南通市引江調水對河網水環境改善效果的模擬

陳建標,錢小娟,朱友銀,陳立強

南通市引江調水對河網水環境改善效果的模擬

陳建標1,錢小娟1,朱友銀1,陳立強2

(1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局,江蘇南通 226006;2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098)

為客觀評估南通市引江調水對河網水環境的改善效果,針對該地區進行了河網概化,建立了河網水量水質模型。利用該模型進行了各分區的調水水量分配計算,分析了不同輪次調水對河網COD、NH3-N濃度的改善效果。計算結果表明：通州分區和如皋分區在第2輪引水后水質得到明顯改善,如東和海安分區在第4輪引水后水質得到明顯改善。研究證實引江調水是一種改善水環境的行之有效方法,為南通市調水方案實施提供了科決策依據。

引江調水;水量模型;水質模型;置換率;南通市

南通市位于江蘇省東部,東抵黃海,南望長江,區域內河網密布,工農業用水主要依靠各級河網輸送、提供。近年來隨著當地經濟社會的快速發展,工農業及生活點源、面源污染日益增加,區內河網水環境質量日益下降。此外,由于南通沿海墾區土壤是由潮間帶沉積物沉積形成的,長期受海洋潮汐的影響導致土壤鹽分含量偏高,淋鹽洗堿的土壤改良方式使沿海區域河道含鹽度較高。由此帶來的水質型缺水、季節性缺水、工程性缺水等諸多問題日趨突出。根據南通市水環境監測資料,全市水功能區2010年和2011年的達標率僅為49.7%和54.5%。

調水沖污是河流水環境綜合整治的有效措施之一,國內外對引水改善水環境方面研究已經取得了一些成果。據報道,國內如福州市通過引水后沖污,內河黑臭基本消除,改善了內河水生生態環境與河道景觀;泗洪縣城區9條河流水質均為劣Ⅴ類,引水措施實施后,城區河道控制斷面水質改善為Ⅲ～Ⅳ類水,基本滿足了泗洪城區河網水環境功能要求[1];溫州市區河道納潮沖污后使塘河水質得到改善,引水后的塘河水體不論在感官、視覺、嗅覺上均有所改善[2];上海市虹口港水系利用自然水力條件和現有水利設施,通過合理調度、南引北排、引水沖污等措施,明顯改善水系內水質,基本消除黑臭現象[3];蘇州外城河進行引水沖污后徑流量加大,使流入外城河的污染物得到自然稀釋和降解,增強了水體自凈能力,增加了外城河的環境容量[4]。國外如美國加利福尼亞調水工程、加拿大魁北克調水工程、德國的魯爾河、俄國的莫斯科河等均嘗試了引水修復水環境等措施,且效果良好。

圖1 南通市高水系河網概化及引排水口位置

南通市區域水系相對獨立,通過水閘等水利工程設施與長江和外海相通,且潮汐動力強,引江調水具有得天獨厚的水文條件。目前長江南通段水質明顯優于河網水質,滿足調水所需要的水質條件。為此,南通市政府于2011年實施了引江調水方案,利用長江潮差調引長江水以改善河網水環境。為客觀評估南通市引江調水對河網水環境的改善效果,筆者通過對南通市高水系河網的概化,對2011年春季調水對河網水量水質的影響進行了模擬研究,為南通市引江調水方案實施提供科學依據。

1 調水方案

1.1 調水研究區域及河網概化

南通市水系相對獨立,調水影響區域主要為南通市高水系地區。南通市高水系地區是指南通西部的通南高沙土區、斗南墾區及江海平原區的通呂運河以北的地區[5],主要包括如皋、海安、通州的大部分地區,如東的全境,以及海門、啟東的通呂運河以北地區,總面積5 287 km2,約占南通市總面積的67%。南通市高水系河網概化見圖1所示,共概化河段234條、計算斷面495個、計算節點152個。

1.2 調水引排水方案

長江南通段為長江近河口段,受海洋潮汐影響,長江南通段為不規則半日潮呈周期性變化,長江的潮汐特性為引水和排水提供了基本的水動力條件,形成自引自排的引江調水循環系統。2011年春季調水實施時間為2—4月,共進行了6輪引水、2輪排水,見圖2所示。沿江引水口主要有焦港閘、碾砣港閘、九圩港閘等5個,沿海排水口有大洋港閘、東灶港閘、小洋口閘等9個,具體位置參見圖1。

圖2 2011年春季調水引排水輪次分布

2 高水系河網水量水質模型的構建

2.1 模型構建

2.1.1 水量模型基本方程

水量計算的微分方程是建立在質量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組,以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量,并補充考慮了漫灘和旁側入流的完全形式圣維南方程組為

式中：Q為流量;x為空間坐標;BW為考慮主流斷面寬度和調蓄寬度的總寬度;Z為水位;t為時間坐標; q為旁側入流流量;u為斷面平均流速;n為糙率;A為過水斷面面積;B為主流斷面寬度;R為水力半徑。采用Preissman 4點隱式差分格式離散方程組。

2.1.2 水質模型基本方程

一維河流水質控制方程為

式中：Q為斷面流量,m3/s;ρ為污染物質量濃度,mg/L; A為斷面面積,m2;Ex為縱向分散系數,m2/s;K為綜合降解系數,1/s;S為污染源項,g/(m·s)。

根據質量守恒定律,對充分混合的節點,可認為與該節點鄰近的斷面濃度相等,并在各節點處滿足以下方程：

式中：j為節點號,i為與節點j相鄰的河道數;Ω為節點容蓄量,對于非調蓄節點,Ω=0;Sj為節點污染源排放量。

2.2 模型率定

2.2.1 原型調水試驗

2008年4月在焦港運河河沿線的雙樓橋、木勺子橋進行原型調水試驗。主要監測項目為水位、流量及水質監測斷面的COD。監測頻率為自開閘引水后,每隔1 h監測1次流量、水位水質。

2.2.2 水量模型參數率定

根據2008年4月的引、排水試驗監測成果,對水量、水位模型進行率定。率定后監測斷面流量計算值和實測值的對比見圖3,水位計算值和實測值的對比見圖4。率定得到的河道糙率值n為0.015～0.043。

2.2.3 水質模型參數率定

根據2008年4月的引、排水實驗監測成果,對水質模型進行率定。率定后的各斷面水質計算值和實測值的對比結果見圖5。率定得到的降解系數為KCOD=0.08～0.15/d。

圖3 流量計算值和實測值對比

圖4 水位計算值和實測值對比

圖5 水質計算值和實測值對比

3 南通市引江調水改善河網水環境效果模擬分析

3.1 水量模擬分析

根據行政區劃,南通市高水系河網可劃分為4個部分,即：如皋分區、海安分區、如東分區和通州分區,其中海門、啟東的通呂運河以北地區河網并入通州分區考慮,開展調水水量在四大分區的水量分配研究。由于水量模型只能得到江水與河水混合后的總水量,為了得到江水水量分配,首先利用水質模型計算置換率,總水量乘以置換率得到江水水量。河網內某點處的置換率是指該點處新水量占總水量的比例,其大小反映了水體的置換程度[6]。根據模型計算結果,2011年春季調水后長江水水量在各分區逐日演變過程見圖6所示。在第1輪引水過程中,由于僅開啟了九圩港閘和南通閘,所引長江水絕大部分進入通州分區,約占80%,其次進入如皋和如東分區,極少進入海安分區。在第2輪引水過程中,焦港閘、如皋港閘、碾砣港閘、九圩港閘和南通閘全部開啟引水,約有44%的江水進入通州分區,進入如皋和如東分區水量約占33%和20%,另有2%進入海安分區。第3輪引水水量較少,仍以進入通州分區最多,其次為如皋和如東,海安最少。第4輪引水和第一輪排水交叉進行,先排后引,排水初期,通州、如皋、如東分區中排水超過進水,3月18日后,進水水量逐漸超過排出的江水量。第5輪引水和第二輪排水交叉進行,先排后引,排水初期,除了海安分區外,通州、如皋、如東分區中排水超過進水,4月3日后,各分區進水水量逐漸超過排出的江水量。第6輪引水在各分區的分配為：如皋24%、海安14%、通州37%和如東25%。

3.2 水質模擬分析

利用河網水質模型進行調水改善水質的模擬分析。調水前河網水質背景濃度取2011年1月份平均濃度。根據長江南通段2011年水質監測均值作為調水設計水質。調水設計水文條件為2011年2—4月的調水流量資料。在計算區域內選擇了14個代表斷面進行水質改善分析,如皋3個、海安4個、如東4個、通州3個,具體位置見圖7。

根據水質預測結果,通州分區和如皋分區在第2輪引水后得到明顯改善,如東和海安分區在第4輪引水后得到明顯改善,各分區代表斷面水質均得到一定的改善(圖8～9)。

圖6 不同河網分區水量逐日演變過程

圖7 水質代表斷面位置

圖8 各分區代表斷面調水前后COD質量濃度對比

圖9 各分區調水前后NH3-N質量濃度對比

4 結 語

a.針對南通市高水系地區,進行了河網概化,建立了河網水量水質模型.通過模型率定驗證了模型可靠性。

b.利用水量模型計算江水與河水混合后的總水量,利用水質模型計算置換率,進行各分區的調水水量分配計算。計算結果表明,所調長江水量在調水初期,大部分進入通州分區,隨著調水輪次的增加,逐漸進入如皋、如東分區,最后進入海安分區。

c.利用河網水質模型分析了不同輪次調水對河網COD、NH3-N的改善效果。計算結果表明,通過多輪引水后,河網水質得到明顯改善。

d.通過實施南通市引江調水工程,可起到改善河網水質、增加水體環境容量、提高水體自凈能力的作用,對南通河網水環境綜合改善是有益的,是一種行之有效的方法。本文研究成果為南通市高水系地區的水質改善和水環境保護提供了科學的決策依據,該工作對其他同類型城市引江調水的研究具有一定的借鑒作用。

[1]李梓嘉,董增川,樊孔明,等.MIKE11模型在泗洪縣城城區河網引水沖污工程中的應用[J].水電能源科學, 2012,30(8)：100-103.(LI Zijia,DONG Zengchuan,FANG Kongming,et al.Application of MIKE11 model in water diversion and flushing pollutants of urban river network in Sihong City[J].Water Resources and Power,2012,30 (8)：100-103.(in Chinese))

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Simulation of improvement of water environment in river network of Nantong City by water diversion from Yangtze River

CHEN Jianbiao1,QIAN Xiaojuan1,ZHU Youyin1,CHEN Liqiang2
(1.Nantong Branch of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nantong 226006,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to objectively evaluate the improvement of the water environment in the river network of Nantong City through water diversion from the Yangtze River,the river network of this region was generalized and water quantity and water quality models were established.The models were used to calculate the distribution of diverted water in sub-areas.The reduction of the COD and NH3-N concentrations in the river network during different water diversion stages was analyzed.The results show that the water quality of the Tongzhou and Rugao sub-areas improved significantly during the second stage of water diversion,and the water quality of the Rudong and Haian sub-areas improved significantly during the fourth stage of water diversion.This study shows that water diversion from the Yangtze River is an effective way to improve the water environment,and this provides a scientific decisionmaking basis for the water diversion scheme of Nantong City.

water diversion from Yangtze River;water quantity model;water quality model;replacement rate; Nantong City

X820.6

A

1004-6933(2014)01-0038-05

201304-09 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.008

陳建標(1963—),男,高級工程師,從事水資源調查評價工作。E-mail：marigold0513@163.com