基于EFDC模型的感潮河網(wǎng)地區(qū)閘門調(diào)度研究

張現(xiàn)國，王慧鵬，黃綿松，鄭 蕾*，劉曉芳，3

(1.北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，北京 100044；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

關(guān)鍵字：感潮河網(wǎng)；EFDC；黑臭水體治理；水動(dòng)力水質(zhì)模型

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近十幾年來水環(huán)境問題也逐漸暴露出來，全國范圍內(nèi)水體環(huán)境普遍存在不同程度的污染[1]。污染物負(fù)荷輸入及河道水動(dòng)力條件不足，導(dǎo)致部分城市河流水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。治理黑臭水體可以采用控源截污，內(nèi)源治理和水動(dòng)力調(diào)控等多種手段。其中水動(dòng)力調(diào)控通過對(duì)閘壩、泵站等水工構(gòu)筑物的控制來改善城市河網(wǎng)中的水動(dòng)力條件，從而提升河道水體的自凈能力，降低水體的污染程度，是一種簡單高效的方法[2]。本項(xiàng)研究區(qū)位于福州感潮河網(wǎng)地區(qū)，相比于其他地區(qū)城市河流存在著天然的潮汐自然資源優(yōu)勢(shì)，更適合使用水動(dòng)力調(diào)控進(jìn)行水體治理。潮汐具備強(qiáng)大的動(dòng)能，不僅可以納潮引水，同時(shí)可以將部分污水排出城市河網(wǎng)，對(duì)于感潮地區(qū)通過潮汐引水治理黑臭水體是一種經(jīng)濟(jì)高效的做法，該方法被廣泛應(yīng)用而且切實(shí)可行[3]。

感潮河網(wǎng)地區(qū)水資源豐富，河網(wǎng)水系復(fù)雜，導(dǎo)致如何合理確定水動(dòng)力調(diào)控方案成為能否恢復(fù)河道水環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵問題。而且城市河網(wǎng)承擔(dān)了景觀、行洪排澇、灌溉、納污等多項(xiàng)功能，不同的場(chǎng)景下需要確定不同的調(diào)度方案。因此，需要借助水質(zhì)模型來快速獲取多種情景的結(jié)果以輔助水動(dòng)力調(diào)控。EFDC模型是當(dāng)前廣泛使用的三維水環(huán)境生態(tài)模型，也是美國環(huán)保署(EPA)推薦使用的模型之一。它是威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所的John Hamrick等[4]開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模擬。陳正俠等[5]使用該模型與WASP模型在潮汐河網(wǎng)地區(qū)成功模擬了突發(fā)水污染事件。謝森揚(yáng)等[6]使用該模型成功對(duì)岸線地形復(fù)雜的九龍江口-廈門灣潮汐潮流和鹽度場(chǎng)的時(shí)空變化過程進(jìn)行模擬。劉建波等[7]使用該模型成功對(duì)清瀾潮汐汊道的海灣水交換時(shí)間進(jìn)行模擬。

研究區(qū)為福州倉山龍津陽岐水系。該區(qū)域南北兩側(cè)均受到潮汐作用的影響。在潮水的頂托作用下，河網(wǎng)中的水流反復(fù)震蕩，河道底部污染物上浮進(jìn)入水體形成污染[8]。人為因素的過度干擾，使得河網(wǎng)自然生態(tài)功能逐步喪失，河道水體自凈能力變差，河流逐漸呈現(xiàn)出黑臭的狀態(tài)[9]。研究區(qū)河網(wǎng)的復(fù)雜性及外側(cè)潮汐水位的影響，導(dǎo)致進(jìn)行水動(dòng)力調(diào)控難度較高。因此本文的主要目的是使用EFDC模型模擬感潮河網(wǎng)地區(qū)的水動(dòng)力調(diào)控方案，在保障目標(biāo)河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)前提下，確定最優(yōu)的調(diào)度方案，減少泵站補(bǔ)水的能源消耗。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為倉山龍津陽岐水系，位于福建省福州市南臺(tái)島片區(qū)的中部，位于東經(jīng)119°16′35″～119°21′15″，北緯25°58′50″～26°3′17″，見圖1。福州屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為900～2 100 mm；年平均氣溫為20～25℃。研究區(qū)水系內(nèi)共有13條河流，河道總長度31.43 km，匯水面積約為25.49 km2。研究區(qū)水系北臨閩江、南靠烏龍江，兩江水位每日隨潮汐作用而變化，因此近江河段均修建有水閘，滿足維持河道水位，行洪排澇等功能。研究區(qū)范圍內(nèi)有解放大橋潮位站(圖1)，本文中潮位數(shù)據(jù)均來自于該站。研究區(qū)內(nèi)共涉及菖蒲水閘、江邊水閘等15座水閘及白湖亭河一體化閘泵及陽岐泵站2座泵站。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 研究方法

目前，研究區(qū)水系黑臭水體的治理已經(jīng)基本完成，需要長時(shí)期內(nèi)維持水系水質(zhì)的達(dá)標(biāo)。但是存在強(qiáng)降雨條件下，截流井溢流導(dǎo)致河道水質(zhì)變差的問題。同時(shí)，對(duì)于長時(shí)期的運(yùn)維，還需要盡量降低運(yùn)維成本。水系河道除了要保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)，還需要保證滿足汛期河道行洪要求。因此，本次研究的目標(biāo)主要包括河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)、降低運(yùn)維成本及滿足河道行洪要求。

為了保證整體運(yùn)維調(diào)度的合理性，本研究按照以下方法步驟進(jìn)行：①對(duì)研究區(qū)域內(nèi)閘壩、泵站等可以人為進(jìn)行調(diào)控的設(shè)施基礎(chǔ)特征進(jìn)行分析，確定研究區(qū)內(nèi)水系庫容、過流能力等基礎(chǔ)情況；②選取可以對(duì)研究區(qū)水動(dòng)力及水質(zhì)情況進(jìn)行分析的物理模型，并收集模型構(gòu)建及率定驗(yàn)證所需的相關(guān)資料；③根據(jù)研究區(qū)水系運(yùn)維的不同目標(biāo)，設(shè)定了晴天汛期、雨天汛期、晴天非汛期、雨天非汛期4種工況，并通過模型模擬不同調(diào)度規(guī)則下河道內(nèi)水動(dòng)力及水質(zhì)的變化情況；④依據(jù)考核目標(biāo)，分別評(píng)價(jià)不同調(diào)度規(guī)則的水質(zhì)改善維持效果、運(yùn)維經(jīng)濟(jì)成本及水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，確定最優(yōu)的調(diào)度方案。

1.3 EFDC模型

EFDC模型是開源的三維水質(zhì)模型，是美國最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃工具箱中的重要模擬軟件。模型內(nèi)部分為多個(gè)相互耦合較為緊密的模塊，可以實(shí)現(xiàn)包括水動(dòng)力、溫度、沉積物、波浪、有毒物質(zhì)及水質(zhì)等不同內(nèi)容的模擬[10]。水動(dòng)力模塊是模型基礎(chǔ)，在模擬過程中首先對(duì)水體水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，其次對(duì)其他模塊進(jìn)行模擬。

EFDC模型水平上采用正交曲線網(wǎng)格或者笛卡爾坐標(biāo)網(wǎng)格，垂向上采用σ坐標(biāo)網(wǎng)格。水動(dòng)力控制方程主要遵循的守恒律包括：質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒。水動(dòng)力模塊有3個(gè)主要的假設(shè)：Boussinesq近似假設(shè)，認(rèn)為水密度不隨壓力而變化；靜水壓近似，認(rèn)為水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，垂向加速度近似為零；準(zhǔn)3D近似，在垂向上采用分層求解，避免了完全求解三維Navier-Stokes方程。EFDC動(dòng)量方程、連續(xù)方程及狀態(tài)方程為[11]:

?t(mHu)+?x(myHuu)+?y(mxHvu)+?z(mwu)-(mf+v?xmy-u?ymx)Hv=-myH?x(gζ+p)-

my(?xh-z?xH)?zp+?z(mH-1AV?zu)+Qu

(1)

?t(mHu)+?x(myHuv)+?y(mxHvv)+?z(mmv)+(mf+v?xmy-u?ymx)Hu=-mxH?y(gζ+p)-mx(?yh-z?yH)?zp+?z(mH-1Av?zv)+Qv

(2)

?zp=-gH(ρ-ρ0)ρ0-1=-gHb

(3)

?t(mζ)+?x(myHu)+?y(mxHv)+?z(mw)=0

(4)

(5)

ρ=ρ(p,S,T)

(6)

?t(mHS)+?x(myHuS)+?y(mxHvS)+

?z(mwS)=?z(mH-1Ab?zS)+QS

(7)

?t(mHT)+?x(myHuT)+?y(mxHvT)+

?z(mwT)=?z(mH-1Ab?zT)+QT

(8)

式中u、v、w——邊界擬合正交曲線坐標(biāo)x、y、z方向上的速度分量；mx、my——度量張量的對(duì)角分量的平方根；m=mxmy為度量張量行列式的平方根；Av——垂向紊動(dòng)黏滯系數(shù)；Qu、Qv——?jiǎng)恿吭磪R項(xiàng)；p——壓力；S——密度；T——溫度；H——總水頭；QS、QT——鹽度、溫度的源匯項(xiàng)。

2 模型構(gòu)建及率定驗(yàn)證

2.1 EFDC模型構(gòu)建

網(wǎng)格劃分是EFDC模型運(yùn)行的基礎(chǔ)，在考慮到時(shí)間成本的情況下，模型網(wǎng)格數(shù)量越多，模型運(yùn)行得到的精度越高。研究區(qū)河道平均水深為2 m，采用二維正交曲線網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)河道進(jìn)行概化，最終得到2 503個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格水體區(qū)域共143.11 hm2，網(wǎng)格平均DX190.16 m，DY 26.94 m，網(wǎng)格正交誤差為2.971°。

模型的主要邊界條件為水位開邊界，主要分布于靠近南北兩側(cè)的水閘處。模型的率定及驗(yàn)證期采用對(duì)應(yīng)日期內(nèi)的實(shí)測(cè)潮汐水位。對(duì)應(yīng)的不同工況下的邊界條件為汛期及非汛期典型潮位。閩江口為強(qiáng)潮陸相口，潮型為規(guī)則半日潮，潮汐一天有2個(gè)周期，12 h 50 min為一周期，漲潮約5 h，落潮7.25 h，潮汐特征表見表1。根據(jù)解放大橋歷史潮位數(shù)據(jù)，分別選取非汛期及汛期典型潮位，見圖2。該研究區(qū)內(nèi)的主要潮汐邊界條件均由閘泵進(jìn)行控制，共概化13處閘門、5處涵管和2處引水泵站。2處引水泵站分別位于陽岐河南側(cè)及白湖亭河南側(cè)，均可以向河道提供4 m3/s的流量。閘門的啟閉規(guī)則主要根據(jù)不同工況下的目標(biāo)來設(shè)定。

表1 解放大橋潮汐特征

圖2 解放大橋非汛期及汛期典型潮位

河床糙率是水動(dòng)力模型構(gòu)建過程中的一個(gè)重要參數(shù)，是反映河道對(duì)水流阻力影響的一個(gè)綜合性無量綱數(shù)。通過模型率定確定河道整體糙率為0.035。模型時(shí)間步長選用動(dòng)態(tài)時(shí)間步長，最大動(dòng)態(tài)時(shí)間步長為0.15 s。

氣象數(shù)據(jù)來源為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括氣溫、降雨、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和日照時(shí)數(shù)，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為一小時(shí)。太陽輻射數(shù)據(jù)采用日照時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算公式見童成立等[12]研究。

2.2 模型率定驗(yàn)證

為確保建立的模型能夠反映研究區(qū)的水動(dòng)力及水質(zhì)特點(diǎn)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，時(shí)期為2017年7月28日至2017年8月4日。在此期間，閘門及泵站的啟閉條件設(shè)定主要依據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)閘站運(yùn)行記錄表，將對(duì)應(yīng)的閘站啟閉規(guī)則概化為時(shí)間序列條件輸入到模型中。水動(dòng)力模擬結(jié)果選用2017年7月28日9:00—16:00實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，水動(dòng)力模擬結(jié)果良好，反映出了河道內(nèi)水位變化的趨勢(shì)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)LJYZ1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)BYT1，水位模擬相對(duì)誤差分別為8.26%和1.70%，均小于10%。處于河網(wǎng)中心區(qū)域的BYT1監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化幅度較小，且水位峰值出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于離外江更近的LJYZ1處有所推后。

圖3 2017年7月28日水位模擬結(jié)果

每天對(duì)整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布見圖1。溶解氧和氨氮是環(huán)境水體污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以用于衡量水生系統(tǒng)能否維持平衡。此外，溶解氧和氨氮也是城市黑臭水體分級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。因此本次對(duì)模型的驗(yàn)證采用的指標(biāo)主要為溶解氧和氨氮，模擬結(jié)果見圖4、5。BHT3及LJYZ1監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的DO的相對(duì)誤差分別為16.99%、19.61%，氨氮的相對(duì)誤差分別為20.32%、28.15%，模型基本上可以反映出水體溶解氧和氨氮的變化趨勢(shì)。

圖4 BHT3水質(zhì)模擬結(jié)果

圖5 LJYZ1水質(zhì)模擬結(jié)果

3 結(jié)果

3.1 模型設(shè)定

基于率定驗(yàn)證完成的模型，以圖2中非汛期及汛期潮位為基礎(chǔ)邊界條件，模擬連續(xù)4 d采用設(shè)定的運(yùn)維調(diào)度規(guī)則情況時(shí)，研究區(qū)內(nèi)水體水質(zhì)不同目標(biāo)下的恢復(fù)情況。對(duì)于河網(wǎng)水系的運(yùn)維調(diào)度，需要考慮到非汛期及汛期河道行洪的需求，因此在汛期維持河道處于較低水位保證行洪，在非汛期適當(dāng)維持較高水位保證水質(zhì)。結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，采用南引北排方案：外江水位處于高潮時(shí)，利用南部的陽岐閘泵、白湖亭閘泵引水；外江水位處于低潮時(shí)，利用北部的龍津一支河水閘及龍津河水閘排水，實(shí)現(xiàn)整個(gè)研究區(qū)內(nèi)水流從南到北的單向流動(dòng)。

調(diào)度的水質(zhì)目標(biāo)主要是氨氮濃度，并以此將水體分為4種情況：不合格(≥8 mg/L)、合格(<8 mg/L)、良好(<6 mg/L)、優(yōu)秀(<4 mg/L)。不溢流情況下水質(zhì)必須達(dá)標(biāo)，并盡量維持優(yōu)秀；溢流情況下需要在72 h內(nèi)將水質(zhì)恢復(fù)合格。

3.2 模擬結(jié)果

非汛期不溢流工況下，分別對(duì)不同的引水方式、補(bǔ)水閘泵及水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行了模擬，以期獲取最經(jīng)濟(jì)及高效的水質(zhì)恢復(fù)調(diào)度方式。

當(dāng)采用潮差及2個(gè)泵站同時(shí)打開引水時(shí)，水質(zhì)恢復(fù)最不利的河段均為半洋亭河，見表2。半洋亭河位于整個(gè)潮汐河網(wǎng)的中心區(qū)域，相對(duì)于其他河道，距離補(bǔ)水及排水閘門都很遠(yuǎn)。當(dāng)同時(shí)采用研究區(qū)南側(cè)陽岐河及白湖亭河進(jìn)行補(bǔ)水時(shí)，由于陽岐河及白湖亭河各自河道的高程、河寬等特征不同，補(bǔ)水在半洋亭河兩端形成頂托作用，導(dǎo)致半洋亭河流向反復(fù)，見圖6，短時(shí)間內(nèi)河道內(nèi)污染物無法排出河道。

圖6 非汛期不溢流采用潮差引水工況下半洋亭河流速和流向(流向相對(duì)于模型方向)

非汛期不溢流工況下，主要考慮水質(zhì)由合格恢復(fù)到良好、良好恢復(fù)到優(yōu)秀的過程。采用不同的引水方式及開啟不同的閘壩可以得到不同的效果。對(duì)于潮差引水方式，研究區(qū)內(nèi)水體從合格恢復(fù)到良好的時(shí)間花費(fèi)最多，但引用水量最少，充分利用潮汐進(jìn)行補(bǔ)水是最為經(jīng)濟(jì)的一種方式。但是由于采用潮汐在短時(shí)間內(nèi)換水水量有限，無法使得研究區(qū)內(nèi)水體快速恢復(fù)優(yōu)秀。對(duì)于泵站引水方式合格到良好的水質(zhì)目標(biāo)下，同時(shí)開啟2個(gè)泵站所需恢復(fù)時(shí)間最短，但是引水水量也最多，相比于單采用白湖亭河及陽岐河泵站分別多引35.5%、51.4%；單采用白湖亭河泵站所需時(shí)間和水量相比其他方式都處于中等水平；單采用陽岐河泵站所用水量最少，但是恢復(fù)時(shí)間也是泵站引水中相對(duì)最長的。綜合考慮到泵站開啟后需要消耗能源的經(jīng)濟(jì)成本及水體水質(zhì)恢復(fù)效果情況，溢流情況下應(yīng)采用白湖亭泵站恢復(fù)河道水質(zhì)，并在不發(fā)生溢流的情況下采用潮差引水來維持河道內(nèi)水質(zhì)為良好。

汛期工況和非汛期工況類似，但是由于整個(gè)研究區(qū)內(nèi)河道需保持較低水位，在不溢流情況下采用潮差引水時(shí)，短時(shí)間內(nèi)河道可換水量不足，從而導(dǎo)致在4 d模擬周期內(nèi)水質(zhì)無法從合格恢復(fù)到良好。整體而言，汛期情況各種方式下，水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間要長于非汛期。綜合考慮到經(jīng)濟(jì)、防汛和水質(zhì)恢復(fù)效果，在汛期應(yīng)采用白湖亭河泵站進(jìn)行水質(zhì)恢復(fù)及維系。

表2 非汛期不溢流工況下模擬結(jié)果

表3 非汛期溢流工況下模擬結(jié)果

表4 汛期不溢流工況下模擬結(jié)果

表5 汛期溢流工況下模擬結(jié)果

4 討論

感潮河網(wǎng)地區(qū)水系一般較為復(fù)雜，根據(jù)與潮汐補(bǔ)水口的距離遠(yuǎn)近不同，水動(dòng)力及水質(zhì)條件均不相同。一般而言，外江水質(zhì)要明顯優(yōu)于河網(wǎng)內(nèi)部水質(zhì)。而且靠近外江的區(qū)域水動(dòng)力條件也優(yōu)于河網(wǎng)內(nèi)部[13]。這就導(dǎo)致了河網(wǎng)中心區(qū)域的水動(dòng)力條件及水質(zhì)狀況相對(duì)較差。因此，采用水動(dòng)力調(diào)控時(shí)，應(yīng)盡量避免使用雙向閘門或泵站進(jìn)行引水，以免造成河道內(nèi)部的水流流向反復(fù)，水體震蕩對(duì)河道水質(zhì)造成負(fù)面影響。采用泵站引水，是一種改善河道水質(zhì)的高效方法，對(duì)于非汛期不溢流，水質(zhì)從合格到良好，白湖亭河泵站、陽岐河泵站和同時(shí)開啟2個(gè)泵站比潮差引水的恢復(fù)時(shí)間分別縮短29.6%、18.3%和21.8%，而且某些工況下必須采用泵站引水才可以使水體保持優(yōu)秀目標(biāo)。但是值得注意的是，采用泵站補(bǔ)水需要確保有效補(bǔ)水，從合格到良好，采用白湖亭河泵站、陽岐河泵站和同時(shí)開啟2個(gè)泵站分別補(bǔ)水74.8萬、49.4萬、55.2萬m3，開啟單側(cè)泵站恢復(fù)時(shí)間均大于同時(shí)開啟兩側(cè)泵站，因此保持河道內(nèi)水流流向穩(wěn)定，對(duì)水質(zhì)恢復(fù)及維系效果最佳[14]。

模型作為一種輔助手段，可以對(duì)復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)的水系治理及運(yùn)維起到一定的指導(dǎo)作用[15]。使用模型對(duì)污染物溢流及一些突發(fā)水體污染事件進(jìn)行提前模擬，可以為短時(shí)間內(nèi)滿足恢復(fù)水質(zhì)要求提前做出應(yīng)對(duì)措施方案，提升運(yùn)維水系管理水平。同時(shí)，使用EFDC模型可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的模擬方案進(jìn)行模擬，來探尋最優(yōu)的水動(dòng)力調(diào)控規(guī)則。

5 結(jié)論

綜上，EFDC模型可以模擬復(fù)雜的感潮河網(wǎng)地區(qū)閘泵的水動(dòng)力調(diào)控，輔助應(yīng)急方案制定及尋求最優(yōu)運(yùn)維策略。采用泵站補(bǔ)水可以快速改善河道內(nèi)水質(zhì)，相比于潮差引水，非汛期不溢流工況下，水質(zhì)從合格到良好恢復(fù)時(shí)間可以縮短18.3%～29.6%。感潮河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)根據(jù)水系特點(diǎn)，通過調(diào)度使水流流向單一穩(wěn)定，有利于整體河網(wǎng)的水質(zhì)恢復(fù)及水系運(yùn)維。