基于太湖流域模型的國控斷面水質(zhì)達標方案研究

陳 凱，鄭世威，彭小情，趙鵬軒，李宥霖，李小寧

(1.南京慧水軟件科技有限公司，江蘇 南京 210036；2.海盈生態(tài)環(huán)境研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 210009；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院(應(yīng)急管理學(xué)院)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

針對我國當前存在的水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境隱患多等問題，國務(wù)院于2015年頒布了《水污染防治行動計劃》(以下簡稱“計劃”)以切實加大水污染防治力度，保障國家水安全[1]。《計劃》力求通過10個方面的措施，使得2030年時七大重點流域水質(zhì)優(yōu)良比例達到75%以上，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體基本得到消除[2-3]。城市水環(huán)境是城市生態(tài)系統(tǒng)中最活躍、影響最廣泛的要素，是城市居民健康生活的必需品，是產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中不可替代的重要資源。城市河流水系是部分物種和生物流動的載體，承擔著保持自然環(huán)境生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)微氣候等多項生態(tài)功能，還為居民提供旅游與休閑娛樂場[4]。目前，我國城市水體污染嚴重，流經(jīng)城市的河段普遍受到污染，嚴重威脅人民群眾身體健康，雖然一些地方已經(jīng)采取不同措施，開始城市水環(huán)境治理，也取得了階段性成效，但城市河段水環(huán)境狀況仍非常嚴峻。因此，我國城市水環(huán)境仍存在眾多問題，亟需開展水質(zhì)監(jiān)測和提升策略研究以確保達到治理的目標[5]。

針對河道國控斷面水質(zhì)及斷面生態(tài)流量問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者也都對此有著較為深入的研究，并取得了一系列成果[6-8]。鮑琨[9]等通過建立控制斷面水質(zhì)與其上游的概化排污口污染源之間的響應(yīng)關(guān)系，得出斷面水質(zhì)達標時各概化排污口的削減量；孫衛(wèi)紅[10]等基于不均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法，對廣東鑒江非感潮河流進行了研究；朱曉娟[11]通過對松花江干流水質(zhì)污染現(xiàn)狀及污染源的分析，提出了松花江干流環(huán)境容量優(yōu)化配置方案。李曉瑛[12]等對長江口徐六涇國控斷面2014—2018年的數(shù)據(jù)進行分析后選擇氨氮、總氮、總磷等6項水質(zhì)因子數(shù)據(jù)來評估水質(zhì)情況，并構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測徐六涇國控斷面的水質(zhì)達標比例。王雪峰[13]以大連市登沙河流域為研究對象，利用QUAL2K水質(zhì)模型模擬氨氮和總磷的遷移轉(zhuǎn)化過程并基于國控斷面水質(zhì)目標反推了上游監(jiān)測斷面的管控標準。高亞洲[14]等研究了春節(jié)初期雨水對珠江流域某國控斷面水質(zhì)的影響規(guī)律并系統(tǒng)梳理了初期雨水防控的要點，為保證國控斷面水質(zhì)全年均值達標提供了依據(jù)。劉萌斐[15]等系統(tǒng)分析了長江江蘇段某國控斷面水質(zhì)影響主要因素，從水利調(diào)度、控源截污、生態(tài)修復(fù)、穩(wěn)定達標四方面提出了水質(zhì)達標方案為平原閘控區(qū)河網(wǎng)國控斷面水質(zhì)達標提供借鑒。

國控斷面水質(zhì)影響因素分析和水質(zhì)達標方案制定仍然是我國水環(huán)境保護建設(shè)和發(fā)展的迫切需求。然而，目前諸多研究側(cè)重水質(zhì)不達標成因分析、達標對策研究等，仍然缺少基于主要影響因子分析、模型模擬、方案評估的全方位系統(tǒng)化研究[2]。因此，通過收集研究區(qū)域內(nèi)水文水質(zhì)資料分析得出國控斷面水質(zhì)關(guān)鍵影響因子，基于太湖流域模型建立研究區(qū)的平原河網(wǎng)水量水質(zhì)模型并進行率定驗證，從水體有序流動的理念出發(fā)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)工程調(diào)度現(xiàn)狀提出工程聯(lián)合調(diào)度方案并進行評估優(yōu)選，對改善區(qū)域水環(huán)境、滿足國控斷面達標要求具有重要的意義。

1 研究方法

基于團隊自主研發(fā)的太湖流域模型構(gòu)建了研究區(qū)域的水文-水動力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對不同設(shè)計方案效果進行評估。太湖流域模型是以太湖流域為原型案例構(gòu)建的包含山丘區(qū)、平原區(qū)、城鎮(zhèn)區(qū)的多要素、多尺度、多過程水循環(huán)精細化模型。經(jīng)過40多年的發(fā)展，已形成完善的模型理論與架構(gòu)體系，能解決復(fù)雜下墊面水循環(huán)、水質(zhì)、泥沙問題[7]。本文以鎮(zhèn)江市運糧河新河橋國控斷面水質(zhì)達標為目標，以金山湖和周邊河網(wǎng)為研究區(qū)域構(gòu)建其水文-水動力-水質(zhì)模型。通過對不同配水方案的計算與分析，為運糧河最小穩(wěn)定流量分析、金山湖引水流量規(guī)模論證、閘泵工程調(diào)度方案制定、調(diào)水引流控制水位確定以及配水方案效果影響研究等方面提供技術(shù)支撐。

1.1 太湖流域模型原理

1.1.1水量模型

(1)零維湖泊模型

對于金山湖這類水面，水流行為的影響主要表現(xiàn)在水量交換，動量交換可以忽略。反映水量交換的指標主要是水位，水位的變化遵循水量平衡原理，即流入湖區(qū)的凈水量等于水體內(nèi)的蓄量增量，計算公式如下：

(1)

式中，Q—時段內(nèi)的入流量，m3/s；Z—零維湖泊調(diào)蓄單元水位，m；AZ—隨水位變化的零維湖泊面積，m2；t—時間，s。

模型中對該方程進行差分離散求解。

(2)一維河道模型

在太湖流域模型中，通過公式(2)描述河道一維水流運動：

(2)

式中，q—旁側(cè)入流，m3/s；Q—河道斷面流量，m3/s；A—過水面積，m2；B、Z—河寬和水位，m；VX—旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，m/s，一般可以近似為零。K—流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力；α—動量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

太湖流域模型中，對上述方程組采用四點線性隱式格式進行離散后求解。

(3)閘泵工程模擬

在太湖流域模型中，堰上的水流可分為自由出流、淹沒出流兩種流態(tài)，不同流態(tài)采用不同的公式來計算。公式(3)為自由出流計算方法，公式(4)為淹沒出流情景時計算方法。堰、閘、泵不同聯(lián)系，采用公式與寬頂堰的水力學(xué)公式相似，求解采用局部線性化離散出流量與上下游水位的線性關(guān)系或非線性迭代方法求解。

(3)

(4)

式中，B—堰寬；Zd—堰頂高程；Z1—堰上水位；Z2—堰下水位；H0、hs—水位差，H0=Z1-Zd，hs=Z2-Zd，m；m—自由出流系數(shù)，取值范圍為0.325～0.385；φm—淹沒出流系數(shù)，一般小于1.0。

1.1.2水質(zhì)模型

(1)零維湖泊水質(zhì)模型

在水量模型中，將金山湖等湖泊概化為一個零維調(diào)蓄節(jié)點，所采用的水質(zhì)模型通用方程如下：

(5)

式中，C—某種水質(zhì)指標的濃度，mg/L；V—調(diào)蓄節(jié)點水體體積，m3；S—某種水質(zhì)指標的生化反應(yīng)項，g/(m3·d)；Sw—某種水質(zhì)指標的外部源匯項，g/s。

(2)河網(wǎng)一維水質(zhì)模型

與河網(wǎng)一維水量模型相對應(yīng)的一維水質(zhì)模型通用方程如下：

(6)

式中，A—斷面面積，m2；C—某種水質(zhì)指標的濃度，mg/L；t—時間，s；Ex—縱向分散系數(shù)，m2/s；U—斷面平均流速，m/s；S—某種水質(zhì)指標的生化反應(yīng)項，g/(m3·d)；Sw—某種水質(zhì)指標的外部源匯項，g/s。

1.2 研究區(qū)域概況與模型構(gòu)建

金山湖片區(qū)總面積為176.3km2，該區(qū)域地形總體上呈南高北低，由南部山丘區(qū)逐漸向北部沿江傾斜。區(qū)域內(nèi)降雨量年內(nèi)分布不均，主要集中在6—9月。運糧河干河共有3個水質(zhì)監(jiān)測斷面，其中，新河橋為國控斷面和水功能區(qū)監(jiān)測斷面、永慶橋為省控斷面、戴家門橋為水功能區(qū)監(jiān)測斷面，各斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 斷面各水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過收集2016年1月—2017年12月期間的斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新河橋監(jiān)測斷面水質(zhì)狀況極不穩(wěn)定，統(tǒng)計分析氨氮、總磷、高錳酸鹽3個監(jiān)測指標后，發(fā)現(xiàn)斷面超標頻次較多，超標率達到70%。其中戴家門橋監(jiān)測斷面2016年3月的氨氮最高濃度值達到6.5mg/L，因此，將氨氮作為主要的超標因子。

收集研究區(qū)域內(nèi)的河道斷面、湖泊地形資料并進行模型要素處理后，針對水利工程進行概化，基于太湖流域模型構(gòu)建金山湖及周邊河湖的水量-水質(zhì)耦合模型，構(gòu)建模型范圍如圖2所示。

圖2 金山湖及周邊河網(wǎng)耦合模型范圍

研究中構(gòu)建的金山湖片區(qū)水量-水質(zhì)模型主要包括：3個湖泊零維模型，分別為金山湖、塔影湖和小金山湖；36條一維河道模型；14座閘泵水利工程；3個模型邊界，分別為南京站、鎮(zhèn)江站和江陰站潮位邊界以及4個排口。由于研究區(qū)域內(nèi)收集的13個運糧河閘以東排口和99個高新區(qū)內(nèi)排口大部分為雨水排口且在支流上，因此模型中概化了運糧河干流的4個直排口。根據(jù)排口區(qū)域、區(qū)域內(nèi)常住人口以及當量污染計算得出排污量平均到4個直排口中，具體數(shù)值見表1。

表1 排口濃度值統(tǒng)計表

收集鎮(zhèn)江站1956—2018年共50年長江潮位資料，通過對最高、最低、平均潮位進行統(tǒng)計分析后，選用2014年長江潮位資料作為本次金山湖引水方案計算年型。長江流域水資源保護局重點斷面水質(zhì)監(jiān)測資料顯示，長江下游大通到徐六涇段的水質(zhì)情況良好，其中，2017年全年至2018年4月均能達到Ⅲ類以上，研究中將2017年1月至2018年4月作為模擬時間。分析金山湖2008—2018年水質(zhì)監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)高錳酸鹽指數(shù)與氨氮濃度明顯下降，其中自2010年起，氨氮水質(zhì)類別由劣Ⅴ類好轉(zhuǎn)為Ⅲ類，近3年已接近Ⅱ類標準值，氨氮平均值為0.5mg/L。

1.3 斷面水量-水質(zhì)達標需求分析

研究基于太湖流域模型構(gòu)建的水量-水質(zhì)模型模擬新河橋斷面水質(zhì)來分析計算維持新河橋斷面水質(zhì)達標最小流量。分析鎮(zhèn)江市環(huán)保局提供的運糧河新河橋國控斷面24h監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新河橋斷面7月監(jiān)測水質(zhì)最差，超標頻次最多，氨氮濃度超標值均值為3.81mg/L，屬于劣Ⅴ類。因此，選取7月氨氮超標值的均值作為新河橋斷面穩(wěn)定流量計算的初始水質(zhì)條件。在不同恒定流量條件下，當給定金山湖水質(zhì)為Ⅱ類到Ⅲ類的平均情況時(氨氮0.75mg/L)，模擬得到的新河橋斷面水質(zhì)改善情況如圖3(a)所示。

圖3 新河橋穩(wěn)定流量下水量-水質(zhì)達標情況分析

由圖3(a)可知，當給定恒定流量0.5m3/s和1m3/s時，新河橋斷面的水質(zhì)有所改善，但是并不能達到Ⅲ類水質(zhì)標準；當流量增大到2m3/s時，新河橋監(jiān)測斷面氨氮濃度降到了1mg/L，達到了Ⅲ類水標準。綜上，新河橋斷面維持有序流動推薦穩(wěn)定流量為2m3/s。

在維持河道生態(tài)健康的過程中通常會將河流多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流。分析發(fā)現(xiàn)運糧河新河橋水質(zhì)斷面不達標，且變化劇烈的原因主要是由于大量閘泵的運行影響了水體的連通性。研究中模擬了2014年實測潮位下金山湖片區(qū)水體的自然流動情況，發(fā)現(xiàn)運糧河新河橋斷面全年平均凈流量為9.4m3/s，平均流量約為0.94～2.82m3/s，如圖3(b)所示。因此，維持新河橋斷面2m3/s的穩(wěn)定流量也符合運糧河生態(tài)基流的需求。

1.4 方案制定

調(diào)度方案在金山湖運糧河調(diào)度方案的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，保證新河橋斷面水質(zhì)達標所需最小流量2m3/s。維持運糧河水體至東向西單向流動，在長江潮位較高時，金山湖引航道充分引水，采用引航道閘充分自引、焦南閘控制引排，保障對運糧河充分配水。

在防洪控制條件下，設(shè)計5套引配水方案，見表2，維持運糧河水體至東向西單向流動。其中以現(xiàn)行閘泵運行現(xiàn)狀為基礎(chǔ)的方案3個，以充分引水且充分配水為目標的方案2個，方案一的設(shè)計詳情如圖4所示。

圖4 運糧河引配水方案一設(shè)計示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 模型率定驗證

(1)水量模型率定驗證

選擇實測資料對金山湖引航道閘流量進行率定驗證，率定成果見表3。由表3可見，模型計算成果與實測成果比較吻合，誤差控制在合理范圍，相關(guān)參數(shù)可用于水量方案計算。

表3 引航道閘實測水位流量資料驗定結(jié)果

(2)水質(zhì)模型率定

在水量模型基礎(chǔ)上構(gòu)建污染負荷模型，對河網(wǎng)水質(zhì)進行了模擬，針對新河橋和戴家門橋各水質(zhì)指標月平均指標進行了率定驗證。率定成果與實測成果對比見表4，誤差控制在10%以內(nèi)，總體誤差可控。

表4 運糧河干流監(jiān)測斷面水質(zhì)率定結(jié)果 單位：mg/L

同時針對有連續(xù)性實測水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的新河橋斷面，模型進行了過程性率定驗證，以氨氮指標為例，率定驗證結(jié)果如圖5所示。對比分析圖5可看出，新河橋斷面氨氮指標總體趨勢一致，峰值誤差控制在10%以內(nèi)，相關(guān)參數(shù)可用于下一步方案計算。

圖5 新河橋斷面氨氮指標率定驗證

2.2 自引方案效果分析

基于太湖流域模型構(gòu)建的金山湖水量-水質(zhì)模型，并模擬2014年實測潮位模擬情景，其中不同方案金山湖的引水量和運糧河的配水量的模擬結(jié)果見表5、如圖6—7所示。

表5 各方案計算結(jié)果比選表

圖6 引航道閘不同方案引水量分析

圖6為引航道閘在不同工況下的引水量過程對比，由圖6可知，方案一(焦南閘5m排水)引航道日均引水流量最大可達116.92m3/s，在可引期間平均引水流量為59m3/s；方案二(焦南閘5.5m排水)最大流量約100m3/s，日均引水約43m3/s；方案三(焦南閘5.8m排水)最大流量約65m3/s，日均引水約30m3/s；方案四(焦南閘關(guān)閉)最大流量約48m3/s，日均引水約20m3/s；方案五(焦南閘引水)最大流量約40m3/s，日均引水約17m3/s。

圖7為運糧河閘在不同工況下的引水量過程對比，由圖7可知，方案一(焦南閘5m排水)運糧河閘日均引水流量最大可達11.44m3/s，日均引水為3m3/s；方案二(焦南閘5.5m排水)最大流量約38m3/s，日均引水約19m3/s；方案三(焦南閘5.8m排水)最大流量約40m3/s，日均引水約23m3/s；方案四(焦南閘關(guān)閉)最大流量約30m3/s，日均引水約11m3/s；方案五(焦南閘引水)最大流量約28m3/s，日均引水約11m3/s。

圖7 運糧河閘不同方案引水量分析

從各方案計算結(jié)果對比分析可知，方案一和方案二雖然引水流量較大，但是河道配水情況較?。环桨杆暮头桨肝搴拥琅渌芰^大，但是金山湖引水量較小。綜合比選方案三在保證河道配水較充分的同時，也增大了金山湖的引水量，提高了金山湖的流動性。

2.3 泵引方案效果分析

泵引方案統(tǒng)計分析見表6，結(jié)果可知，除了方案一在引水天數(shù)有較大的差異外，其他4種方案無明顯差別，方案一由于泵引天數(shù)較多，因此采用泵站引水同時也會需要一定的經(jīng)濟投入。

表6 引航道無法自排或長江高潮位情況統(tǒng)計分析

綜上所述，考慮到金山湖自身水體的流動性，建議方案三作為新河橋國控斷面水質(zhì)達標推薦方案，具體閘泵控制運行見表7。

表7 閘泵控制運行表

3 結(jié)論

本文基于太湖流域模型構(gòu)建了鎮(zhèn)江市運糧河新河橋國控斷面水量-水質(zhì)耦合模型，并進行了率定和驗證，分析了研究區(qū)域水質(zhì)斷面濃度超標影響因素；論證了運糧河最小穩(wěn)定流量、金山湖引水流量規(guī)模；對比不同的閘泵工程聯(lián)合調(diào)度方案的效果并確定了調(diào)水引流控制水位和推薦方案，相關(guān)結(jié)論及建議如下：

(1)新河橋監(jiān)測斷面總體水質(zhì)較差，斷面水質(zhì)情況與降雨關(guān)系密切，水質(zhì)超標頻次多，主要超標因子氨氮；建議工程調(diào)度以防洪安全為前提，水環(huán)境調(diào)度為常態(tài)模式，采用方案三即引航道閘充分自引、焦南閘控制排水，泵引補充，科學(xué)配水，滿足新河橋最小穩(wěn)定流量2m3/s要求的同時，同步提升周邊河網(wǎng)水質(zhì)。

(2)通過對閘泵的控制盡量維持河流天然狀態(tài)，該方式相比于工程措施更經(jīng)濟可行同時可同步提升水景觀效果，具體經(jīng)濟效益可作進一步研究。

(3)建議盡快補齊新河橋斷面以上城市基礎(chǔ)設(shè)施短板，落實維持運糧河有序流動的保障措施。