基于一維河網水動力水質模型的引水泵站規模論證研究

高 嵩，金 勇，錢 軍，盛 冰，沈 杰，王 燦

(1.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225217)

1 研究背景

老通揚運河是歷史老河，原為南通到揚州運鹽官河，老通揚運河北岸是淮河水系與長江水系的分界線，北側為里下河水系，屬淮河水系。目前老通揚運河是泰州姜堰通南地區主要區域骨干河道，主要承擔境內區域引、排、航功能。老通揚運河省考斷面崔母大橋地處泰州通南高沙土區最東端，是泰州通南地區引、排最困難區域，該區域水體流動性差，水環境惡化，影響老通揚運河崔母大橋斷面水質達標。

根據國家和省、市關于打好長江保護修復攻堅戰的決策部署，到2020年底，姜堰區4個地表水省考及以上斷面水質優良(達到或優于Ⅲ類)必須達到100%。為切實改善老通揚運河水環境，確保老通揚運河崔母大橋斷面水質穩定達標，通過興建引水泵站和控制建筑物，河道實施清淤疏浚、岸坡防護等，增加老通揚運河水量，加快水體流動，提升斷面水質。文章通過建立一維河網水動力水質模型，分析比選引水方案，從水量供需平衡、河道流速、水質達標時間等方面論證泵站建設規模。

2 河道現狀水質情況

老通揚運河崔母大橋斷面水質目標為Ⅲ類，根據老通揚運河崔母大橋斷面2019年全年監測數據，河道水質在Ⅲ～Ⅴ類之間，詳見表1。河道以有機物污染為主，高錳酸鹽指數、COD、總磷是老通揚運河水質的主要影響物質，主要污染來源為生活與工業污水。

表1 老通揚運河崔母大橋斷面水質逐月統計表

以總磷為例，2019年逐月水質變化如圖1所示。從每月數據可發現，總磷值最高時段在3—6月，分別為Ⅴ類和Ⅳ類，最低時段在主汛期7—8月，為Ⅲ類。

圖1 老通揚運河崔母大橋斷面總磷逐月濃度變化圖

3 一維河網水動力水質模型

老通揚運河屬于平原河網，河網縱橫交錯，水系復雜，因此采用丹麥水力研究所(DHI)開發的MIKE11水環境模擬軟件，軟件可以準確模擬水工建筑物調度規則，計算河道水位、流量和流速，也可以用來模擬河道內水環境TN、氨氮和TP各參數濃度變化，可以反映平原河網地區的水動力特征。

3.1 模型原理

3.1.1MIKE11水動力模塊

MIKE11水動力模塊是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流水流狀態。其方程組形式如下：

(1)

式中，x，t—空間坐標和時間坐標；Q，h—斷面流量和水位；A，R—斷面過流面積和水力半徑；Bs—河寬；q—旁側入流量；C—謝才系數；g—重力加速度。

MIKE11水動力模塊采用Abbott-lonescu六點隱式差分格式求解。該格式在每一個網格點按順序交替計算水位或流量。

3.1.2MIKE11AD模塊

水質模型基于水動力模型進行構建，MIKE11對流擴散模塊(AD)用于模擬可溶性物質和懸浮物質在水體中的對流擴散過程。

MIKE11 AD 采用的一維河流水質模型基本方程為

(2)

式中，C—模擬物質的濃度；u—河流平均流速；Ex—對流擴散系數；K—模擬物質的一級衰減系數；x—空間坐標；t—時間坐標。

3.2 模型建立

根據通南片區網狀水系覆蓋面、水系內部河道分布以及其中河道的水動力水質特征，構建水動力模擬模型。在進行河網概化時，不僅要考慮河網水動力特征、符合河網區普遍概化規則，還要體現河道的分級以及考慮其他水工建筑的影響。在河網水系中，老通揚運河為主要河道，白米河、拜官河、白南河組成次要河道，水系情況較為復雜，河網概化圖如圖2所示。

圖2 河網概化圖

3.3 模型率定與驗證

采用老通揚運河2020年3月31日至4月2日實測資料對模型進行率定，以老通揚運河上游實測流量和下游實測水位過程為邊界條件，計算河網內節點水位、流量過程，與對應的實測水位、流量進行比較，同時計算老通揚運河崔母大橋處各污染物指標，與實測數值進行對比，率定相關參數。

水動力水質模型主要參數為河道糙率和各污染物擴散系數及綜合衰減系數。經率定計算，河道糙率取值為0.025～0.03，根據河網狀水系的實際情況，溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量(COD)、NH3-N和TP等指標的綜合衰減系數(1/d)分別為0.02、0.05、0.02、0.09以及0.02，各指標的擴散系數均為1.82m2/s。

水位、流量計算過程與實測過程逐時變化趨勢相同，相對誤差為0.7%～6.4%，各污染物計算濃度值也與實測值的逐時變化趨勢基本一致，相對誤差為3.5%～8.4%。參數率定后計算值與實測值吻合良好，說明水動力水質模型可以較好地模擬本片區河網地區水流特性，模型的率定參數符合要求，因此模型可用于本次各方案的引水泵站規模計算。

4 計算方案及結果分析

4.1 計算方案

老通揚運河水質主要受上游來水量、沿線污染物排放等因素影響，河道在非汛期期間，水動力條件較差，限制了水體中污染物的遷移與衰減。針對上述問題，研究從增加老通揚運河水量、加快水體流動、提升斷面水質等方面考慮，制定引水方案，本次研究重點以老通揚運河崔母大橋斷面水質達到Ⅲ類水標準作為引水改善水質目標。

為提高河道水動力，研究考慮向老通揚運河引入水源，提升河道流速，改善水質。規劃在老通揚運河北側支河白米河新建泵站，引新通揚運河水(Ⅲ類水)，從里下河地區向老通揚運河跨流域調水，同時在拜官河上興建泵站，源水來自周山河(Ⅲ類水)，向老通揚運河調水，河道水質參數詳見表2，同時對老通揚運河節制閘東側境內沿線的南側支河進行控制，抬高片區內河道水位，優化區域內水動力條件，從而改善水質，引水方案見表3。

表2 模型計算河道水質參數統計表

表3 引水泵站不同規模方案

4.2 泵站規模分析

研究采用已建立的一維河網水動力水質模型模擬各引水方案，計算老通揚運河崔母大橋斷面高錳酸鹽指數、COD、總磷濃度達標所需的時長，分析水質改善效果，計算結果見表4。

分析表4中數據，通過調水引流措施，引新通揚運河、周山河的Ⅲ類水，可有效降低老通揚運河水質因子濃度，提高河道水質。當泵站規模為10m3/s時，崔母大橋斷面水質達標時間為19.5h；當泵站規模為20m3/s時，崔母大橋斷面水質達標時間為12h；當泵站規模為30m3/s時，崔母大橋斷面水質達標時間為9h，可見水質達標時間隨泵站規模增加而縮短。當泵站規模為20m3/s時，水質達標時長較為合適，泵站規模達到30m3/s時，水質達標時長雖然縮短，但縮短幅度較小，因此確定泵站總規模宜選用20m3/s。

表4 主要水質參數達標時長

5 結語

研究建立了一維河網水動力水質模型，模型能夠較準確地模擬片區內河道水位、流量及污染物濃度變化，說明模型在平原河網地區的適用性。研究制定了不同引水方案，通過模型計算分析評估不同方案的水質改善效果。結果表明，新增引水泵站不僅有利于改善片區水動力條件，也有利于加快片區內水體置換速度，加快污染物遷移和衰減，改善河道水質。綜合考慮引水對片區水質改善范圍、速度、效率等多方面因素，建議引水泵站規模取20m3/s。