濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)智慧調(diào)水方案研究

許建平 陳伯進(jìn) 康艷萍 丁金鳳 蘆荀

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210017；2.江陰市白屈港水利樞紐工程管理處，江蘇江陰 214400）

1.研究區(qū)域

江陰市位于 31°40′34″N～31°57′36″N，119°59′～120°34′30″E，北枕長(zhǎng)江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州。地處太湖平原河網(wǎng)區(qū)，境內(nèi)河港縱橫交叉、溝塘密布，河流密度4.98km/km2，水勢(shì)流向比較復(fù)雜；總面積約為986.97km2，陸地面積811.7km2，水域面積175.8km2，其中長(zhǎng)江水面56.7km2。沿江深水岸線長(zhǎng)達(dá)35km，城市建成區(qū)面積125km2，全區(qū)地貌主要分為長(zhǎng)江沖積平原、太湖水網(wǎng)平原及低山丘陵。江陰屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明、光照充足、雨量豐沛。年平均氣溫15.8℃，歷年最高氣溫41.3℃，歷年最低氣溫-14.2℃，年平均日照數(shù)2113.3h，平均無(wú)霜期227d，平均降雨量1117.1mm，年最大降雨量2217.5mm（2016年），年最小降雨量為581.8mm（1978年）。多年平均日照數(shù)為2026.6h。

2.研究方法

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1 水文水動(dòng)力模型

（1）降雨徑流模型。根據(jù)江陰市地理特征，將江陰市土地利用分為旱地、水面、水田、建設(shè)用地四大類。分別采用上述4類下墊面產(chǎn)水模式，模擬江陰市降雨產(chǎn)流過(guò)程。

（2）坡面匯流模塊。根據(jù)江陰市河道、泵閘，將區(qū)域劃分成多個(gè)河網(wǎng)多邊形，各單元內(nèi)可以分別建立分布式水文模型，對(duì)水面、水田、旱地、建設(shè)用地等不同下墊面的分布特征分別建立產(chǎn)匯流模型，最后耦合形成本小區(qū)內(nèi)的分布式水文模型。在各多邊形區(qū)域中近似劃分各河道的集雨面積，采用近似單位線的方法確定每個(gè)河道集雨區(qū)的坡面匯流時(shí)間。將該河道集雨面積上的產(chǎn)流按照單位線法以旁側(cè)入流的形式均勻匯入該河道。

（3）河網(wǎng)水動(dòng)力模型。江陰市水動(dòng)力模型可分為一維河道模型、零維模型，前者用于模擬平原河網(wǎng)內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)，后者則主要考慮湖泊、塘壩、葦蕩等的調(diào)蓄作用。

（4）水利工程模型。水閘、泵站等水利工程是江陰白屈港水環(huán)境調(diào)度中最重要的控制工具，可通過(guò)水力學(xué)的方法來(lái)模擬水閘、泵站等的水流運(yùn)動(dòng)[1]。

（5）工程調(diào)度模型?；诮幩乃畡?dòng)力模型及水利工程模型，通過(guò)水利工程運(yùn)行規(guī)則來(lái)控制各閘、泵等水利工程的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)江陰市白屈港的調(diào)水。

2.1.2 水環(huán)境模型

（1）污染負(fù)荷模型。非點(diǎn)源污染負(fù)荷的定量化研究是流域污染治理的重要基礎(chǔ)性工作，針對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)，將區(qū)域非點(diǎn)源污染分為城市和城鎮(zhèn)降雨徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等五種類型，分別計(jì)算其流失過(guò)程。污染負(fù)荷模型從結(jié)構(gòu)上分為產(chǎn)生模塊和處理模塊兩大部分，產(chǎn)生模塊用于計(jì)算各種污染源的產(chǎn)生量；處理模塊計(jì)算污染物經(jīng)過(guò)各個(gè)處理單元后的污染負(fù)荷入河量。

（2）河網(wǎng)水質(zhì)模型。河網(wǎng)模型系統(tǒng)中的水質(zhì)模型分別是調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水質(zhì)模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型。調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水質(zhì)模型主要模擬流域內(nèi)除太湖以外的湖泊水質(zhì)變化規(guī)律，河網(wǎng)水質(zhì)模型用于研究太湖平原河網(wǎng)污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。水質(zhì)模型與水量模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進(jìn)行數(shù)值離散。

（3）來(lái)水組成。來(lái)水組成模型是以水質(zhì)模擬計(jì)算為基礎(chǔ)的，在模型方程中只考慮了對(duì)流項(xiàng)，沒(méi)有考慮源項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果不同于水質(zhì)模擬，來(lái)水組成計(jì)算有理論解，考慮了所有水源，對(duì)任何一個(gè)河段或斷面，各種來(lái)水組成比例總和等于1或100%。

2.2 方法實(shí)施

首先基于河道地形、湖泊地形、水利工程規(guī)模及位置等資料，構(gòu)建水動(dòng)力模型[2]，基于行政分區(qū)、下墊面信息、流域站網(wǎng)、水田灌溉資料等，構(gòu)建水文模型[3]，基于區(qū)域取排水、污染負(fù)荷資料等，構(gòu)建取排水模型及污染負(fù)荷模型，并采用2018—2019年水文水環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量水質(zhì)的模擬。在了解現(xiàn)有調(diào)水路線的基礎(chǔ)上，基于白屈港水環(huán)境調(diào)水模型，模擬、分析各調(diào)水方案下湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水環(huán)境改善情況。

3.研究結(jié)果

基于白屈港調(diào)水模型，組合各水利工程不同的運(yùn)行方式[4]，形成多種調(diào)水方案，模擬、分析不同調(diào)水方案下各水利工程對(duì)晃山橋、湖莊橋、鳳凰三站水環(huán)境狀況的影響；篩選、推薦分別滿足三站、二站、單站水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求的3種較優(yōu)調(diào)水方案。將上述3種方案通過(guò)調(diào)度預(yù)案的方式設(shè)入模型，實(shí)現(xiàn)3種調(diào)水方案的智能決策。

3.1 湖莊橋、鳳凰、晃山橋水質(zhì)改善調(diào)水方案

白屈港樞紐引水流量為80m3/s，白屈港西側(cè)各閘（東橫河?xùn)|閘、西閘、斜涇河閘、馮涇河閘、青祝河閘、文林節(jié)制閘）基本關(guān)閉，白屈港東側(cè)蘆墩浜閘、周莊套閘、文林套閘、璜塘套閘、祝塘套閘等適當(dāng)開(kāi)啟，使長(zhǎng)江來(lái)水分別主要通過(guò)蘆墩浜閘、璜塘閘、周莊套閘（或祝塘套閘）、文林套閘，沿白屈港河段、張家港河段、富貝河段、東清河段等完成湖莊橋、晃山橋、及鳳凰三站水環(huán)境循環(huán)改善[5]。調(diào)水路線見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)水路線圖

基于上述調(diào)水方案，依據(jù)2020年歷史水文水環(huán)境資料，模擬、計(jì)算2020年平水期1月湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水質(zhì)情況。通過(guò)調(diào)水方案，湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水環(huán)境狀況基本可達(dá)Ⅲ類水。水質(zhì)氨氮濃度具體結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水質(zhì)模擬圖

從上圖中可以看出，該調(diào)水方案下湖莊橋水質(zhì)改善最完全，鳳凰次之，晃山橋最差。

3.2 湖莊橋、鳳凰水質(zhì)改善調(diào)水方案

湖莊橋水環(huán)境改善主要通過(guò)白屈港輸水河段，經(jīng)過(guò)璜塘套閘引江水來(lái)實(shí)現(xiàn)。而鳳凰水環(huán)境改善則主要通過(guò)璜塘套閘、祝塘套閘，經(jīng)過(guò)張家港河、青祝運(yùn)河引江水實(shí)現(xiàn)。在調(diào)水時(shí)，白屈港抽水站流量保持80m3/s，關(guān)閉白屈港西側(cè)各閘，開(kāi)啟周莊套閘、祝塘套閘。本調(diào)水路線下，湖莊橋和鳳凰橋的水質(zhì)均有較大程度的改善，濃度達(dá)到Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)。表明該方案可以達(dá)到改善2個(gè)站點(diǎn)水質(zhì)的效果。

3.3 晃山橋水質(zhì)改善調(diào)水方案

晃山橋位于江陰市白屈港調(diào)水區(qū)域東南的東清河上，水質(zhì)狀況主要受周莊套閘、文林套閘等運(yùn)行影響較大。在調(diào)水過(guò)程中，需關(guān)閉白屈港西側(cè)各閘，開(kāi)啟璜塘套閘、文林套閘，使長(zhǎng)江水盡可能多地到達(dá)晃山橋。本調(diào)水方案下，晃山橋站長(zhǎng)江來(lái)水比例為10%～20%，晃山橋水質(zhì)在持續(xù)調(diào)水之后可以達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)論與展望

本文基于白屈港調(diào)水模型，組合各類白屈港調(diào)水水利工程運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)、構(gòu)建各類調(diào)水方案。并采用歷史水文水環(huán)境資料，模擬、分析各類調(diào)水方案下晃山橋、湖莊橋、鳳凰3站的水質(zhì)濃度情況。依據(jù)晃山橋、湖莊橋、鳳凰3站水環(huán)境達(dá)到Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)，篩選、推薦江陰市白屈港水環(huán)境調(diào)度較優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)江陰市白屈港水環(huán)境的優(yōu)化調(diào)度。

由于本文僅利用部分邊界資料，長(zhǎng)江大通站缺少水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，大通水質(zhì)邊界采用Ⅰ類水來(lái)模擬，楊林站缺少實(shí)測(cè)水質(zhì)、潮位資料，楊林水質(zhì)邊界、潮位邊界均采用肖山實(shí)測(cè)水質(zhì)、水位數(shù)據(jù)來(lái)模擬，常州、太湖缺少實(shí)測(cè)水質(zhì)資料，二者水質(zhì)邊界分別采用璜土丁莊、瓜涇口西來(lái)模擬。另外，缺少沿江樞紐、望亭立交等重要水利樞紐的具體運(yùn)行規(guī)則資料。上述資料的缺失，勢(shì)必會(huì)影響模擬精度，后期應(yīng)加強(qiáng)資料收集和研究。