南京市高淳區(qū)城市水網(wǎng)水環(huán)境改善模擬研究

黃金鳳，宋云浩，董慶華

(1. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010；2. 武漢大學水利水電學院，武漢430072)

0 引 言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快、經(jīng)濟的快速發(fā)展，導致城市水系現(xiàn)狀十分嚴峻，如水質(zhì)惡化、生態(tài)功能退化等[1]。于此同時，也導致河湖水系連通格局與狀況發(fā)生了重大變化，部分地區(qū)產(chǎn)生了連通性減弱、水資源與水環(huán)境承載能力不足、洪水宣泄不暢、水安全風險加大等問題，已經(jīng)成為人水關(guān)系不和諧的重要表現(xiàn)，成為影響經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、水生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵制約因素[2-4]。河湖水網(wǎng)作為水資源調(diào)配，水生態(tài)修復和改善、水災害防御的重要手段[5,6]在國內(nèi)外得到了廣泛應用。科學利用水網(wǎng)中的閘門、泵站等控制建筑物調(diào)節(jié)雨洪資源，實現(xiàn)雨洪資源優(yōu)化利用，是發(fā)揮水網(wǎng)綜合效益的關(guān)鍵[7]。

南京市高淳區(qū)西部水網(wǎng)密布、水系發(fā)育，是首批國家級生態(tài)示范區(qū)，然而隨著經(jīng)濟的發(fā)展，區(qū)域流域水系水質(zhì)惡化，無法達到相應水功能區(qū)水質(zhì)目標，水質(zhì)惡化嚴重制約了高淳區(qū)生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展。本文章選取南京市高淳區(qū)西部圩區(qū)主要河流為研究對象，研究區(qū)內(nèi)主要水系連通之后，在枯水年(95%保證率)保障區(qū)域防洪安全、生態(tài)基流的基礎(chǔ)上，雨洪資源最大化利用對區(qū)域水環(huán)境的改善效果分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于高淳區(qū)西部，涉及陽江鎮(zhèn)、磚墻鎮(zhèn)、淳溪鎮(zhèn)、古柏鎮(zhèn)、漆橋鎮(zhèn)、椏溪鎮(zhèn)6個城鎮(zhèn)，水域面積約24.3 km2；高淳區(qū)河湖水系連通涉及固城湖、水陽江、水碧橋河、石固河、官溪河、胥河，其中固城湖是高淳區(qū)飲用水水源地(見圖1)。水質(zhì)改善研究僅涉及固城湖、水碧橋河、石固河、官溪河，其中水陽江、胥河僅作為邊界調(diào)控閘壩運行。

近些年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加速及工業(yè)發(fā)展，研究區(qū)域內(nèi)點源排放量大；研究區(qū)域內(nèi)水資源豐富，養(yǎng)殖業(yè)及水稻種植業(yè)繁榮，面源污染也較嚴重；大量污染物排入研究水體，導致污染物承接量遠大于其納污能力。通過分析當?shù)貙崪y水質(zhì)數(shù)據(jù)，固城湖水質(zhì)相對較好，水質(zhì)類別以Ⅱ～Ⅳ類為主；固城湖西圩區(qū)主干河道(水碧橋河、石固河)次之，水質(zhì)類別以Ⅲ～Ⅴ類為主；官溪河水質(zhì)較差，水質(zhì)類別以Ⅳ～Ⅴ類為主；污染因子主要為COD、NH3-N。

圖1 研究范圍示意圖Fig.1 Research scope

2 研究方法

2.1 模型概況

MIKE系列模型結(jié)構(gòu)清晰、界面友好、考慮涉水要素全面，在河口、河流、河湖水網(wǎng)模型構(gòu)建方面應用廣泛[8,9]，本文章采用由丹麥水利研究所(簡稱DHI，下同)獨立開發(fā)的MIKE11/21/FLOOD來搭建高淳區(qū)水碧橋河、官溪河、石固河、水陽江、胥河、固城湖水動力、水質(zhì)(對流擴散)模型。MIKE11/21/FLOOD包含水動力、對流擴散、水環(huán)境等多個模塊，具有計算穩(wěn)定、精度高、可靠性強等特點，能方便靈活地模擬復雜河網(wǎng)的水流特性，模擬閘門、水泵等水工建筑物的運營調(diào)度，是目前世界上應用最為廣泛的軟件之一，其中水質(zhì)(對流擴散)模塊基于水動力模塊建立。

研究區(qū)域內(nèi)河流均采用一維水動力水質(zhì)模型；固城湖湖面面積較大，平均水深約在3 m左右，屬于寬淺型湖泊，采用平面二維水動力水質(zhì)模型；最終通過MIKE FLOOD進行耦合計算。

2.2 模型原理

(1)水動力模塊(HD)。一維水動力模型方程組[10]為：

(1)

式中：x為笛卡爾坐標系坐標，m；g為重力加速度，m/s2；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；R水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；Q為流量，m3/s；q為旁側(cè)入流量，m3/(s/m)；h為水位，m;α為動量修正系數(shù)。

上式中第一個方程為質(zhì)量守恒方程，第二個方程為動量守恒方程。

二維非恒定淺水運動方程組[11]為：

(2)

式中：t為時間,s；x、y為笛卡爾坐標系坐標，m；h水深為，m；η為水位，m；d=η-h，m；u、ν分別為x、y方向上的速度分量，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為水的密度，kg/m3;C為謝才系數(shù)，m1/2/s；τxx、τxy、τyy分別有效剪應力分量，N/m2；S為源項，m3/(s/m2)；Ω為科氏力系數(shù)，s-1；f(V)是風摩擦力系數(shù)；V、Vx、Vy分別為風速及風速分量，m/s；Pa為大氣壓，kg/(m/s2)；p=hu，q=hν。

(2)對流擴散模塊(AD)。

一維對流擴散方程為[12]：

(3)

二維對流擴散方程為[13]:

(4)

式中：C為污染物濃度，mg/L;Q為河道流量，m3/s;A為過水斷面面積，m2;t為時間，s;x、y為笛卡爾坐標系坐標，m；Dx、Dy為河道x、y方向上的污染物擴散系數(shù)，m2/s，K為污染物的衰減系數(shù)，s-1；C2為旁側(cè)入流的污染物的濃度，mg/L；q為旁側(cè)入流，m3/(s·m);u、ν分別為x、y方向的流速，m/s;h為水深，m;QS為源項入流，m3/(s·m2)；CS為源項濃度，mg/L。

3 模型構(gòu)建

(1)水動力模塊(HD)。模型概化：收集研究區(qū)域的湖泊地形、河道斷面等數(shù)據(jù)，利用MIKE生成河網(wǎng)文件(河網(wǎng)連接見圖1，固城湖網(wǎng)格劃分見圖2)。

邊界條件：根據(jù)實測數(shù)據(jù)，主要參數(shù)設(shè)定如下：固城湖初始水位9.5 m；水碧橋河、官溪河、石固河與固城湖在模型中為標準連接；糙率取0.03；河床阻力取0.32 m1/3/s；河流上游采用95%保證率枯水年下的日流量過程，下游采用95%保證率下的日水位過程。

控制建筑物及調(diào)度規(guī)則：根據(jù)研究需要，本模型主要設(shè)定的控制建筑物包括水碧橋閘、楊家灣閘、楊家灣泵站、蛇山泵站；蛇山閘、茅東閘在模型中一直處于關(guān)閉狀態(tài)。本次研究主要包括兩種工況(見表1)，雨洪資源最大化利用工況是指在枯水期保證生態(tài)基流、豐水期保證區(qū)域防洪安全的前提下，科學利用水網(wǎng)中的閘門、泵站等控制建筑物，調(diào)節(jié)雨洪資源盡可能多地補給區(qū)域生產(chǎn)、生活用水，發(fā)揮水網(wǎng)綜合效益。

圖2 固城湖網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 mesh generation of Gucheng Lake(right)

圖3 水碧橋河、石固河、官溪河代表斷面示意圖Fig.3 Typical cross-sections of Shuibiqiao River、Shigu River、Guanxi River

表1 控制建筑物調(diào)度規(guī)則設(shè)定Tab.1 Regulation principles of control structures

河流生態(tài)基流根據(jù)現(xiàn)狀污染物入河情況，依據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程 SL348-2006》中的河流一維模型計算90%保證率下，為保證研究區(qū)域內(nèi)河流COD、NH3-N達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838-2002)》規(guī)定的地表水Ⅲ類水質(zhì)標準所需要的基礎(chǔ)流量，計算結(jié)果見表2。蘭林等[14]研究提出固城湖湖泊需控制水位7.0 m以上，以防止出現(xiàn)生態(tài)災難；固城湖是高淳區(qū)的飲用水水源地，取水能力10 萬m3/d，取水口位于固城湖大湖區(qū)紅砂嘴處，設(shè)計最低取水水位7.03 m；綜合分析，固城湖最低水位應為取水口最低取水水位7.03 m。

表2 河流生態(tài)基流表Tab.2 Ecological basic flow of rivers in study area

(2)對流擴散模塊(AD)。對流擴散模型在模擬過程中需要在水動力模型的基礎(chǔ)上準備以下文件:邊界文件、模型參數(shù)文件。研究區(qū)域內(nèi)水體主要超標因子為COD、NH3-N，因此本次水質(zhì)分析主要對COD、NH3-N進行模擬分析；其污染主要為外源污染。

邊界文件：主要包括源匯項和開邊界的水質(zhì)濃度，模型的計算以參考《高淳區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)實施方案》，考慮社會經(jīng)濟發(fā)展、截污減排之后,在保證水體基礎(chǔ)流量、防洪安全、雨洪資源最大化利用的基礎(chǔ)上，分析河流湖泊水環(huán)境的改善效果分析。根據(jù)分析，污染物入河量如下表3，排污口設(shè)置見圖1。

表3 計算斷面污染物入河量Tab.3 Inflow of pollutants

參數(shù)文件：主要包括模擬污染物的基本信息，初始濃度，對流系數(shù)，擴散系數(shù)，附加輸出結(jié)果等。其中綜合衰減系數(shù)及污染物擴散系數(shù)參考河海大學逄勇教授關(guān)于江蘇省水環(huán)境容量計算的實驗值[15]，結(jié)合《高淳區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)實施方案》中的值確定，污染物綜合衰減系數(shù)COD為0.15 d-1，氨氮為0.05 d-1；擴散系數(shù)為20 m2/s。上下游邊界處水質(zhì)濃度主要根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入。

4 結(jié)果與分析

通過《高淳區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)實施方案》，水質(zhì)改善涉及水域水功能區(qū)水質(zhì)目標如表4所示。

(1) 現(xiàn)狀實際調(diào)度工況。河流：通過模擬分析，三條河流全河段COD全年滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求，三條河流入湖口COD全年可達到Ⅱ類水濃度，具體如圖4所示。石固河排污口以下3 km范圍內(nèi)，有33%的時間NH3-N僅達到Ⅳ類水濃度；官溪河排污口以下1 km范圍內(nèi)，有24%的時間NH3-N僅達到Ⅳ類水濃度；三條河流其他河段、其他時間NH3-N均可滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求；官溪河、水碧橋河入固城湖湖口NH3-N全年滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求，石固河入湖口NH3-N達標率為98%；具體如圖5所示。

表4 研究區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)目標表Tab.4 Water quality objectives of water functional areas in study area

圖4 現(xiàn)狀實際調(diào)度工況河流入湖口斷面 COD濃度分布(1986年)Fig.4 Concentration of COD at the entrance cross-section of Gucheng Lake under current regulation principle

圖5 現(xiàn)狀實際調(diào)度工況河流入湖口斷面 NH3-N濃度分布(1986年)Fig.5 Concentration of NH3-N at the entrance cross-section of Gucheng Lake under current regulation principle

固城湖：通過模擬分析，固城湖COD全年幾乎全湖泊可滿足Ⅱ類水水質(zhì)目標要求，NH3-N全湖大面積水域可滿足Ⅱ類水水質(zhì)目標要求，最不利分布時刻分別見圖6。

圖6 現(xiàn)狀實際調(diào)度工況下湖泊COD、NH3-N濃度最不利時刻分布Fig.6 Concentration of COD and NH3-N in Gucheng Lake at the worst moment under current regulation principle

(2) 雨洪資源最大化利用工況。河流：通過模擬分析，三條河流全河段COD全年滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求，三條河流入湖口COD全年可達到Ⅱ類水濃度，具體如圖7所示。石固河排污口以下2 km范圍內(nèi)，有21%的時間NH3-N僅達到Ⅳ類水濃度；官溪河排污口以下1 km范圍內(nèi)，有15%的時間NH3-N僅達到Ⅳ類水濃度；其他河段全年水質(zhì)均可滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求；官溪河排污口以下1 km范圍內(nèi)，有15%的時間NH3-N僅滿足Ⅳ類水水質(zhì)目標要求；三條河流其他河段、其他時間NH3-N均可滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求；官溪河、水碧橋河入固城湖湖口NH3-N全年滿足Ⅲ類水水質(zhì)目標要求，石固河入湖口NH3-N達標率為98%；具體如圖8所示。

圖7 雨洪資源最大化利用工況下河流入湖口斷面 COD濃度分布(1986年)Fig.7 Concentration of COD at the entrance cross-section of Gucheng Lake under optimized regulation principle

圖8 雨洪資源最大化利用工況下河流入湖口斷面 NH3-N濃度分布(1986年)Fig.8 Concentration of NH3-N at the entrance cross-section of Gucheng Lake under optimized regulation principle

固城湖：固城湖COD全年幾乎全湖泊可滿足Ⅱ類水水質(zhì)目標要求，NH3-N全湖大面積水域可滿足Ⅱ類水水質(zhì)目標要求，最不利分布時刻分別見圖9。

圖9 雨洪資源最大化利用工況下湖泊 COD、NH3-N濃度最不利時刻分布Fig.9 Concentration of COD(left) and NH3-N(right) in Gucheng Lake at the worst moment under optimized regulation principle

(3) 結(jié)論分析。通過模擬分析，兩種工況下，三條河流全河段COD、水碧橋河全河段NH3-N均能達到Ⅲ類水水質(zhì)目標。但是官溪河、石固河排污口下游3 km河段內(nèi)，雨洪資源最大化利用工況下，河段水質(zhì)達到地表水Ⅲ類水水質(zhì)要求的比例均大于現(xiàn)狀實際調(diào)度工況；河段水質(zhì)不達標比例均小于現(xiàn)狀實際調(diào)度工況，具體分析見圖10、圖11。兩種工況下，固城湖水質(zhì)均能滿足地表水Ⅱ類水水質(zhì)要求，通過對比，雨洪資源最大化利用工況相比于現(xiàn)狀實際調(diào)度工況而言，水質(zhì)相對更好的湖域面積更多。

圖10 不同工況官溪河不同河段水質(zhì)不達標比例Fig.10 The ratio of substandard water quality along Guanxi River under current and optimized regulation principle

圖11 不同工況石固河不同河段水質(zhì)不達標比例Fig.11 The ratio of substandard water quality along Shigu River under current and optimized regulation principle

5 結(jié) 論

通過建立水碧橋河、官溪河、石固河、固城湖對流擴散模型分析，相比現(xiàn)狀閘壩調(diào)度工況，雨洪資源最大化利用工況不僅可以優(yōu)化當?shù)厮Y源調(diào)配，更好利用雨洪資源滿足區(qū)域用水需求，還可通過提高河湖枯期水量，提高河湖枯期納污能力，從而提高區(qū)域水質(zhì)。綜合來看，在本研究區(qū)域內(nèi)的，河湖水網(wǎng)可通過水量調(diào)配，改善高淳區(qū)水體水質(zhì)。

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