平原河網區調水引流研究進展

潘小保，蔡 斌，柳 楊，謝 忱，丁 瑞

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210000；2.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200000)

平原河網區通過調水引流引入優質水源，合理的調度運行，既可以增加引入清水量，有效增加河道水環境容量，也可以增大流速，提高河水的復氧、自凈能力，是迅速有效改善水環境質量的綜合治理措施之一。本文就國內外調水引流提升水環境及利用數學模型模擬改善效果的研究進行綜述，以期為水資源高效利用、水環境改善提供參考。

1 調水引流

1.1 調水引流對河網水質的改善效果

引清調水的作用不只是增加水量、稀釋污水、增加水環境容量，更重要的是激活水流，增加流速，使水體中氧的濃度增加，水體的自凈系數k值增大，水體的自凈能力增強，水生微生物、植物的數量和種類也相應增加，水生生物活性增強，通過多種生物的新陳代謝作用達到凈化水質的目的。在感潮河網地區，充分利用充沛的過境清水和感潮河網的潮汐水動力特性，發揮己建水利工程的作用進行調度，促進水體良性循環，具有效果好、費用低、運行管理相對簡單的特點。

日本最早通過水資源調度改善河道水質的工作，東京1964年從利根川和荒川引入清水改善隅田川水質從而開啟了引清調水的先河[1]；此外，如美國引密西西比河入Pontchartrain湖的引水工程[2]、荷蘭Veluwemeetr湖的引換水工程[3]，都獲得了良好的水質改善效果。

國內自20世紀80年代末開始有引水沖污、引清調水改善水環境的試驗嘗試[4- 5]，當時已能根據引水工程運行現狀，對河道水質的改善進行定性和定量評估。21世紀以來，常熟、昆山等地[6- 7]在引水試驗現場監測水量、水質的基礎上，結合MIKE11等水量水質數學模型，模擬不同工況下不同引水量的水質改善效果，以此指導引水方案的制定。上海市[8]制定了引清調水的常規方案和應對雨天市政泵站放江或突發性船舶污染事故的應急預案，確保了引清調水效果的長效性；無錫、常州等沿江地區[9- 10]在泵引基礎上利用長江潮差引水改善平原河網水環境，改善效果明顯，且減少了能源消耗；南通市[11]利用水量水質模型進行了不同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；南京市[12]分別對枯水期、汛期不同引水規模、閘控方式和引水方式的引調水方案進行了水量水質的數值模擬，很好地將水環境調度和防汛調度相結合，在穩步提升水環境的同時不影響防汛安全；浙江省杭嘉湖地區[13]運用水量水質數學模型模擬發現，階段性引調水的效率優于連續性引調水，能在減少實際引調水歷時與水量的同時，達到與連續性引調水相近的改善水質效果。

大量的調水引流試驗，一方面驗證了調水引流改善水環境的效果，也進一步探討了引水規模、引水方式、閘泵堰等的聯合調度對改善效果的影響、水環境調度與防汛調度的沖突解決、水環境調度在突發污染事件中的應用、平原感潮河網區利用大河潮差引水等等，為其他地區水環境改善提供了很好地借鑒意義。

1.2 綜合施策

將截污控源、河道整治等水環境治理措施結合調水引流綜合施策，能夠更好地提升水環境。浙江省平湖市[14]運用水量水質數學模型，以主要污染物氨氮、COD、TP的實測數據為依據，計算出達到水質改善目標應削減的污染負荷；浙江溫黃平原[15]運用數學模型，模擬不同污染物削減量和不同引水量組合下的水質狀況。

綜上，國內外學者在調水引流提升水環境方面做了大量的工作，但目前水動力指標對河網水質指標影響的定量關系仍然不夠明確，需要進一步建立水動力與水質指標的定量關系，從而可以依據不同水量水質狀況、污染物排放狀況制定調水方案，并精確預測水質改善效果，實現水資源調度的數字化、科學化和精細化。

2 數學模型

2.1 水動力數學模型

河網水動力數學模型大體可以分為節點-河道模型、單元劃分模型、混合模型以及人工神經網絡模型4類。目前，河網水動力模型仍然以節點-河道模型為主，對Saint-Venant方程組離散求解。其基本思想是：將河網中的每一河道視為單一河道，其控制方程均為一維Saint-Venant方程組；河道連接處稱為節點，每個節點處均應滿足水流連續性方程和能量守恒方程。求解由邊界條件、Saint-Venant方程組和節點銜接方程聯立閉合方程組，即可得到各河段內部斷面的未知水力要素。

20世紀20年代，Sterneck和Defant首次采用一維水動力模擬對河流進行模擬，并取得一定的研究進展。1953年Stocks初次將Saint-Venant方程成功應用于洪水的計算[16]。一維水動力的提出為二維的水動力奠定了有效的基礎。1970—1980年，有限差分法的提出使得二維模型有了巨大的進展。1979年Van Leer根據單調插值將一階格式推廣到了二階精度[17]。1980年至今，三維模型得到快速的發展和成熟的應用，其在水動力垂向結構變化較大時的適用性比一維和二維更強[18- 20]。

我國在水動力模型的研究上己有大量的研究成果。2013年，錢海平等人對平原地區的感潮河網進行研究分析，說明MIKE 11模型能夠模擬出感潮河網的水動力特征[14]。2015年，黃軼康等人建立EFDC模型對長江溢油事故的風險進行了預測，準確地反映研究區域內的溢油擴展與油膜遷移運動的規律[21]。

利用水動力模型對調水引流后的河流流速、流量、水位等水動力要素進行模擬，可以更好地指導調水引流的設計方案，通過控導工程進行水資源配置，實現平原河網區河網按需配水、有序流動。

2.2 水質數學模型

水質數學模型是根據物質守恒的原理來描述不同污染物質在水中遷移轉化過程和規律，可為預測未來水質及預防提供決策支持。按照水質類型的時空分布，水質模型主要由零維水質模型、一維水質模型、二維水質模型和三維水質模型組成。從1925年斯特里特(H.W.Streeter和費爾普斯(E. B.Phelps)建立了S-P模型開始至今[22]，水質數學模型經歷了五個發展階段[23- 24]。第一階段(1925—1960年)以S-P模型為代表，后來科學家在其基礎上成功地發展了BOD-DO耦合模型，并應用于水質預測等方面；第二階段(1960—1965年)在S-P模型的基礎上又有了新的發展，引進了空間變量、物理、動力學系數，溫度作為狀態變量也被引入到一維河流和水庫(湖泊)模型，同時考慮了空氣和水表面的熱交換，并將其用于比較復雜的系統；第三階段(1965—1970年)其他輸入源和漏源包括氮化合物好氧(NOD)、光合作用、藻類的呼吸以及沉降、再懸浮等等，計算機的成功應用使水質數學模型的研究取得了突破性的進展；第四階段(1970—1975年)水質模型已發展成相互作用的線性化體系、生態水質模型的研究初見端倪，有限元模型用于兩維體系，有限差分技術應用于水質模型的計算；第五階段(近20多年)科學家的注意力己逐漸地轉移到改善模型的可靠性和評價能力的研究上。

我國水質數學模型的起步較晚，但經過一段時間的完善后也日益發展成熟。2013年，朱茂森采用了MIKE 11模型對遼河流域的污染物在水體中遷移擴散進行模擬，模擬出污染物的遷移擴散和衰減過程[25]。2014年，張文時構建EFDC模型對重慶趙家溪的水動力水質進行模擬，模型的誤差值均小于30%[26]。

利用水質模型對調水引流后的河流中高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、溶解氧、透明度、溫度、pH等水質要素進行模擬，可以更好地預見調水引流后的水質改善效果，為水質預測、預防提供決策支持。

2.3 數學模型評價

從20世紀70年代開始，水環境數值模型得到了快速的發展。國內外常用的水動力-水質模型有EFDC、MIKE、Delft3D、WASP等，常見模型主要功能和適用水體及優點見表1[27]。

表1 常見模型主要功能、適用水體、主要優點

3 結論

國內外近年來對調水引流提升水環境、數學模型模擬水質改善效果等展開了廣泛而深入的研究，但在以下方面仍然有待進一步研究。

(1)目前水動力對河網水質影響的定量關系仍不夠不明確，需要進一步建立水動力與水質指標的定量關系，從而進一步提高水質模擬精度，為精準化調度提供依據；

(2)目前國內外已有的模型多為單一尺度，常用的MIKE、Delft3D、ICM等商用軟件不具備多級耦合模擬功能，需要對河網進行分級建模，雙向嵌套，依據用戶需求，自由選擇模擬尺度。