水量調(diào)度對(duì)內(nèi)秦淮河水質(zhì)改善的效應(yīng)評(píng)估

夏 琨, 王 華, 秦文浩, 錢(qián) 鈞

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210098)

水量調(diào)度對(duì)內(nèi)秦淮河水質(zhì)改善的效應(yīng)評(píng)估

夏 琨1, 王 華1, 秦文浩1, 錢(qián) 鈞2

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省秦淮河水利工程管理處,江蘇 南京 210098)

為了分析論證內(nèi)秦淮河現(xiàn)狀引調(diào)水的效果和存在問(wèn)題,采用MIKE11模型對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化,建立了一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。以枯水期為例,選取6個(gè)控制斷面的氨氮濃度為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),運(yùn)用驗(yàn)證后的模型對(duì)內(nèi)秦淮河現(xiàn)狀引調(diào)水的效果進(jìn)行模擬與計(jì)算。結(jié)果表明:現(xiàn)狀條件下,內(nèi)秦淮河水體污染較嚴(yán)重,水源地水質(zhì)和引水流量達(dá)不到引水沖污的要求,需改善水源地水質(zhì)，加大引水流量;每條引調(diào)水線路均存在引水盲區(qū),引水沖污應(yīng)采取4條線路聯(lián)合引調(diào)水的方式。

內(nèi)秦淮河;水量調(diào)度;引水沖污;一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型;水質(zhì)改善效應(yīng);效應(yīng)評(píng)估

隨著城市人口的持續(xù)增長(zhǎng)、城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市內(nèi)河在人類(lèi)活動(dòng)的影響下,水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。而為了控制水位和防洪排澇,較多的閘控設(shè)施導(dǎo)致內(nèi)河的水體循環(huán)不暢,更加劇了水質(zhì)的惡化。時(shí)下,見(jiàn)效快、效果明顯,在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛[1-2]的城市內(nèi)河污染治理手段是引水沖污,即通過(guò)引調(diào)鄰近水域的清水到受污染水體來(lái)沖刷稀釋水體中污染物的濃度,以達(dá)到快速改善水體水環(huán)境的目的。目前,關(guān)于通過(guò)引水沖污改善城市內(nèi)河水環(huán)境的研究較多,如盧士強(qiáng)等[3]利用MIKE11模型模擬研究了蘇州河水系綜合調(diào)水對(duì)黃浦江以及蘊(yùn)藻浜水質(zhì)的影響;盧士強(qiáng)等[4]利用MIKE11建立了上海市平原感潮河網(wǎng)的水動(dòng)力和水質(zhì)模型,模擬和分析了主要調(diào)水方案對(duì)水質(zhì)的影響;劉云華等[5]對(duì)深圳河灣水系的珠江口引水和大鵬灣引水方案進(jìn)行了研究;陳志和等[6]研究了中山市水環(huán)境引水調(diào)控措施與實(shí)施效果;李梓嘉等[7]利用MIKE11模型模擬分析了各種引水沖污工程調(diào)控措施對(duì)泗洪縣城區(qū)水系水量水質(zhì)的影響;童朝鋒等[8]構(gòu)建了一維河網(wǎng)水動(dòng)力和水質(zhì)模型模擬了不同時(shí)期不同水源補(bǔ)給以及在不同閘控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方式下外秦淮河水質(zhì)的相應(yīng)變化情況。上述研究的重點(diǎn)都在達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)所需的引水流量和引水后水體水質(zhì)改善效果的認(rèn)定上，而基于現(xiàn)狀各單線引調(diào)水方案下的水質(zhì)情況和水源地情況,對(duì)現(xiàn)狀引調(diào)水的改善效果和存在問(wèn)題的研究尚不多見(jiàn)。

自2007年起,江蘇省秦淮河水利工程管理處開(kāi)始不定期引長(zhǎng)江水沖洗河道,內(nèi)秦淮河水質(zhì)有所改善,但水質(zhì)時(shí)好時(shí)壞。據(jù)對(duì)內(nèi)秦淮河各段水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果,2012年內(nèi)秦淮河全年水質(zhì)總體狀況為劣V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)低于Ⅳ類(lèi)水體的功能區(qū)劃要求。內(nèi)秦淮河的主要污染物是有機(jī)物,表現(xiàn)為典型的城市污水污染特征,主要超標(biāo)項(xiàng)目有TN、NH3-N、DO等,其中TN、NH3-N是超標(biāo)最為嚴(yán)重的污染指標(biāo),超標(biāo)率在90%以上。筆者針對(duì)內(nèi)秦淮河面臨的水環(huán)境問(wèn)題,基于現(xiàn)狀水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料和引調(diào)水方案,建立MIKE11一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型,利用驗(yàn)證后的模型模擬現(xiàn)狀引水對(duì)內(nèi)秦淮河的水質(zhì)改善情況。以2012年枯水期(12月、1月和2月)為例,選擇秦淮河珍珠橋、竺橋、大中橋、五龍橋、文德橋和倉(cāng)巷橋6個(gè)水質(zhì)控制斷面,選取主要超標(biāo)因子NH3-N為評(píng)價(jià)指標(biāo),定量評(píng)估現(xiàn)狀引水調(diào)度方案對(duì)內(nèi)秦淮河的水質(zhì)改善效果,分析內(nèi)秦淮河現(xiàn)狀引調(diào)水存在的問(wèn)題,并提出相關(guān)建議,以期為內(nèi)秦淮河和類(lèi)似城市內(nèi)河水系引水沖污的優(yōu)化提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)秦淮河位于江蘇省南京市城南、城東地區(qū),處于北緯32°0′34.16″～32°4′0.07″、東經(jīng)118°45′25.77″～118°49′42.73″之間,沿途流經(jīng)秦淮、建鄴、白下、玄武4區(qū)及鼓樓區(qū)的一小部分,主流、支流全長(zhǎng)25.2 km,匯水面積24.7 km2。內(nèi)秦淮河是主城區(qū)秦淮河水系內(nèi)最重要的景觀河道,穿越國(guó)家5A級(jí)夫子廟旅游風(fēng)景區(qū),主要功能是承接主城區(qū)秦淮河水系的洪水與澇水排入秦淮河干流。內(nèi)秦淮河主流分為南段、中段、東段及北段,支流包括進(jìn)香河、珍珠河、九華山溝、香林寺溝、清溪河、玉帶河及明御河等。內(nèi)秦淮河的地形呈東北高西南低,河水流向?yàn)樽员毕蚰稀⒆詵|向西[9]。內(nèi)秦淮河地理位置及水系見(jiàn)圖1。

圖1 內(nèi)秦淮河地理位置

2 模型構(gòu)建

充分利用內(nèi)秦淮河水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和污染源調(diào)查資料,對(duì)內(nèi)秦淮河中段、南段、北段、東段、珍珠河、香林寺溝、明御河、玉帶河、清溪河等12條河段進(jìn)行概化,基于MIKE11平臺(tái)建立一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,以確定主要河道的水量模型參數(shù)和水質(zhì)降解參數(shù)。

2.1 水量水質(zhì)耦合模型

計(jì)算水量的微分方程是建立在質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組,以流量和水位為未知變量,并補(bǔ)充考慮漫灘和旁側(cè)入流的完全形式的圣維南方程組為

(1)

式中:Q為流量;x為沿水流方向空間坐標(biāo);BW為調(diào)蓄寬度,指包括灘地在內(nèi)的全部河寬;Z為水位;t為時(shí)間;q為單位河長(zhǎng)旁側(cè)入流流量,入流為正,出流為負(fù);u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

對(duì)式(1)以普賴(lài)斯曼(Preissmann)四點(diǎn)隱式差分格式將其離散,輔以連接條件,形成河道方程,以微段、河段、汊點(diǎn)三級(jí)聯(lián)解的方法求解。

河網(wǎng)對(duì)流傳輸移動(dòng)問(wèn)題的河道和河道汊點(diǎn)基本方程為

(3)

式中:ρ為水流輸送的物質(zhì)質(zhì)量濃度;Ex為縱向分散系數(shù);Sc為與輸送物質(zhì)質(zhì)量濃度有關(guān)的衰減項(xiàng),Sc=KdAρ，Kd為衰減因子;S為外部的源匯項(xiàng)；Ω為河道汊點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);i為與節(jié)點(diǎn)j相連接的河道編號(hào)。

對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用向前差分、對(duì)流項(xiàng)采用上風(fēng)格式、擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式求解[10]。

2.2 河網(wǎng)概化

內(nèi)秦淮河河網(wǎng)可以概化成8個(gè)節(jié)點(diǎn)、12條河道,河網(wǎng)共6個(gè)邊界,其中4個(gè)入流流量控制邊界,包括作為玄武湖引水口的武廟閘、太平門(mén)閘、銅芯管閘,作為外秦淮河引水的象房村三孔閘;2個(gè)出流水位控制邊界,即鐵窗欞泵站和西水關(guān)泵站。內(nèi)秦淮河河網(wǎng)概化如圖2所示。

圖2 內(nèi)秦淮河河網(wǎng)概化圖(單位：km)

2.3 模型參數(shù)選擇及邊界條件選取

2.3.1 模型參數(shù)選擇

圖3 2012年內(nèi)秦淮河各控制斷面流量驗(yàn)證結(jié)果

內(nèi)秦淮河糙率取為0.022～0.025,基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到NH3-N的降解系數(shù),鼓樓區(qū)取0.023～0.025,玄武區(qū)取0.032～0.034,白下區(qū)取0.033～0.035,秦淮區(qū)取0.057～0.058。

2.3.2 模型邊界條件選取

根據(jù)內(nèi)秦淮河模型的概化結(jié)果,選取6個(gè)邊界斷面:武廟閘、太平門(mén)閘、銅芯管閘、象房村三孔閘、鐵窗欞泵站、西水關(guān)泵站。模型的邊界條件為以上6個(gè)邊界斷面各時(shí)段的流量、水位和水質(zhì)實(shí)測(cè)值。

2.4 模型驗(yàn)證

2.4.1 水量模型驗(yàn)證

水量模型驗(yàn)證中,選取2012年為基準(zhǔn)年。基于2012年的6個(gè)邊界斷面的引調(diào)水資料,選取浮橋、竺橋、大中橋、倉(cāng)巷橋、五龍橋和文德橋6個(gè)控制斷面進(jìn)行驗(yàn)證，圖3為2012年內(nèi)秦淮河各斷面流量驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果顯示相對(duì)誤差均在15%以?xún)?nèi),計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合,表明模型可以用來(lái)開(kāi)展內(nèi)秦淮河水量的模擬和預(yù)測(cè)。

2.4.2 水質(zhì)模型驗(yàn)證

水質(zhì)模型驗(yàn)證中,選取2012年為基準(zhǔn)年。基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到NH3-N的降解系數(shù),對(duì)浮橋、竺橋、大中橋、倉(cāng)巷橋和五龍橋6個(gè)控制斷面的NH3-N質(zhì)量濃度進(jìn)行驗(yàn)證。圖4為2012年內(nèi)秦淮河各斷面NH3-N質(zhì)量濃度驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果表明模擬值和實(shí)測(cè)值吻合較好,所建模型可用來(lái)進(jìn)行內(nèi)秦淮河水質(zhì)的計(jì)算和預(yù)測(cè)。

3 水量調(diào)度改善效果評(píng)估

3.1 現(xiàn)狀引水調(diào)度

圖4 2012年內(nèi)秦淮河各控制斷面NH3-N質(zhì)量濃度驗(yàn)證結(jié)果

內(nèi)秦淮河的引水水源有北源玄武湖、南源外秦淮河(武定門(mén)閘上游)和東源月牙湖,2012年枯水期3個(gè)水源地和6個(gè)控制斷面的NH3-N的質(zhì)量濃度情況見(jiàn)表1。現(xiàn)狀引調(diào)水采取常流量自流方式通過(guò)4條線路引水沖洗內(nèi)秦淮河(具體線路見(jiàn)圖5),其中線路一開(kāi)武廟閘引玄武湖水約1 m3/s,線路二開(kāi)太平門(mén)閘引玄武湖水約0.5 m3/s,線路三開(kāi)象房村三孔閘引外秦淮河水約2 m3/s,線路四開(kāi)銅芯管閘引月牙湖水約0.5 m3/s,4條線路均從鐵窗欞泵站和西水關(guān)泵站出水。

表1 2012年內(nèi)秦淮河枯水期水源地和控制斷面的NH3-N質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值 mg/L

圖5 2012年內(nèi)秦淮河現(xiàn)狀引水調(diào)度線路

3.2 效果分析

運(yùn)用所建一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型,根據(jù)引調(diào)水實(shí)際工況中武廟閘、太平門(mén)閘、象房村三孔閘和銅芯管閘的引水流量,分別模擬和計(jì)算了枯水期4條線路現(xiàn)狀引調(diào)水流量下NH3-N質(zhì)量濃度的變化情況,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 2012年內(nèi)秦淮河各線路現(xiàn)狀引水流量下NH3-N質(zhì)量濃度變化情況

NH3-N的Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為1.5 mg/L,Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為2.0 mg/L,根據(jù)圖6的結(jié)果對(duì)引調(diào)水的改善效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估與分析,結(jié)果表明:①在枯水期水源地現(xiàn)狀引水水質(zhì)和流量的條件下,內(nèi)秦淮河流域的NH3-N質(zhì)量濃度仍處于劣Ⅴ類(lèi),運(yùn)高于其水環(huán)境功能要求。主要原因有:內(nèi)秦淮河污染較為嚴(yán)重,入河污染負(fù)荷較大;現(xiàn)狀引調(diào)水流量較小,引清治污能力有限,已不能滿(mǎn)足現(xiàn)狀水質(zhì)改善的要求;水源地均是間接引長(zhǎng)江水沖洗內(nèi)秦淮河,長(zhǎng)江水中NH3-N等的質(zhì)量濃度本來(lái)就偏高,水源地的NH3-N指標(biāo)除玄武湖較好外,外秦淮河和月牙湖的均為劣Ⅴ類(lèi),達(dá)不到水環(huán)境功能要求。②4條引調(diào)水線路分別存在改善區(qū)域和引水盲區(qū)。其中線路一的引調(diào)水對(duì)浮橋和大中橋斷面的改善效果較為明顯,NH3-N質(zhì)量濃度分別降低19%和12%,引水盲區(qū)為竺橋和大中橋斷面所在的城東水系;線路二的引調(diào)水對(duì)竺橋斷面的改善效果較為明顯,NH3-N質(zhì)量濃度降低11%,引水盲區(qū)為浮橋斷面所在的珍珠河和內(nèi)秦淮河北段;線路三的引調(diào)水對(duì)倉(cāng)巷橋和文德橋斷面所在的內(nèi)秦淮河中段和南段的改善效果較為明顯,NH3-N質(zhì)量濃度分別降低18%和21%,引水盲區(qū)為浮橋、竺橋、五龍橋和大中橋斷面所在的河段;線路四的引調(diào)水對(duì)五龍橋的改善效果較為明顯,NH3-N質(zhì)量濃度降低11%,引水盲區(qū)為浮橋斷面所在的珍珠河和內(nèi)秦淮河北段。③對(duì)倉(cāng)巷橋和文德橋斷面所在的重污染區(qū),北源和東源沖洗路徑過(guò)長(zhǎng),引調(diào)水對(duì)接近水源地河段的沖洗效果較好,對(duì)文德橋和倉(cāng)巷橋斷面的水質(zhì)改善效果則不明顯,而南源沖洗路徑短,引調(diào)水對(duì)倉(cāng)巷橋和文德橋斷面水質(zhì)改善效果最好,NH3-N質(zhì)量濃度降低幅度可達(dá)20%左右。

4 結(jié)論與建議

a. 現(xiàn)狀引調(diào)水條件下,引水流量不能滿(mǎn)足需求。各線路引水沖污對(duì)內(nèi)秦淮河水質(zhì)的改善效果不明顯,內(nèi)秦淮河流域水質(zhì)仍為劣Ⅴ類(lèi),需加大引調(diào)水流量;4條引水線路分別存在其引水改善效果較好區(qū)域和引水盲區(qū),引水沖污應(yīng)采用4條線路聯(lián)合引調(diào)水的方式;基于現(xiàn)狀引調(diào)水的不合理之處,應(yīng)進(jìn)一步研究改善秦淮河流域的水量水質(zhì)優(yōu)化調(diào)控方案。

b. 引水水源地的水質(zhì)需改善。水源地的水質(zhì)對(duì)引水工程改善內(nèi)秦淮河水環(huán)境有著至關(guān)重要的作用。干凈、可持續(xù)利用的水源是實(shí)施引水工程的首要前提條件,故需加大對(duì)水源地水環(huán)境的治理。當(dāng)前內(nèi)秦淮河引水水源有北源玄武湖、南源外秦淮河和東源月牙湖,這些水源地均受到不同程度的污染,尤其月牙湖接納了周邊娛樂(lè)場(chǎng)所和私人養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污水,使得本線路引水沖污效果不明顯。

c. 其他整治措施力度需加大。內(nèi)秦淮河流域水體污染較嚴(yán)重,入河污染負(fù)荷較大,截污是內(nèi)秦淮河整治的根本性措施,只有從源頭上減少和控制污染物入河,才能保證內(nèi)秦淮河的水質(zhì)有改善的可能。引水沖污工程能緩解內(nèi)秦淮河水質(zhì)惡化,但治標(biāo)不治本,且排出的污水會(huì)成為外秦淮河的負(fù)擔(dān),故在引調(diào)清水的同時(shí)要實(shí)施其他整治措施,如截污、疏浚、曝氣復(fù)氧、生態(tài)修復(fù)等,內(nèi)秦淮河水環(huán)境的整治效果才會(huì)更理想。

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Assessment on effects of water quality improvement in Inner Qinhuai River by water dispatching

XIA Kun1, WANG Hua1, QIN Wenhao1, QIAN Jun2

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.WaterConservancyProjectManagementOfficeoftheQinhuaiRiverinJiangsuProvince,Nanjing210098,China)

In order to analyze the effects and existing problems of water diversion in Inner Qinhuai River, a river network was generalized by MIKE11 model, and a one-dimension mathematical model of the river network was set up. Taking the typical dry season as an example, NH3-N concentration of six control sections were selected as the assessment index of water quality, and a validated model was applied to simulate and calculate the effects of water diversion. The results show that the Inner Qinhuai River is seriously polluted, and the water quality and the flow of water diversion are not up to the requirements of flushing pollutants, and the water quality in water source area should be improved and the flow of water diversion should be increased. There are blind spots of water diversion in every water diversion line, and we should take 4 lines of diverting water jointly to flush pollutants.

Inner Qinhuai River; water dispatching; water diversion for flushing pollutants; one-dimension mathematical model of river networks; effects of water quality improvement; effects assessment

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.015

江蘇省水利科技項(xiàng)目(2012015)

夏琨(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗h(huán)境保護(hù)及數(shù)值模擬。E-mail: xk19910523@163.com

X522

A

1004-6933(2015)02-0074-05

2014-05-06 編輯：彭桃英)