基于水動力-水質(zhì)同步原型觀測的城市生態(tài)補水方案研究*

張小穩(wěn)1 劉國慶 范子武

(1.無錫市防汛防旱指揮部辦公室，江蘇 無錫 214032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

隨著太湖水環(huán)境綜合治理的大力推進，無錫市政府近年來持續(xù)開展水環(huán)境治理工作，通過節(jié)水減排、控源截污、廢污水收集處理、調(diào)水引流以及黑臭河道治理等一系列工程和管理手段的實施，實現(xiàn)了全過程污染防控，水環(huán)境質(zhì)量明顯改善[1-2]。但是從現(xiàn)狀水環(huán)境來看，主城區(qū)河道由于多年來受工業(yè)、生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染的影響，市區(qū)70%以上的河道水質(zhì)劣于Ⅴ類，仍然是典型的水質(zhì)型缺水城市，水環(huán)境改善已成為無錫市提高城市品位、滿足人民群眾對美好生活的需求的關(guān)鍵瓶頸[3]。

1 研究區(qū)概況

無錫市城市防洪大包圍位于運河以東的中心城區(qū)，其范圍西至錫澄運河，南沿京杭運河，東以白屈港控制線為界，北至錫北運河，面積約136km2[4]。2003年無錫市開始實施城市防洪工程建設(shè)，2008年底建成，包括仙蠡橋樞紐、江尖樞紐、伯瀆港樞紐、九里河樞紐、利民橋樞紐、北興塘樞紐、嚴(yán)埭港樞紐、寺頭港節(jié)制閘8個水利樞紐、32km堤防以及11座小口門建筑物。

大包圍水系以東西方向河道為主，包括北興塘、九里河、伯瀆港等；南北方向河道主要有白屈港、桐橋港、東亭港-江溪港-旺莊港等，水域面積比例為9.1%。該區(qū)域?qū)儆诟叱擎?zhèn)化平原河網(wǎng)地區(qū)，人口密集、經(jīng)濟發(fā)達、污染負荷重，河道流速平緩、自凈能力差，多年來區(qū)域水環(huán)境較差。主干河道中伯瀆港、桐橋港、東亭港-江溪港-旺莊港等水質(zhì)為劣Ⅴ類，北興塘、九里河、白屈港等水質(zhì)在Ⅴ類左右。為提升區(qū)域河道水動力條件，增強水體自凈能力，改善河網(wǎng)水質(zhì)，本研究構(gòu)建基于一維水動力精細化河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型開展研究，結(jié)合原型觀測，制定主城區(qū)生態(tài)補水方案，實施后取得了良好成效。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建原理

InfoWorks ICM的水力計算采用完全求解的圣維南方程模擬明渠流，對于超負荷的模擬采用Preissmann Slot方法，能夠仿真各種復(fù)雜的水力狀況。各水力設(shè)施真實反映水泵、孔口、涵洞、閘門、調(diào)蓄池等構(gòu)筑物的水力狀況。河網(wǎng)水體流動具有明顯一維特征，采用1D河網(wǎng)模型，求解應(yīng)用St.Vennant方程組描述[5-6]。

連續(xù)方程：

(1)

運動方程：

(2)

2.2 模型構(gòu)建過程

2.2.1 斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入

河道斷面是一維河網(wǎng)模型計算的基本要素，無錫大包圍模型中河道斷面創(chuàng)建有兩種方式：針對實測斷面數(shù)據(jù)，首先將斷面數(shù)據(jù)整理成ICM軟件需要的標(biāo)準(zhǔn)格式，從軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心，將河道ID及河道斷面數(shù)據(jù)表導(dǎo)入模型，并對其進行檢查和修正，使其垂直于河道中心線。在模型構(gòu)建過程中，對于河網(wǎng)交叉河道連接點，泵站、水閘連接點需要線性內(nèi)插斷面。

2.2.2 斷面創(chuàng)建與河道連接

河道斷面導(dǎo)入模型后，新建break點，對照編制區(qū)域的影像或水系底圖，建立河道中心線，并以線創(chuàng)建斷面，河道斷面創(chuàng)建完成后，根據(jù)區(qū)域水系特點及水流方向，完成河網(wǎng)連接。

2.2.3 創(chuàng)建水利工程及調(diào)度規(guī)則

模型構(gòu)建中水工建筑物主要包括閘門、泵站和涵洞等，這些水工建筑物創(chuàng)建于斷面之間，其中，閘門、泵站、涵洞都是以線型對象概化。對象創(chuàng)建之后，對建筑物進行參數(shù)賦值，包括閘門、涵洞的尺寸參數(shù)及過流計算參數(shù)，泵站的數(shù)量、水泵流量揚程曲線等，圖1(c)中黑色矩形為水閘，藍色三角形為泵站。模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，對模型中構(gòu)建的水利工程，包括閘門、泵站以及涵洞的調(diào)度邏輯進行編寫。無錫運東大包圍模型構(gòu)建過程見圖1。

圖1 河網(wǎng)模型構(gòu)建過程

2.3 模型率定驗證

2.3.1 模型參數(shù)選取

a.空間步長:無錫大包圍一維模型根據(jù)斷面資料采用不等間距的節(jié)點布置，實測河道斷面間距約為100m，模型計算步長為100m。

b.時間步長:為滿足模型計算穩(wěn)定性和精度的要求，通過模型計算調(diào)試，時間步長采用60s。

c.河道糙率:河道糙率取值主要參考《水力計算手冊(第二版)》(2006年)、《無錫市城市防洪規(guī)劃》(2015年)、《無錫市排水(雨水)專項規(guī)劃(2012—2020)》(2014年)、《無錫市城市防洪規(guī)劃》《無錫市城市排水與防澇綜合規(guī)劃》以及《無錫市梁溪區(qū)水系規(guī)劃(2017—2030)》(2018年)等相關(guān)文獻中有關(guān)人工渠道以及本區(qū)域河道的經(jīng)驗值，初步取值范圍為0.02～0.04。

2.3.2 模型率定驗證方法

模型的率定驗證主要用于調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)以提高模擬結(jié)果的精確度。一維模型中的主要影響因子包括空間步長、時間步長以及河道糙率等[7-9]。利用2018年5月9日8∶00至5月10日8∶00的時段數(shù)據(jù)進行模型率定，采用Nash-Sutcliffe系數(shù)NSE和確定性系數(shù)R2對模型有效性進行評定：

(3)

(4)

2.3.3 模型率定驗證

本次模型率定驗證采用的內(nèi)部監(jiān)測斷面分布均勻，能夠充分反映區(qū)域范圍內(nèi)河網(wǎng)水動力變化過程。其中，模型率定選取的區(qū)域內(nèi)部站點為東亭港、轉(zhuǎn)水河、跨塘橋、環(huán)城河。模型率定結(jié)果表明，選取的4個率定站點其計算水位序列和實測水位序列最大絕對水位誤差均小于4cm，見圖2，NSE系數(shù)均大于0，表明模式質(zhì)量好或者模擬結(jié)果接近觀測值的平均值水平，相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果表明相關(guān)性中等偏上，即模型結(jié)果總體可信，見表1。

圖2 水位數(shù)據(jù)率定結(jié)果

表1 率定驗證結(jié)果分析

3 生態(tài)補水方案

3.1 水源選擇

大包圍外圍水源主要有白屈港、大運河、梁溪河、錫澄運河及望虞河等。其中大運河、錫澄運河來水水質(zhì)較差不適宜作為引水水源；梁溪河來水水質(zhì)較好但夏季受太湖藍藻影響，僅冬季可以使用；望虞河來水水質(zhì)較好但流量較小；白屈港來水水質(zhì)較好且流量充足。由于本次補水方案驗證在冬季進行，因此選取梁溪河、白屈港作為水源。

3.2 方案制定

根據(jù)選取的水源，利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，進行生態(tài)補水方案計算。計算結(jié)果綜合考慮大包圍內(nèi)水體的流動性，水質(zhì)改善效果及工程調(diào)度的可實施性，制定了大包圍內(nèi)8大樞紐調(diào)度方案。其中江尖樞紐、北興塘樞紐、九里河樞紐、寺頭港節(jié)制閘關(guān)閉，嚴(yán)埭港樞紐開閘引水，仙蠡橋樞紐地涵打開引梁溪河水進城，伯瀆港樞紐、利民橋樞紐各開機一臺排水，補水路線見圖3。

3.3 水動力-水質(zhì)同步原型觀測

3.3.1 水質(zhì)取樣點選取

針對大包圍河網(wǎng)特點和本次現(xiàn)場原型觀測試驗的目標(biāo)，在引水主通道及支流河道的分流處布置了6個水質(zhì)觀測與取樣斷面，見圖4。其中，嚴(yán)埭港樞紐圩內(nèi)引水口、仙蠡橋樞紐引水口為主要的入流水質(zhì)邊界，可代表水源的水質(zhì)變化過程；河網(wǎng)內(nèi)部重點關(guān)注東亭港、跨塘橋以及出水口利民橋閘內(nèi)、伯瀆港閘內(nèi)水質(zhì)，分別在對應(yīng)的入流斷面和出流斷面布設(shè)監(jiān)測取樣點，獲得對應(yīng)斷面處各項水質(zhì)指標(biāo)隨時間的變化過程，為評估調(diào)水效果以及調(diào)水過程中水質(zhì)的改善規(guī)律提供完整的數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測指標(biāo)主要包括pH值、溫度、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等。

圖3 補水路線圖

圖4 水質(zhì)監(jiān)測站點圖

3.3.2 水質(zhì)結(jié)果分析

水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2、表3，嚴(yán)埭港進水口水質(zhì)穩(wěn)定，在Ⅳ類左右；仙蠡橋進水口水質(zhì)在Ⅲ類左右；跨塘橋、利民橋出口水補水前水質(zhì)是劣Ⅴ類，補水后水質(zhì)提升至Ⅲ類；錫興路(東亭港)、伯瀆港出口水質(zhì)雖未有級別上的提升，但各指標(biāo)濃度均有所降低。

表2 生態(tài)補水前取樣點基底水質(zhì)

表3 生態(tài)補水后取樣點水質(zhì)

4 結(jié) 論

通過前期的資料收集、現(xiàn)場踏勘、模型構(gòu)建、方案制定及現(xiàn)場驗證，利用大包圍樞紐工程，連續(xù)調(diào)水引流入城，大包圍內(nèi)骨干河網(wǎng)水質(zhì)顯著提升，調(diào)水過程中不同點位水質(zhì)改善效果存在一定的差異。從本次試驗條件的結(jié)果來看，跨塘橋、利民橋出口改善效果最好，補水試驗結(jié)束后水質(zhì)由劣Ⅴ類提升至Ⅲ類，錫興路(東亭港)、伯瀆港樞紐出口水質(zhì)雖然沒有級別上的提升，但各項指標(biāo)濃度均有所改善。生態(tài)補水試驗結(jié)束后片區(qū)內(nèi)水質(zhì)出現(xiàn)反彈，表明大包圍內(nèi)控源截污還存在缺陷，需進一步完善。