秦淮區北部水系引補水方案模擬

陳曉靜,李昆朋,李 萍,趙 振

(南京市水利規劃設計院股份有限公司,江蘇 南京 210000)

在設施密集、管網水系復雜的城市建成區,采用雨污分流、排水達標等工程措施提升河道水質往往存在較大的難度,建設周期長[1]。在這種情況下,根據一定地域內各水體的環境容量特點,采用水系連通、引流補水的措施增強河道的水體流動特性,進而提升水質、改善水環境被實踐證明是經濟合理、效果明顯的輔助措施之一[2]。2005年完成的南京市外秦淮河綜合整治項目的內容之一,就是通過六閘(站)聯動為秦淮河干流和外秦淮河進行引流補水,極大地改善了河道水質和濱水環境。南京市政府又于2016年批復了《南京城區水系連通及引流補水方案(2016—2020年)》,作為全市水質達標和提升的指導性文件之一。

目前,針對河流水動力水質模擬的研究已發展得較為成熟,童朝鋒等[3]通過建立外秦淮河一維河網水動力和水質模型,為南京市外秦淮河環境整治調水調度運行提供參考依據;殷洪等[4]通過模型模擬調水和抽水等調控措施的效果,分析不同的調控方案與水質改善效果的響應關系,為水環境優化方案篩選提供決策支持;管儀慶等[5]利用MIKE11軟件,建立了河網一維水動力和水質耦合模型,為平原河網地區水環境保護和水資源管理提供依據;許興武等[6]為了探究不同水閘調度方案對秦淮河水質改善的效果,進行了洪水期、豐水期調度、枯水期調度和降雨初期雨水污染調度等典型時段調水試驗;陳昂[7]通過綜合分析國內外環境流量研究成果,提出了強化環境流量分階段實施的非水文指標耦合,加強適應性管理方式下的環境流量評估和實踐,以保障適應性管理框架下的生態完整性。

隨著南京市工業化和城市化步伐的加快,內秦淮河的水環境質量逐漸惡化[8]。南京市秦淮區北部片區是南京市區的核心城區之一,片區內城市設施密布,人口密集,水系眾多,河道管網復雜,國家5A級旅游景區南京夫子廟地處其中[9]。片區內的河道經過多輪整治,水質已有一定改善,但由于地下管網改造難以徹底,部分河道兩岸仍有污水下河,導致多條河道氨氮含量高于地表水V類水標準,尤以水網末端的內秦淮河南段及中段最為嚴重。

根據相關規劃,擬在片區內部新建凈水站引外秦淮河水向片區補水,以改善引流補水規模不足、片區河道水質較差的現狀。如何在現有工程基礎上,更為科學地確定新建凈水站的建設規模和補水線路,是本文的研究重點。

圖2 現狀補水線路

1 現狀水系及引補水情況

秦淮區北部片區水系以內秦淮河為軸線,由外秦淮河七里街段、外秦淮河副支和內秦淮河東段、中段、南段等多條河道組成;涉及的外圍河道(湖)包括外秦淮河、玄武湖、月牙湖、東西玉帶河,明御河和清溪河等(圖1和圖2)。

圖1 河道水網現狀

2 河網模型構建

2.1 水動力模型

河網水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位、流量等水文要素信息,并模擬水庫調度、蓄滯洪區運用、潰口等對河道水文條件的影響[10]。

MIKE11的HD水動力計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程組,即采用一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態[11]:

(1)

(2)

式中:x、t分別為計算點空間和時間坐標;A為過水斷面面積;Q為過流流量;q為旁側入流流量;α為動量修正系數;h為水位;R為水力半徑;g為重力加速度;n為糙率。

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河道水動力模型基于河道測量斷面構建,并對河道內的各類設施進行數字化模擬,力求反映出河道的真實水力條件。

2.2 水質模型

水質模型是一種根據物質守恒原理利用數學語言描述水體中水質變量遷移轉化的數學模型，目前已被廣泛應用于評價來自各種點源和非點源污染物負荷的影響[12]。

本文水質模型主要考慮污染因子的對流擴散作用,采用MIKE11的AD模塊進行建模模擬。AD模塊可以模擬保守物質物理運動,也可以通過設定恒定的衰減常數模擬非保守物質物理運動之外的化學變化過程[13]。對流擴散方程(式(3))采用空間中心差分的隱式差分格式。

式中:ρ為物質質量濃度;D為縱向分散系數;As為橫斷面面積;K為線性衰減系數;ρ2為源/匯質量濃度。

2.3 水質目標

內秦淮河中段和南段位于片區水系下游,地處夫子廟景區的核心地段,現狀由于溶解氧不足,已達輕度黑臭級別。本文水質模擬方案主要以內秦淮河南段和中段末端水質作為目標參數,要求ρ(NH3-N)≤2.0 mg/L,ρ(SS)≤15.0 mg/L,以在各補水工況下河流達到水質目標的時間作為方案評判的標準;片區內及周邊其他相關河道作為輸水通道,水質指標的改善作為參考目標。

2.4 相關條件和參數

水動力學模型需要確定的邊界條件為上邊界點的流量和下邊界點的水位,初始條件主要為河道的初始水位[14]。建模主要考慮枯水期片區生態補水效果,因此河道初始水位和下邊界水位確定為河道常水位,即6.5 m,上邊界點的流量按前文補水流量確定。

區域污染以點源污染為主,主要來源于月牙湖、外秦淮河副支、內秦淮河南段和中段沿線的合流生活污水。根據2017年調查結果,河道沿線共有排口65個;經2018年治理后,按片區污染治理目標污水收集率90%考慮,片區內污水下河量為1.24萬t/d,NH3-N入河量為186 kg/d。

各河(湖)的初始水質采用2017年8月的實測數據,氨氮指標見表1。

表1 研究區域各水體氨氮質量濃度情況

片區現狀有4 個補水節點,分別從玄武湖和外秦淮河向片區補水。主要補水節點為武廟閘、太平門閘、象房村引水泵站和七橋甕引水泵站(月牙湖),總計補水流量為6.5 m3/s(表2)。本次模型計算中維持現狀補水工況。

表2 研究區域補水節點情況

3 補水方案

3.1 方案概述

根據《南京城區水系連通及引流補水方案(2016—2020年)》,擬在清水塘東側新建凈水站,抽引外秦淮河水經凈化后補充至本片區,提高水質保障水平。處理工藝主要為自循環高密度懸浮污泥濾沉技術+板框式污泥脫水,主要用于去除來水中的SS。由于外秦淮河水質不甚穩定,從偏于安全的角度考慮,凈水站進水中ρ(NH3-N)為1.0 mg/L(冬季1.39 mg/L),ρ(SS)為30 mg/L;出水中ρ(NH3-N)為1.0 mg/L(冬季1.39 mg/L),ρ(SS)為10 mg/L。

凈水站的補水規模有3個比選方案,分別為12萬t/d、18萬t/d、24萬t/d。凈水站的輸水線路有2個比選方案(圖3)。 方案1:凈水站出水管直接接至外秦淮河副支,在出水管開三通延伸至外秦淮河東側高水高排涵,凈水通過外秦淮河副支流入內秦淮河南段,兼顧月牙湖補水,全長約100 m。方案2:凈水站出水管沿長樂東路→龍蟠中路→紅旗橋→武定門城墻→白鷺洲公園,通過白鷺洲公園流入內秦淮河南段,全長約1 450 m。

圖3 擬建凈水站位置和出水線路方案

3.2 凈水站補水規模比選

根據前文所述邊界條件、參數和凈水站補水規模比選方案,出水方案采用方案1,模擬時長為100 h,模型計算的水質結果見圖4～6。

圖4 12萬t/d補水規模下ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

圖5 18萬t/d補水規模ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

圖6 24萬t/d補水規模ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

3.2.1補水規模1(12萬t/d)

根據模型模擬結果,在凈水站補水規模為12萬t/d的情況下,河道水質91 h后趨于穩定;此時,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.60 mg/L(冬季 1.75 mg/L),ρ(SS)為15.78 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.58 mg/L(冬季 1.73 mg/L),ρ(SS)為15.53 mg/L。

3.2.2補水規模2(18萬t/d)

根據模型模擬結果,在凈水站補水規模為18萬t/d的情況下,河道水質62 h后趨于穩定;此時,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.53 mg/L(冬季 1.71 mg/L),ρ(SS)為15.04 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.52 mg/L(冬季 1.70 mg/L),ρ(SS)為14.78 mg/L。

3.2.3補水規模3(24萬t/d)

根據模型模擬結果,在凈水站補水規模為24萬t/d的情況下,河道水質56 h后趨于穩定;此時,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.49 mg/L(冬季 1.68 mg/L),ρ(SS)為14.40 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.47 mg/L(冬季 1.67),ρ(SS)為14.14 mg/L。

從模型模擬結果對比可以看出,凈水站補水規模提升對ρ(NH3-N)變化影響不明顯,但對ρ(SS)變化影響較大。其中12萬t/d規模下水質穩定時間較長,18萬t/d與24萬t/d規模下水質穩定時間區別不大?？紤]到18萬t/d規模下,內秦淮中段與南段末端水質已基本達到目標水質要求,從經濟性和占地規模角度上,凈水站規模為18萬t/d較為適宜。

3.3 凈水站輸水線路比選

在凈水站規模18萬t/d的前提下,以夏季水質為例,對輸水線路的方案比選結果如下。

3.3.1方案1

3.2節中已對凈水站18萬t/d規模下出水方案1進行了水質模擬,水質模擬結果為河道水質62 h后趨于穩定;此時,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.53 mg/L,ρ(SS)為15.04 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.52 mg/L,ρ(SS)為14.78 mg/L。

3.3.2方案2

根據模型模擬結果,在凈水站補水規模為18萬t/d的情況下,若出水方案采取方案2,河道水質66 h后趨于穩定;此時,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.11 mg/L,ρ(SS)為10.08 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.75 mg/L,ρ(SS)為18.27 mg/L。

根據模型模擬結果,相比于方案1、方案2雖能大幅改善內秦淮南段末端水質,但內秦淮中段末端水質改善效果也會受到相應影響,其中中段末端ρ(SS)距水質目標相差較遠;同時方案2工程量明顯多于方案1,因此建議擬建凈水站出水方案選取方案1。

需要說明的是,輸水方案1能夠成立的前提之一是,白鷺洲公園目前已在研究從外秦淮河七里街段補水措施。

4 結 語

a. 根據模型模擬結果,新建凈水站在18萬t/d規模下,內秦淮中段與南段末端水質已基本達到ρ(NH3-N)≤2.0 mg/L,ρ(SS)≤15.0 mg/L的要求,河道水質62 h后趨于穩定,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)=1.53 mg/L,ρ(SS)=15.04 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)=1.52 mg/L,ρ(SS)=14.78 mg/L。從經濟性和占地規模角度上,凈水站規模為18萬t/d較適宜。

b. 凈水站出水管接至外秦淮河副支相比于出水管接至白鷺洲公園,內秦淮中段末端SS濃度可達標。按18萬t/d規模模擬成果為河道水質經62 h后趨于穩定,內秦淮南段末端ρ(NH3-N)=1.53 mg/L,ρ(SS)=15.04 mg/L;內秦淮中段末端ρ(NH3-N)=1.52 mg/L,ρ(SS)=14.78 mg/L,建議擬建凈水站出水接至外秦淮河副支。

c. 對于城市河道而言,引水補水作為提升河道水質的手段之一,已被證明是經濟有效的。在苛刻的建設條件下,如何合理的確定補水規模和補水線路是工程規劃設計中需要解決的關鍵問題。本文采用MIKE11的HD和AD模塊耦合建立一維水質模型,通過模擬計算確定合理的擬建凈水站規模和輸水線路,一方面為實例工程的方案比選提供數據支撐,另一方面對類似工程也有一定的參考意義。