調(diào)水引流改善平原河網(wǎng)水質(zhì)分析及優(yōu)化調(diào)度方案研究

何妙妙 司黎晶 王 姣

(1.蘇州市吳中區(qū)水務(wù)局，江蘇 蘇州 215104;2.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.蘇州市相城區(qū)漕湖街道建設(shè)管理辦公室，江蘇 蘇州 215011)

城市水環(huán)境提升是生態(tài)文明建設(shè)的主要內(nèi)容之一,水環(huán)境治理是城市水利建設(shè)的重要組成部分。隨著城市化建設(shè)的加速、城市化率進程的加快,城市產(chǎn)生的污水越來越多,而城市污水處理基礎(chǔ)設(shè)施與城市化進程的不匹配,導(dǎo)致城市水環(huán)境越來越惡劣[1-3]。平原河網(wǎng)通過調(diào)水引流、增大河道流量、提升河道流速等措施可有效提高河流本身的自凈能力,改善河道水體流動條件,提升水環(huán)境質(zhì)量[4]?？茖W(xué)的調(diào)水引流是實現(xiàn)城市水系連通,改善城市水環(huán)境的重要舉措。目前的調(diào)水引流對城市河道水環(huán)境的改善集中于引水水量和引水水質(zhì)[5-8],閘泵堰等水利工程的聯(lián)合調(diào)度對水環(huán)境的研究成果頗豐[9-11],調(diào)水引流的研究對地區(qū)城市內(nèi)河環(huán)境的改善有重要的借鑒意義。

蘇州市吳中區(qū)作為環(huán)太湖重要城市,是典型平原河網(wǎng)區(qū),區(qū)內(nèi)河港縱橫,湖泊眾多,依托外圍河網(wǎng)發(fā)展,區(qū)內(nèi)構(gòu)成“兩線(京杭大運河及吳淞江)一點(太湖)”的骨干水系框架。本文構(gòu)建的吳中區(qū)河道水環(huán)境數(shù)學(xué)分析模型,通過對比低水引清和高水引清調(diào)度方案對城區(qū)內(nèi)主要河流水質(zhì)改善的影響,提出區(qū)域內(nèi)引調(diào)水優(yōu)化方案,以期對平原河網(wǎng)調(diào)水引流優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支持。

1 工程概況

吳中城區(qū)外圍京杭運河繞城而過,西側(cè)蘇東河承泄吳中區(qū)南部包括山丘區(qū)來水北排石湖后,由越城河、躍進河、西塘河等北排、東排入大運河,目前形成了“兩線(京杭大運河及吳淞江)一點(太湖)”的骨干框架,起到承接該片區(qū)澇水及石湖來水外排京杭運河的作用。吳中城區(qū)水系圖見圖1。

圖1 吳中城區(qū)水系

吳中區(qū)城市化率較高,人口密度大,污水排放量較大,城鄉(xiāng)結(jié)合部生活污水的無序排放,以及城市化建設(shè)過程中對水系的干擾使得城區(qū)的整體水環(huán)境不理想。平原河網(wǎng)地區(qū)河道水力坡降小的特性決定了城區(qū)河道水體流動性較差,外部清水來量有限,加上城區(qū)在骨干河道西塘河上缺乏有效控制手段,導(dǎo)致區(qū)域與外部水體交換有限、內(nèi)部自身水體滯流,河網(wǎng)自凈能力較差,水體一旦污染后,水質(zhì)改善難度大。根據(jù)最新吳中區(qū)地表水監(jiān)測資料,2018年5月南城區(qū)地表水共監(jiān)測斷面7個,監(jiān)測頻次數(shù)94次,主要監(jiān)測透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮等指標(biāo),其中氨氮(NH3-N)2次滿足Ⅲ類水要求,比例為2%,14次滿足Ⅳ類水以上要求,比例為15%,37次滿足Ⅴ類水以上要求,比例為39%,其余均為劣Ⅴ類,比例為61%。從上述數(shù)據(jù)分析,雖然近年來加強了治理力度,但水質(zhì)指標(biāo)仍普遍超標(biāo)。

本次以蘇州市吳中區(qū)為例,結(jié)合京杭運河、石湖、小石河排澇閘站等水利工程,引入優(yōu)質(zhì)水源,增加城區(qū)清水流量,采用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型分析河道自然水位差和閘站工程調(diào)度對河道水環(huán)境的影響,提出科學(xué)的調(diào)水引流方案,增強水動力,實現(xiàn)水體有序流動,改善城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量,為周邊居民建設(shè)創(chuàng)造更好的水環(huán)境。

2 模型構(gòu)建及評價方法

采用河網(wǎng)水動力對調(diào)水引流后河道的流量、流速、水位等水力要素進行模擬,在河網(wǎng)概化的基礎(chǔ)上模擬水流運動。利用能量守恒定律,根據(jù)水流條件及污染物在水中遷移轉(zhuǎn)化過程規(guī)律,建立水質(zhì)評價模型。

2.1 水動力數(shù)學(xué)模型

河道水動力模型采用節(jié)點-河道模型對圣維南方程組離散求解[12]。河網(wǎng)中每條河道控制方程均為一維圣維南方程組;河道連接處為模型的節(jié)點,節(jié)點處滿足質(zhì)量守恒及動量守恒定律。以流量Q、水位Z為未知變量結(jié)合邊界條件、節(jié)點銜接的圣維南方程組為

式中:Q為流量,m3/s;Bw為河寬,m;Z為水位,m;x為順?biāo)鞣较蜃鴺?biāo),m;t為時間,s;q為節(jié)點其他河道入流流量,流入為正,流出為負(fù),m2/s;A為主河槽過水?dāng)嗝婷娣e,m2;u為過水平面平均流速,m/s;n為河道糙率;R為河道水力半徑,m,g為重力加速度,m/s2。

2.2 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型以水動力數(shù)學(xué)模型生成的水動力條件為基礎(chǔ),采用對流擴散方程進行計算[13]。河網(wǎng)對流傳輸移動問題的河道方程和河道叉點方程表達為

式中:A′為節(jié)點水面面積,m2;C為河道內(nèi)物質(zhì)濃度,mg/L;Ex為縱向分散系數(shù);Ω為河道叉點節(jié)點的水面面積,m2;j為節(jié)點編號;I為與節(jié)點j相連接的河道編號;Sc為衰減項;S為外部項。

2.3 水環(huán)境質(zhì)量評價方法

為了定量表達調(diào)水引流對河道水環(huán)境質(zhì)量改善的效果,根據(jù)吳中區(qū)水污染物監(jiān)測情況,本文以氨氮(NH3-N)濃度為影響因子,根據(jù)調(diào)水引流對影響因子的改善率,評價調(diào)水引流對水環(huán)境的改善效果。水質(zhì)濃度改善率采用下式計算:

式中:N為NH3-N濃度改善率;C0為河道初始NH3-N濃度,mg/L;Ci為河道引水第i時刻NH3-N監(jiān)測濃度,mg/L。N值反映調(diào)水引流對河道氨氮(NH3-N)濃度影響,N值為正說明河道氨氮(NH3-N)濃度降低,N值為負(fù)說明河道氨氮(NH3-N)濃度升高。

3 吳中區(qū)調(diào)水引流方案及水質(zhì)影響預(yù)測

3.1 調(diào)水引流方案

吳中南城區(qū)調(diào)水引流,主要是利用現(xiàn)狀水利工程功能并配合科學(xué)引排調(diào)度,改善水體流動條件,提升水環(huán)境質(zhì)量。本次調(diào)水引流方案主要有低水引清和高水引清兩類共4個小方案。

3.1.1 低水引清

低水引清方案總體設(shè)計思路為:在東太湖水位適宜條件下(常水位以上),以石湖清水穩(wěn)定入城為基礎(chǔ),充分利用現(xiàn)有及規(guī)劃水利工程,通過包圍圈外圍沿運河側(cè)泵閘向外抽排降低區(qū)域水位,打開九畝浜、農(nóng)場河、大鲇魚口閘門,利用內(nèi)河與東太湖水位差通過九畝浜、農(nóng)場河、西塘河自引小石河及東太湖優(yōu)質(zhì)水源入城,提升水體流動性,改善水質(zhì)。經(jīng)試算,按照排水方式不同設(shè)計“集中泵排”和“分散泵排”兩組方案。

集中泵排:包圍圈外圍沿運河側(cè)泵閘中,僅開啟西塘河樞紐、潭湖樞紐、鋼鐵橋泵站向運河排水,排水流量均為5m3/s,其他運河側(cè)口門關(guān)閉。

分散泵排:包圍圈外圍沿運河側(cè)泵閘中,開啟西塘河樞紐、碧波樞紐、東港河泵站、西夏田泵站、潭湖樞紐、尹山橋泵站、鋼鐵橋泵站、羅布箕涵站向運河排水,其他運河側(cè)口門關(guān)閉。

3.1.2 高水引清

高水引清方案總體設(shè)計思路為:考慮低水引清方案區(qū)域水位在一般情況下較常水位低約10cm,在現(xiàn)有石湖5m3/s來水的基礎(chǔ)上,充分利用小石河優(yōu)質(zhì)水源,根據(jù)引水流量需求,利用小石河沿線泵站的引水功能,控制入城流量10m3/s;同時,通過包圍圈外圍泵閘靈活調(diào)度北排、東排運河,控制域內(nèi)水位在3.1～3.3m適宜范圍,此時由于地區(qū)水位抬高后超過了東太湖水位,西塘河連接?xùn)|太湖的大鯰魚口水閘關(guān)閉。按照排水方式不同設(shè)計“分散泵排”和“泵排+自流”兩組方案。

高水引清-分散泵排:與低水引清方案中優(yōu)選的分散泵排方案排水流量布置相同,開啟西塘河樞紐、碧波樞紐、東港河泵站、西夏田泵站、潭湖樞紐、尹山橋泵站、鋼鐵橋泵站、羅布箕涵站向運河排水,其他運河側(cè)口門關(guān)閉。

高水引清-泵排+自排:對于高水引清方案下運河水位低于區(qū)內(nèi)水位、有條件向運河自流排水的區(qū)域,打開其沿運河側(cè)閘門;對于運河水位高于區(qū)內(nèi)水位的區(qū)域,其沿運河側(cè)泵站沿用分散泵排子方案中排水流量布置。

3.2 水質(zhì)影響預(yù)測

a.低水引清-集中泵排方案。該方案換水期間,從片區(qū)整體來看,換水3～5d后區(qū)域水質(zhì)得到普遍改善并基本穩(wěn)定在Ⅳ類(接近Ⅲ類上限)水平,其中水質(zhì)改善效果相對較差的區(qū)域主要分布在東北、東南片區(qū)未啟用的閘站前控制段河道。從分區(qū)來看,西北片區(qū)、西南片區(qū)改善速率接近且較快,換水2d后氨氮即可穩(wěn)定在1.03mg/L(接近Ⅲ類上限),東北片區(qū)改善速率次之,換水3d后氨氮基本穩(wěn)定在1.09mg/L,東南片區(qū)改善速率最慢,換水4d后氨氮趨于穩(wěn)定,約1.2mg/L,各個片區(qū)5d后的改善幅度差異不大,東南片區(qū)改善幅度相對較低方案中各片區(qū)換水期間水質(zhì)變化見圖2。

圖2 低水引清-集中泵排方案水質(zhì)變化統(tǒng)計

b.低水引清-分散泵排方案。該方案換水期間,從片區(qū)整體來看,換水3～5d后區(qū)域水質(zhì)得到普遍改善并基本穩(wěn)定在Ⅳ類(接近Ⅲ類上限)水平,區(qū)內(nèi)全部河道水質(zhì)均由Ⅴ類降至Ⅳ類;從分區(qū)來看,西北片區(qū)、西南片區(qū)改善速率接近且較快,換水2d后氨氮即可穩(wěn)定在1.03mg/L(接近Ⅲ類上限),東北片區(qū)、東南片區(qū)改善速率接近且次之,換水3d后氨氮基本穩(wěn)定在1.05mg/L,各個片區(qū)5d后的改善幅度基本相當(dāng)。方案中各片區(qū)換水期間水質(zhì)變化見圖3。

c.高水引清-分散泵排方案。該方案換水期間,從片區(qū)整體來看,換水3～5d后區(qū)域水質(zhì)得到普遍改善并基本穩(wěn)定在Ⅳ類(接近Ⅲ類上限)水平,區(qū)內(nèi)全部河道水質(zhì)均由Ⅴ類降至Ⅳ類;從分區(qū)來看,西北片區(qū)、西南片區(qū)改善速率接近且較快,換水1d后氨氮即可穩(wěn)定在1.02mg/L(接近Ⅲ類上限),東北片區(qū)、東南片區(qū)改善速率相近且次之,換水3d后氨氮趨于穩(wěn)定,在1.08mg/L左右,各個片區(qū)5d后的改善幅度基本相當(dāng),方案中各片區(qū)換水期間水質(zhì)變化見圖4。

圖3 低水引清-集中泵排方案水質(zhì)變化統(tǒng)計

圖4 高水引清-分散泵排方案水質(zhì)變化統(tǒng)計

d.高水引清-泵排+自排方案。該方案換水期間,從片區(qū)整體來看,換水3～5d后區(qū)域水質(zhì)得到普遍改善并基本穩(wěn)定在Ⅳ類(接近Ⅲ類上限)水平,區(qū)內(nèi)全部河道水質(zhì)均由Ⅴ類降至Ⅳ類;從分區(qū)來看,西北片區(qū)、西南片區(qū)改善速率接近且較快,換水1d后氨氮即可穩(wěn)定在1.03mg/L(接近Ⅲ類上限),東北片區(qū)、東南片區(qū)改善速率相近且次之,換水3d后氨氮趨于穩(wěn)定,在1.08mg/L左右,各個片區(qū)5d后的改善幅度基本相當(dāng)。方案中各片區(qū)換水期間水質(zhì)變化見圖5。

圖5 高水引清-泵排+自排方案水質(zhì)變化統(tǒng)計

3.3 調(diào)水引流方案水質(zhì)變化分析

3.3.1 低水引清

吳中區(qū)通過低水引清方案調(diào)水引流后片區(qū)水質(zhì)改善率明顯,引水5d后水質(zhì)改善率為40%～50%,片區(qū)內(nèi)不同供水方案水質(zhì)改善速率存在差異,低水引清方案水質(zhì)改善率見圖6。其中西北片區(qū)、西南片區(qū)在集中泵排與分散泵排的水質(zhì)改善速率大致相同,供水2d后水質(zhì)即可達標(biāo),供水3～5d氨氮濃度改善率保持不變,水質(zhì)改善率可達50%;東北片區(qū)集中泵排1d水質(zhì)改善速率25%,2d水質(zhì)改善率43%,3～5d水質(zhì)改善率趨于穩(wěn)定,為46%、東北片區(qū)分散泵排1d水質(zhì)改善速率為29%,2d水質(zhì)改善率為47%,3～5d水質(zhì)改善率趨于穩(wěn)定,為48%;東南片區(qū)集中泵排1～5d水質(zhì)改善為27%～41%,水質(zhì)改善率逐漸增加,水質(zhì)持續(xù)提升,東北片區(qū)分散泵排1d水質(zhì)改善速率為26%,2d水質(zhì)改善率為43%,3～5d水質(zhì)改善率趨于穩(wěn)定,為47%;東北片區(qū)、東南片區(qū)在分散泵排的水質(zhì)改善速率更快,5d后水質(zhì)改善幅度更大,且分散泵排片區(qū)全部河道水質(zhì)均由Ⅴ類降至Ⅳ類,基本不存在難以改善、仍為Ⅴ類的區(qū)域。從水質(zhì)改善率整體來看,引水初期清水對河道內(nèi)氨氮濃度改善幅度較大,但隨著引水天數(shù)的增加,河道內(nèi)氨氮濃度逐漸降低,使得引水對河道內(nèi)氨氮濃度的改善減弱;低水引清方案中,分散泵排較集中泵排水質(zhì)增加了碧波樞紐、東港河泵站、西夏田泵站、尹山橋泵站、羅布箕涵泵站排水,而改善效果相對較差的區(qū)域主要分布在東北、東南片區(qū)上述未啟用的閘站前控制段河道,故引水時開啟內(nèi)河泵站將上游污水排出,可以更好地改善城市內(nèi)河水質(zhì)。

圖6 低水引清子方案片區(qū)水質(zhì)改善效果對比

低水引清方案在東太湖水位適宜情況下(常水位以上),充分利用河道自流,將小石河和東太湖作為引水水源,引清入城,河網(wǎng)水質(zhì)基本能夠維持在適宜水位的下限左右;其中,調(diào)度管理上低水引清-分散泵排方案比集中泵排方案難度相對較大,但在空間上活水和改善水質(zhì)效果較好。低水引清方案受東太湖水位制約,在小石河、東太湖水位較低情況下,地區(qū)河網(wǎng)水位過低,為實現(xiàn)預(yù)期調(diào)水流量,水位將抽排至3.0m以下,不利于景觀和生態(tài)。

3.3.2 高水引清

“高水引清”方案將小石河作為引水水源,利用泵站抽引小石河優(yōu)質(zhì)水入城,引水期間城區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)水高水引清方案可結(jié)合運河水位條件相機采用,在一般情況下(運河常水位),以自流排水為主,加上局位可靈活調(diào)度,保證維持在適宜水位。

吳中區(qū)通過高水引清方案調(diào)水引流后片區(qū)水質(zhì)改善率明顯高,高水引清方案水質(zhì)改善率見圖7。其中西北片區(qū)、西南片區(qū)換水1d水質(zhì)改善率達50%,水質(zhì)處于優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)。西北片區(qū)、西南片區(qū)利用泵站抽引小石河優(yōu)質(zhì)水入城提高了河道內(nèi)清水流量,加快清水的補給速度,河道內(nèi)氨氮濃度改善率明顯,這表明河道水質(zhì)的改善速率與引水時段內(nèi)通過的流量密切相關(guān)。東北、東南片區(qū)高水引清-分散泵排與泵排+自排方案在水質(zhì)改善率及水質(zhì)改善速率方面效果相當(dāng),東北及東南處于河道下游,大部分河道采用自排方式,引水流量差別大不,水質(zhì)改善效果相當(dāng)。部區(qū)域適當(dāng)抽排的方式排水,就可實現(xiàn)較好的預(yù)期活水效果。但在運河水位較高或異常的情況下,高水引清-分散泵排方案將發(fā)揮優(yōu)勢,實現(xiàn)包圍圈內(nèi)水位完全可控的效果。

圖7 高水引清子方案片區(qū)水質(zhì)改善效果對比

4 結(jié) 論

a.調(diào)水引流工程對吳中區(qū)水質(zhì)改善明顯,引水5d后區(qū)內(nèi)水質(zhì)改善率為40%～50%。利用南城包圍沿京杭運河、小石河排澇閘站,并擴展沿小石河兩座排澇泵站的引水功能,在現(xiàn)狀西部石湖來水基礎(chǔ)上,科學(xué)利用包圍圈外圍河道(湖泊)優(yōu)質(zhì)水源,提升城區(qū)清水來量,區(qū)域水質(zhì)得到普遍改善并基本穩(wěn)定在Ⅳ類(接近Ⅲ類上限)水平。

b.水質(zhì)改善率在引水初期改善幅度較大,隨著引水天數(shù)的增加,河道內(nèi)氨氮濃度改善減弱;部分河道改善效果相對較差,改善效果差的區(qū)域位于未啟用的閘站前控制段河道;對比低水引清與高水引清方案,河道水質(zhì)的改善速率與引水時段內(nèi)通過的流量密切相關(guān)。

c.科學(xué)利用河道自然水位差和閘站工程合理調(diào)度,實現(xiàn)區(qū)內(nèi)水體有序流動,保證維持在適宜水位,工程調(diào)度方案根據(jù)東太湖、運河水位不同情況方案為:當(dāng)東太湖水位位于常水位以上時,采用低水引清-分散泵排方案,通過包圍圈外圍運河側(cè)泵閘向外抽排降低吳中南城區(qū)水位,利用內(nèi)河與東太湖水位差自引小石河及東太湖優(yōu)質(zhì)水入城;當(dāng)東太湖水位位于常水位以下時,啟用沿小石河泵站,抽引小石河清水(10m3/s),高水引清方案采用以自流排水為主,加上局部區(qū)域適當(dāng)抽排的方式排水,在運河水位較高或異常的情況下,采用高水引清-分散泵排方案,實現(xiàn)包圍圈內(nèi)水位完全可控的效果。