向大浦河，2/3流向東鹽河；玉龍泵站處分流比為1∶2，上游來(lái)水的1/3流向龍尾河，同時(shí)滿(mǎn)足龍尾河過(guò)流量不大于8 m3/s。

氨氮目標(biāo)質(zhì)量濃度：以研究區(qū)域考核斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為目標(biāo)，氨氮質(zhì)量濃度設(shè)定為2.0 mg/L(Ⅴ類(lèi)水)。

2.4 情景工況設(shè)計(jì)

本文連云港市區(qū)河道水質(zhì)指標(biāo)中最容易超標(biāo)的氨氮為例進(jìn)行模擬，由于調(diào)水路線(xiàn)較短，氨氮在河道中的降解有限，因此在模擬過(guò)程中不考慮其降解。構(gòu)建的一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型中氨氮的運(yùn)動(dòng)包括輸移和擴(kuò)散兩種，其中擴(kuò)散主要發(fā)生在兩個(gè)不同濃度水體的交界面，從濃度低向濃度高方向擴(kuò)散，擴(kuò)散速度有限，同時(shí)本次模擬涉及的距離較短，在模擬過(guò)程中氨氮的擴(kuò)散作用相較輸移作用基本可以忽略不計(jì)[3-5]。

在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果及相關(guān)資料，設(shè)計(jì)了4個(gè)電廠閘引水流量梯度，分別為10 m3/s、20 m3/s、30 m3/s和40 m3/s，引水水體的水質(zhì)按V類(lèi)設(shè)定，氨氮質(zhì)量濃度為2.0 mg/L；河段內(nèi)氨氮質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)3個(gè)梯度，分別在Ⅴ類(lèi)水的基礎(chǔ)上，分布按照超標(biāo)10%、30%和50%設(shè)定，共組合設(shè)計(jì)12種典型情景如表1所示。

表1 典型情景組合

(續(xù)表1)

3 模擬結(jié)果分析

將4條調(diào)水路線(xiàn)與12種典型情景進(jìn)行組合，形成48種調(diào)水方案進(jìn)行模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，模擬結(jié)果如表2所示，發(fā)現(xiàn)48種調(diào)水方案整體上存在相同趨勢(shì)。以調(diào)水路線(xiàn)1猴嘴閘上游500 m處省控?cái)嗝鏋槔?，在相同的流量下，隨著河段內(nèi)氨氮初始濃度的增加，同一考核斷面氨氮濃度達(dá)標(biāo)的時(shí)間基本一致(圖1)；在氨氮濃度相同下，隨著引水流量的增加，同一考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的時(shí)間有所減少，但減少的幅度隨著流量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖2)。

表2 典型情景模擬結(jié)果分析

(續(xù)表2)

圖1 調(diào)水路線(xiàn)1同流量下猴嘴閘上游500 m省控?cái)嗝婺M結(jié)果

圖2 調(diào)水路線(xiàn)1同質(zhì)量濃度下猴嘴閘上游500 m省控?cái)嗝婺M結(jié)果

4 河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控建議

對(duì)48種調(diào)水方案模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)間、氨氮質(zhì)量濃度和電廠閘引水流量關(guān)系。結(jié)果顯示，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的水量最少為考量時(shí)，推薦在連云港市區(qū)河道省控或者國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)超標(biāo)時(shí)選擇情景1進(jìn)行調(diào)水，此情景下電廠閘引水流量為10 m3/s，調(diào)水路線(xiàn)需根據(jù)考核斷面位置選擇；綜合考量水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需時(shí)間和水量時(shí)，推薦在連云港市區(qū)河道省控或者國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)超標(biāo)時(shí)選擇情景8進(jìn)行調(diào)水，此情景下電廠閘引水流量為30 m3/s，調(diào)水路線(xiàn)需根據(jù)考核斷面位置選擇。

圖3以猴嘴閘上游500 m處省控?cái)嗝鏋槔?，展示了不同調(diào)水路線(xiàn)下，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的時(shí)間，結(jié)果顯示，調(diào)水路線(xiàn)1、2水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的時(shí)間基本相同，調(diào)水路線(xiàn)4在引水流量較低時(shí)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需時(shí)間較其余兩條調(diào)水路線(xiàn)長(zhǎng)，引水流量較高時(shí)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的時(shí)間和其余兩條調(diào)水路線(xiàn)接近。因此，在實(shí)際調(diào)水過(guò)程中，可根據(jù)此規(guī)律合理選擇調(diào)水路線(xiàn)。

圖3 猴嘴閘上游500 m省控?cái)嗝嫠|(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)間

5 結(jié) 論

本文以連云港市為例，通過(guò)調(diào)查分析識(shí)別其主要污染源和水環(huán)境脅迫因素，構(gòu)建了一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，模擬了48種河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控典型情景下，市區(qū)主要污染物氨氮在河道中輸移擴(kuò)散規(guī)律，提出了面向水環(huán)境改善的連云港市區(qū)河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控建議，主要結(jié)論如下：

相同引水流量下，隨河段內(nèi)氨氮初始質(zhì)量濃度的增加，同一考核斷面氨氮質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)的時(shí)間基本一致；

相同氨氮初始質(zhì)量濃度下，隨著引水流量的增加，同一考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的時(shí)間有所減少，但減少的幅度隨著流量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；

基于氨氮在河道中輸移擴(kuò)散規(guī)律，建議連云港市在水質(zhì)調(diào)控過(guò)程中，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需的水量最少為考量時(shí)，推薦選擇10 m3/s的小流量方案調(diào)水；綜合考量水質(zhì)達(dá)標(biāo)所需時(shí)間和水量時(shí)，推薦選擇30 m3/s的中等流量方案調(diào)水，調(diào)水路線(xiàn)均需根據(jù)考核斷面位置選擇。