福州內河河網精細水流水質數學模型研究

陳 虹 朱明栓 雷少青

福州內河河網精細水流水質數學模型研究

陳 虹 朱明栓 雷少青

福州大學土木工程學院

在前人研究的基礎上,根據感潮河網地區水體的水動力、水質特性，建立了河網一維水動力和水質模型，并進行了模型驗證。結果表明水動力模型計算值能夠較好地吻合實測值，能正確反映漲落潮趨勢，水質模型能正確反映污染物受漲落潮影響在河網內回蕩的變化情況。研究成果對解決福州市水環境問題提供了一定的理論基礎，具有一定的指導意義。

感潮河網 一維河網水力水質模型 數值模擬,水環境

1 引言

隨著對水環境治理的日益重視和大力投入，研究感潮河網地區水流運動和水環境變化規律越來越重要。利用數值模擬分析水流及水質變化是水環境污染治理規劃中的主要組成部分。內河水環境是城市規劃與建設的一個重要組成部分，是城市形象的具體體現。受潮汐影響的城市河網水體具有水深小、河床比降小、受閘壩控制、流速緩慢、順逆不定、水體自凈能力不強等特性，這些特性使得污染物質在水體中隨水流回蕩，局部地區污染加劇，水質惡化。

1.1 福州內河地理水文特征

福州市地處閩江下游,福建省的第一大河閩江穿市而過，城區內河發育良好，河網密布，福州中心共有42條內河，形成以白馬河為主的西區水系，以晉安河為主的東區水系，以光明港為主的東區河口水系[1]。內河河網如圖1所示。

圖1 福州內河河網示意圖

福州內河河網水源除部分來自北部山地匯水外，主要來自閩江潮水，主要是通過光明港的九孔、五孔、三孔和臺江的派洲、方壽、彬德及西北角的西河與閩江福州段水域相連。城區內河的主泄水方向由西北指向東南，內河水流屬往復非恒定流，水位、水深隨閩江水位變化而變化，呈周期性漲落。正常情況下，閩江水每日兩次由防洪閘門流入城區內河。進入市城區河道的潮水基本上以八一七路為界分東部和西部兩種流態。東部潮水基本上由光明港經晉安河進入市區逆行而上達于各支流河其它橫向河道，退潮時，與原河道中污水混合后的各路水流又由原路順路退出，大部分經九孔閘排入閩江中。西部潮水主要通過彬德閘漲入白馬河，然后北上注入各支流和東西向河道，退潮時，只有白馬河以西各支流白馬河中部河水順原路退出彬德閘，其余部分河水則向東通過東西向河道與東部河水匯合，由晉安河、光明港泄出。由于城區內河水源補給受到閩江潮汐的控制，且河網總進水方向與總泄水方向基本一致，水體的交換是被動的，河道中水流流向、流速的時空變化很大，污水稀釋條件因河道、河段而異，局部河段污水因頂托、回蕩難以排出的問題還是相當嚴重。

1.2 福州內河污染特征

福州城區內河以有機污染為主，氨氮,五日生化需氧量、高錳酸指數、溶解氧,pH一直是近10年來福州城區內河的主要污染項目。由表1可以看出，近10年來，福州城區內河的主要污染物構成及污染負荷分擔率基本是一致的，說明福州城區內河10年來一直是以氨氮為首要污染物的有機污染類型。自1998年福州城區內河引水沖污以來內河水質總體上有較大好轉，但仍然無法穩定達到GB33838-2002地表水V類水質標準。

表1 福州城區內河主要污染項目污染負荷分擔率 %

2 模型基本方程

福州內河河網一維水動力水質模型是在描述非恒定流運動的圣維南方程和污染物濃度時空變化的帶源對流擴散方程的基礎上建立起來的[2]。

2.1 水動力模型

一維水動力學模型計算的實質是求解圣維南方程組[1]。在河道的匯合點處，要求滿足兩個獨立條件，即水流連續方程和能量守恒方程。

（p為結點；m為結點斷面） （3）

初始條件及邊界條件：

上述方程采用不等距偏心插值的差分格式對其進行離散[3]。所建立的一維河網水動力學模型充分考慮了感潮河網地區河網結構錯綜復雜，分岔河道眾多，河道水流流向多變，閘壩等水工建筑物較多的特點，將不等距差分法用于具有分岔支流河道的非恒定流水力計算中，使具有岔道支流的復雜的非恒定流計算問題得以利用不等距格式作連續計算，從而得出水質模型計算所需要的水動力數據。

2.2 水質模型

由于感潮河網水流受潮汐作用的影響，產生明顯豎向、橫向混合效果，因此采用一維簡化遷移擴散基本方程，對于一般污染物，有:

方程（7）采用隱式差分法求解。一維對流擴散方程結構簡單，且不受穩定條件限制，對任意形狀的河網，各類水質指標及邊界條件都能確保計算收斂和結果合理，計算簡單、適應性強，有較高的模擬精度[4]。

3 模型驗證

3.1 河網概化

對于城市內河，過流斷面可視為矩形，河道斷面面積按矩形面積公式計算。并根據實際地形資料，選擇斷面間距為200m～1000m不等，河道節點前后50m各設一個斷面。概化河道共18條河道，分成河段39條，河道節點23個，邊界節點12個，總計算斷面數為200個。時間步長取1s。

3.2 計算條件

水動力模型：上邊界條件為2007年8月7日8：00至8日8:00上游邊界斷面同步實測流量資料，下邊界條件為相應時段下游邊界斷面的實測流量資料。計算的初始條件可以采用靜水啟動條件(也稱冷啟動條件)，即初始流量取為零。初始水位各河道給出0.05米水位。

水質模型：采用2007年8月7日～8日與河道水流監測同步的水質監測資料，污染源邊界本模型根據水資源普查資料將市內的點源集中成25個，這些點源分別就近排入相應的河道。

3.3 模型率定

3.3 模型驗證結果

部分典型斷面水位、流量計算值與實測值對比見圖2～圖7，NH3－N、BOD5濃度計算值與實測值的比較見表2。

圖2 白馬河同德閘前計算和實測水位的比較

圖3 白馬河同德閘前計算和實測流量的比較

圖4 晉安河紫陽橋前計算和實測水位的比較

圖5 晉安河紫陽橋前計算和實測流量的比較

圖6 光明港連江路橋前計算和實測水位的比較

從比較結果來看，研究區域內的水位、流量、水質濃度模擬是成功的，說明模型結構合理，基本能反映福州內河河網的水質狀況。

表2 主要斷面氨氮濃度計算值與實測值比較

4 結果分析

通過對內河河網水流水質的模擬計算，可以內河水流、污染物運動規律認識有更加直觀、全面的認識。

4.1 水流運動規律的認識

本研究區域外江高潮時間為農歷廿五8：00，外江低潮時間為農歷廿六2:40。閩江福州段潮型為半日潮，每天兩周期，每周期12h50min[1]。在漲潮時由于江水的倒灌或頂托，內河下游靠江河段水位升高，流量反而隨之減少；三捷河、達道河、瀛洲河、打鐵港由于河底坡降較小，甚至有負流量的出現。落潮時內河下游靠江部分水位降低，流量隨之增大。總的看來，不管是漲潮還是落潮，內河下游水位變化要滯后于外江水位的變化，內河流量的變化要滯后于水位的變化。

4.2 污染物濃度的時空變化

為了進一步研究該區域內河非恒定流狀態的水體對污染物的時空變化規律產生的影響，將選取典型斷面的2007年8月7日～8日的氨氮計算濃度變化過程和計算流量變化過程疊加在一起，結果見圖8～圖10。

圖8 白馬河同德閘前流量、氨氮濃度過程線

圖9 晉安河紫陽橋前流量、氨氮濃度過程線

圖10 光明港九孔閘內流量、氨氮濃度過程線

由圖8～圖10可以得出該研究區域污染物濃度隨時空變化的大致規律。

（1）濃度過程與流量過程密切相關：污染物濃度大小和流量大小都是呈現周期性變化，此外兩者還存在一定的相位差，這種相位差沿程有所變化。

（2）河口水系，東區水系和西區水系的下游，外江落潮時，市區的污水通過下游泄入江中，污染物濃度增大，落憩前后濃度達到最大值；漲潮時，污水受到外江潮水的頂托作用，不能外排，污染物濃度降低，漲潮前后達到最小值。東區水系與西區水系的上游，污染物濃度與水位高低一致。中游是過渡段，外江漲潮由于下游污染物上溯，河水頂托，流速降低，污染物濃度增加；外江落潮時污染物濃度隨之下降。

5 結語

本文對研究區域水系河網進行合理概化后運用所建立的數學模型進行數值計算和驗證，驗證結果令人滿意，水力模型能正確反映漲落潮趨勢，水質模型能正確反映污染物受漲落潮影響，分析得出福州內河感潮河網的水動力及污染物遷移規律。

河流水質模擬的最基礎、最關鍵的部分是要有大量的水文、水質同步監測數據。本文研究中，對于部分監測斷面數據不夠完整，需進行更深一步的精確測量和驗證工作。

[1] 洪理建.福州內河引水沖污技術研究[J].人民珠江. 2000(1): 38～42.

[2] 陳虹，朱明栓,余金星. 感潮河網水動力水污染數值模擬研究及應用[A].第二十屆全國水動力學研討會文集[C].北京：海洋出版社，2007.

[3] 白玉川，萬艷春，黃本勝等.河網非恒定流數值模擬的研究進展[J].水利學報.2000,(12):43-52.

[4] 徐祖信.河流污染治理規劃理論與實踐[M].北京:中國環境科學出版社,2003.