不同引配水模式對(duì)區(qū)域水質(zhì)提升效果分析

岳青華，王司辰，朱 捷，郭 靖，趙建鋒

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州311100)

我國城市經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，但日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題也隨之而來[1-2]。因此，強(qiáng)化污染源控制，加強(qiáng)水環(huán)境管理已刻不容緩[3]。區(qū)域水質(zhì)提升需采用長效綜合治理手段，包括控污、治污和活水等。控污在技術(shù)上主要為截污納管。治污主要為運(yùn)用物理、化學(xué)及生活手段降低水體中污染物含量，改善水質(zhì)。活水主要為域外引水和域內(nèi)活水，通過引配水的方式改善水動(dòng)力條件，提高水體的自凈能力，從而提升水體水質(zhì)[4-5]。本文以臺(tái)州南片溫黃平原為研究對(duì)象，以靈江建閘部分引水作為生態(tài)配水水源，制定不同的引配水模式，通過使用數(shù)值模型對(duì)不同引配水模式對(duì)水體水質(zhì)提升效果進(jìn)行分析。

1 河網(wǎng)現(xiàn)狀

溫黃平原位于椒江及靈江干流以南，樂清灣以北，東部和東南部瀕臨東海，其整體地形西高東低，西北與西南部為括蒼、北雁蕩等山脈，多高山峻嶺；東北部為濱海沖積平原，地勢低平，河渠縱橫、水網(wǎng)密布。區(qū)內(nèi)河道以降水補(bǔ)給為主，輔以山區(qū)水庫等，但是，由于匯水面積小、降水帶有明顯的季節(jié)性，并且山區(qū)水庫絕大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)供水，造成河網(wǎng)水源補(bǔ)給不足、水流滯緩、流動(dòng)性較差。水體長時(shí)間不流動(dòng)，其自凈能力嚴(yán)重不足，加之沿河污染物排放，導(dǎo)致河道水質(zhì)惡化。分析2017年水質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和表2所示，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，河道水環(huán)境有待治理。

表1 2017年研究區(qū)域內(nèi)部分?jǐn)嗝婺瓿瑯?biāo)率統(tǒng)計(jì) %

表2 2017年研究區(qū)域內(nèi)部分?jǐn)嗝孀畲蟪瑯?biāo)倍數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 數(shù)值模型

本次研究采用的數(shù)值模型水動(dòng)力的基本方程為圣維南方程組，即

(1)

式中，Z為斷面水位，m；Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2；B為斷面寬度，m；K為流量模數(shù)；q為旁側(cè)入流。

具體計(jì)算時(shí)，采用四點(diǎn)線性隱式差分格式離散模型方程，帶入初始條件與邊界條件數(shù)值求解，并考慮橋堰的阻水、水流漫灘等水利條件。平原河網(wǎng)中的澇區(qū)或內(nèi)部塘、溝以及水位漫堤后的水流隨時(shí)間變化較小，將其概化為調(diào)蓄湖進(jìn)行計(jì)算。

描述河道水質(zhì)的基本方程是一維河道污染物質(zhì)輸運(yùn)方程，即

(2)

式中，C為污染物質(zhì)濃度，g/m3；A為河道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為河道過水?dāng)嗝媪髁浚琺3/s；E為河道一維彌散系數(shù)，m2/s；B為河道過水?dāng)嗝嫠鎸挾龋琺；SL為單位時(shí)間、單位長度的源和匯，g/(s·m)；SA為單位時(shí)間、單位面積的源和匯，g/(s·m2)；SV為單位時(shí)間、單位體積的源和匯，g/(s·m3)。

河網(wǎng)水質(zhì)模擬與水量模型的求解方法類似、同步。以河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)為基本變量，把河道任何一個(gè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)表達(dá)成河道首、末節(jié)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的線性關(guān)系，通過節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)守恒方程，耦合聯(lián)立求解節(jié)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)。

模型概化了骨干河道104條，計(jì)算河道斷面1 433個(gè)，概化湖泊及低洼地36處，水閘33座，概化湖泊及低洼地與河道之間的聯(lián)系159處，邊界49個(gè)。模型概化圖如圖1所示。斷面資料采用溫黃平原主要河道2016年以來實(shí)測斷面資料，黃巖主干河道采用2014年實(shí)測斷面，其他區(qū)域河道采用近年斷面測量成果。驗(yàn)證計(jì)算的河道斷面初始水位，采用驗(yàn)證初始時(shí)刻的各代表水位站實(shí)測值。平原河網(wǎng)河道糙率取0.020～0.025，近山區(qū)河道糙率取0.025～0.035。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際，將COD、NH3-N作為模擬計(jì)算指標(biāo)。模型參數(shù)為各指標(biāo)的綜合降解系數(shù)，經(jīng)模型率定驗(yàn)證，得出降解系數(shù)取值如表1。

圖1 河網(wǎng)模型水系概化

表3 模型參數(shù)(降解系數(shù))取值

圖3 水質(zhì)模型驗(yàn)證成果

本次利用臺(tái)州南片河網(wǎng)2017年路橋水位站實(shí)測數(shù)據(jù)和河網(wǎng)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)2017年全年河網(wǎng)水動(dòng)力和水質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。路橋站全年水位成果見圖2，水質(zhì)濃度結(jié)果見圖3。從驗(yàn)證結(jié)果來看，本模型模擬值與實(shí)測值基本一致，模型能夠反演臺(tái)州南片河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)的實(shí)際變化過程，可用于臺(tái)州南片河網(wǎng)引配水效果的預(yù)測研究。

圖2 水動(dòng)力模型驗(yàn)證成果

3 引配水模式

3.1 模式論述

本次河網(wǎng)配水將臺(tái)州南片溫黃平原分為椒江區(qū)、路橋區(qū)、黃巖區(qū)和溫嶺區(qū)4個(gè)配水區(qū)。

本次研究提出續(xù)配和輪配兩種引配水模式。續(xù)配指的是將引水流量按照各配水區(qū)分為幾份，持續(xù)向各區(qū)域進(jìn)行配水。輪配指的是將引水流量全部集中輪流向各區(qū)域配水，根據(jù)不同的換水周期確定輪配的時(shí)間間隔。兩種配水模式如圖4所示。

圖4 引配水模式示意

3.2 方案設(shè)置

(1)對(duì)比方案。長潭水庫生態(tài)下泄流量5 m3/s，經(jīng)江南干渠、中干渠、西官河等河道，進(jìn)入溫黃平原河網(wǎng)，在潮位低于2 m時(shí)開啟東部沿海排水閘退水至常水位，溫嶺仍按目前的1.4～1.6 m常水位進(jìn)行控制，水流總體上從黃巖區(qū)流經(jīng)椒江區(qū)、路橋區(qū)、溫嶺區(qū)。

(2)續(xù)配方案。在對(duì)比方案的基礎(chǔ)上，靈江引水流量按最大30 m3/s考慮。根據(jù)各配水區(qū)面積、區(qū)域污染負(fù)荷等因素對(duì)配水水量進(jìn)行分配，其中，椒江區(qū)12 m3/s，路橋區(qū)9 m3/s，溫嶺區(qū)9 m3/s。由于所有配水水量均需要通過黃巖區(qū)進(jìn)入溫黃平原，因此黃巖城區(qū)不特別去分配配水流量。

(3)輪配方案。在對(duì)比方案的基礎(chǔ)上，靈江引水流量按最大30 m3/s考慮，全部集中輪流向椒江區(qū)、路橋區(qū)、黃巖區(qū)和溫嶺區(qū)配水，根據(jù)不同的換水周期確定輪配時(shí)間間隔。

總體配置格局如圖5所示。

圖5 規(guī)劃引配水格局

3.3 配水效果分析

本研究根據(jù)溫黃平原實(shí)際情況，采用基于水動(dòng)力的目標(biāo)換水周期法進(jìn)行方案效果分析，本次研究以75%換水率作為換水目標(biāo)。分析成果如表4所示。

(1)對(duì)比方案。該方案下配水路徑最短的黃巖區(qū)城區(qū)達(dá)到75%換水率需要4 d，黃巖非城區(qū)需要5 d左右；椒江區(qū)城區(qū)需要16 d才能完成75%換水率目標(biāo)，而椒江區(qū)非城區(qū)需要經(jīng)過17 d才能達(dá)到66%的最大換水率，無法滿足75%換水率目標(biāo)；路橋區(qū)城區(qū)需要13 d實(shí)現(xiàn)75%換水率目標(biāo)，非城區(qū)最大只能達(dá)到62%的換水率，大約需要17 d；對(duì)于配水線路較長的溫嶺市，不論是城區(qū)還是非城區(qū)，換水率最高只能達(dá)到10%左右，配水效果較小。

(2)續(xù)配方案。該方案下黃巖區(qū)城區(qū)配水3 d時(shí)能夠完成75%換水率，黃巖非城區(qū)需要5 d天左右；椒江區(qū)城區(qū)配水2 d后換水率達(dá)到75%，椒江區(qū)非城區(qū)水體需要5 d達(dá)到目標(biāo)換水率；路橋區(qū)城區(qū)需要5 d實(shí)現(xiàn)75%換水率，非城區(qū)經(jīng)過 7 d配水可以滿足換水率要求；溫嶺市城區(qū)經(jīng)過14 d配水后換水率最高可達(dá)到60%，非城區(qū)基本不受配水影響。續(xù)配方案配水效果示意圖見圖6。

表4 配水效果分析成果 d

圖6 續(xù)配模式配水效果示意

圖7 輪配模式配水效果示意

(3)輪配方案。該方案下黃巖區(qū)城區(qū)達(dá)到75%換水率需要3 d，黃巖非城區(qū)需要5 d左右；椒江區(qū)城區(qū)配水1 d即可完成75%換水率目標(biāo)，椒江區(qū)非城區(qū)水體需要2 d即可達(dá)到75%的換水率；路橋區(qū)城區(qū)需要4 d實(shí)現(xiàn)75%換水率目標(biāo)，非城區(qū)經(jīng)過6 d配水可以滿足目標(biāo)換水率要求；溫嶺市城區(qū)配水10 d可以達(dá)到75%的目標(biāo)換水率，非城區(qū)配水15 d可以達(dá)到75%的目標(biāo)換水率。在輪配過程中在向其他區(qū)域配水時(shí)，部分河段由于沒有持續(xù)配水流量保障，水質(zhì)開始變差，水環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。輪配方案配水效果示意見圖7。

4 結(jié) 論

對(duì)于溫黃平原河網(wǎng)地區(qū)，當(dāng)引配水水量一定，不能完全滿足所有水體的生態(tài)需水時(shí)，可對(duì)該地區(qū)進(jìn)行分區(qū)，并按照續(xù)配和輪配兩種模式制定引配水方案。根據(jù)上述分析，續(xù)配模式下與引配水水源距離較近的地區(qū)可以達(dá)到目標(biāo)換水率，且換水周期較長，離水源較遠(yuǎn)的地區(qū)的配水效果不理想。輪配模式下各個(gè)地區(qū)均可以達(dá)到目標(biāo)換水率，且相比于續(xù)配模式，換水周期較短。但是由于間斷配水，部分河道沒有持續(xù)的配水保障，會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)反彈現(xiàn)象。綜上所述，續(xù)配模式更適合于常態(tài)化生態(tài)配水，輪配模式更適合于應(yīng)急性生態(tài)配水。