北方平原區城市水動力與水環境綜合調控研究

潘劍光 胡鵬 楊澤凡 張汶海

摘?要：針對北方平原區城市由于地勢平坦、水源不足造成的水生態環境問題，提出以提升河流水動力條件和入河污染負荷削減為基礎的水環境治理思路，實現水系水質的整體提升。以濱州市濱城區為例，在水系連通的基礎上，通過合理設置泵站加強河道水體流動，提升水系水動力條件，以MIKE11水動力水質模型為技術支撐，模擬不同情景下水系的水動力水質條件，從水動力、水質和經濟可行性3方面對模擬結果進行評價，得到最優水動力情景，并據此情景的水質模擬結果倒推水質全面達標的污染負荷削減方案。結果表明：水位7.0 m、流速0.10 m/s為最優水動力情景，在該情景下，將污水處理廠出水標準全部提升至Ⅴ類水時，河道水質能全面達到Ⅳ類水標準。

關鍵詞：城市水系;水動力;水環境;MIKE11模型;北方平原區

中圖分類號：X321?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.012

Abstract：For the water environment problem of cities in northern plain， which has caused by their flat terrain and water shortage， we proposed the water environment control thought based on the improvement of rivers hydrodynamic condition and the reduction of pollutants to gradually improve the water quality entirely and permanently. It took the urban water system of Binzhou as an example， strengthened the liquidity of river to improve the hydrodynamic conditions by setting the pumping station reasonable after the water system were all connected， then used the hydrodynamic and water quality model of MIKE 11 to simulate the hydrodynamic and water quality condition of different hydrodynamic scenarios， then choose the optimal hydrodynamic scenario by the synthetical evaluate of the hydrodynamic， water quality and economical conditions of each scenario and ascertained the standard of sewage treatment plants to be upgraded by the water quality condition of the optimal scenario. The results show that the scenario with water level of 7.0 m and velocity of 0.1 m/s is the best hydrodynamic scenario， and when the quality of the sewage treatment plant effluent reaches to the standards for Grade V and the water quality of the urban water system will reach to the Grade IV.

Key words： urban water system; hydrodynamic; water environment; MIKE11; cities of north plain

隨著城市的迅速發展，人類對城區內河道的影響日漸凸顯，一方面人類活動改變了河道的自然形態，導致河網水系萎縮、連通性下降、調蓄能力減弱[1-5];另一方面將大量生活和工業污水排入河道，加劇了城市水系水質惡化和生態環境退化[6]。北方平原區城市受自身條件限制，一方面水系流動性不強，另一方面缺乏水源補給，水生態環境問題突出[1]。

城市水系的生態環境問題不僅關系著水系自身的健康，而且影響著城市發展和人民生活質量的提高。傳統的城市水環境治理方式主要包括河道清淤、污水處理、引調清水[7]等工程手段，但是這些工程手段往往沒有考慮城區水系水動力條件對水環境的影響。胡昊等[8-9]的研究表明水系連通對于河道水質有明顯改善作用，崔廣柏等[5]通過試驗研究證實了城區水系水動力的提高能有效改善水系的水質狀況。筆者以濱州市濱城區為例，根據城市規劃和水生動植物生長要求設置不同的水動力情景，運用MIKE 11水動力水質模型[10-13]模擬不同情景下水系的水動力、水質狀況，根據各情景的水動力、水質模擬結果和經濟耗電量對方案效果進行評價，選取最優水動力情景，并根據最優水動力情景下的水質狀況來尋求使水系水質達標的污染負荷削減方案，以實現城區水系水生態環境的長效改善。

1?研究區概況

濱州市濱城區位于黃河北岸，地處黃河下游洪泛沖積平原，屬溫帶大陸性氣候區，年均降水量為583.2 mm。城區內地勢平坦，地勢大致南高北低、西高東低，有一條環狀河流四環河以及南北走向的秦皇河、新立河、秦臺河。濱城區作為全市的政治、經濟和文化中心，擁有50.39萬人，人口對城區內河道的影響十分顯著。目前城區內水系渠塘化嚴重，水體流動性差，水體多為靜水、死水，沿河生活污水和工業污水的排入加劇了水體水質的惡化，河道內水體發黑、發臭，水質多為Ⅴ類和劣Ⅴ類，水生態環境問題亟待解決。

2?研究方法

采取人工打通各河段連接處的阻隔，拆壩筑橋、河道清淤、消除束水及阻水河段的方法來實現城區內水系的連通。水系連通后，設立泵站為水體提供動力以彌補城區地勢的不足，使河道呈環狀循環流動。中心城區地勢南高北低，河流自然流向為由南向北，河道循環流動時需要東環河或西環河中的一條河道逆流，為使逆流河段最短，將水泵設立于東南河段東環河、南環河交接處，使長度較短的東環河倒流，此時水系以南環河東端為上游、東環河南端為下游呈環狀流動（見圖1）。根據城市規劃和水生動植物生長要求設置不同的水動力情景，運用MIKE 11水動力水質模型對各水動力情景進行模擬，從水動力、水質和經濟三方面對模擬結果進行評價，進而得到最優水動力情景。根據最優水動力情景下的水質狀況與水質目標之間的差距反推污染負荷削減措施，即污水處理廠的出水標準。

2.1?模型介紹

運用MIKE11 HD模塊進行水動力模擬，MIKE11 AD模塊進行水質模擬。MIKE11 HD模塊基于圣維南方程組，采用六點隱式差分格式進行求解;MIKE11 AD模塊以一維對流擴散方程為基礎，根據水動力模塊模擬結果，計算河道內污染物濃度。

（1）河網概化。利用GIS對中心城區河網的位置進行概化，并將GIS圖導入MIKE 11模型，生成中心城區河網位置圖。

（2）邊界條件和初始條件。水動力模擬中以水泵出水口為上邊界（流量邊界），水泵入流口水位為下邊界（水位邊界）。內部邊界包括秦皇河、新立河、秦臺河3條河流的流入流出口、污水處理廠的污水排入口以及河流沿線的12個生活污水排入口，均設置為點源，以流入為正、流出為負。MIKE 11模型中水動力初始條件的主要作用是使水動力模型平穩運行，設置值應盡量接近模型開始時河道內水位的真實值。

（3）模型率定。MIKE11 HD模塊需要率定的參數為河床糙率。由于現狀河道未連通，因此沒有河道連通狀態下的河道水位、流量實測數據，無法進行全河道的河床糙率率定。城區內除了西環河外，其他河段大部分為死水，水體不流動，沒有對應的水位、流量數據，而且城區河道是統一規劃建設的，因此可將西環河的河床糙率率定結果作為所有河段的糙率。在河流低流量時期（2016年3月）和高流量時期（2016年7月）進行水位驗證，驗證結果見圖2。模擬與實測水位最大誤差為0.4%，水深最大誤差為6.3%，均小于10%，可以認為模擬效果良好。

2.2?水動力調控措施

2.2.1?情景設置

（1）流速設置。低流速取人眼可以觀察到的最小流速0.05 m/s;為了增強水體流動性和自凈能力，同時考慮現實可行性，設置高流速情景為0.10 m/s。流速的控制斷面分別為秦皇河、新立河、秦臺河同一流量條件下過流面積最大的斷面，分別位于秦皇河下游、新立河下游和秦臺河中游;四環河上的流速控制斷面位于流量最小的北環河東段，即保障在控制斷面達到設置流速時，城區河流絕大部分河段均可達到設置流速。

（2）水位設置。根據濱州市城市水系規劃對于景觀水位的要求，設置東環河南端水位為7.7 m;考慮到濱州市河道底部高程為4.7～7.0 m，水位設置為7.7 m時北環河（底部高程為4.7m）水深將超過3 m，不利于沉水植物生長[14-15]，同時適當降低水深能節約能耗，因此設置中等水位為7.3 m，低水位為7.0 m。

由水位和流速調控方案可以得到6種水動力調控情景，見表1。

2.2.2?水動力方案比選

從水動力、水質和經濟三方面對各水動力情景進行評價，選取最優水動力情景。

（1）水動力條件。水體中的沉水植物對水體生態環境穩定和健康具有重要作用[14]，因此將沉水植物的生長對水動力條件的要求作為水動力條件比選標準。沉水植物生長的最佳水深為1～3 m[15]，將最佳生長水深與各水動力情景的水深模擬結果進行對比，根據對比結果對各水動力情景進行評選。

（2）水質條件。濱州市城市規劃要求城區內河道水質達到Ⅳ類，因此根據水質模擬結果中污染物的超標率對各情景的水質條件進行評選。超標率=超標河段長/河道總長，其中四環河總長55 482 m，新立河總長12 000 m，秦臺河總長7 857 m。

（3）經濟條件。考慮到方案的實用性，各情景下以水泵將水從下游抽取到上游（即從東環河南端抽取到南環河東端）所需要消耗的電量為經濟考核目標，遵循耗能最小的原則對各水動力情景進行評選。各水動力情景下水泵提水所消耗電量為

式中：T為耗電量;Q為水泵流量;h為水泵提水高度;D為水泵運行天數;g為重力加速度。

研究區7月處于汛期，河道內水動力、水質條件均達到規劃要求，不需要使用泵站提升水體水動力水質條件;入冬后12月至次年2月城市河道進入冰封期泵站無法使用，因此泵站每年使用8個月，共244 d。

2.3?污染負荷削減方案

若在最優水動力情景下水系水質仍達不到水質目標，則采取污染負荷削減措施。城區水系現狀污染源主要包括河道沿線的12個生活污水排放口、4座污水處理廠，其中污水處理廠中有1座出水標準為一級B，其他3座均為一級A，排放標準見表2。污染物削減措施包括取締沿線12個生活污水排放口和提高污水處理廠出水標準。根據MIKE11 AD模擬結果反推能夠使水系水質全部達到Ⅳ類水的污水處理廠排放標準。

3?結果和討論

3.1?水動力調控方案比選

（1）水動力條件比選。運用MIKE11 HD對各個水動力情景進行模擬，模擬得到的四環河和秦皇河、新立河和秦臺河沿程水深分布見表3。從表3可以看出，各水動力情景的水深均大于1 m，滿足沉水植物生長的最低水深要求，其中：B4、B5、B6方案水深超出3 m的比例超過20%，河道水深偏深，不適合沉水植物生長;B1、B3方案水深為1.0～1.5 m的比例超過20%，河道水深偏淺，不利于景觀發展和河道內生態環境構建;B2方案水深分布較為合理，更適合沉水植物生長。

（2）水質模擬結果。各方案水質模擬結果見表4，其中秦皇河水質全部達標，因此秦皇河水質模擬結果不予展示。由水質模擬結果可以得出：①四環河水質超標率在49%以內，新立河水質超標率在30%以內，秦臺河水質超標率在43%以內，較水動力提升前水質有較大改善;②除秦臺河下游外，COD濃度都在Ⅳ類水標準內;③氨氮超標情況比COD嚴重，主要集中在西環河北段，北環河、新立河下游和秦臺河下游;④總氮超標情況最嚴重，主要集中在西環河北段，北環河、東環河、新立河下游和秦臺河下游。

根據水質超標率可以看出，高流速（0.10 m/s）情景水質條件比低流速（0.05 m/s）情景水質條件好，其中B6情景下水質條件最優，B2、B4情景次之，且二者與B6差距較小，在四環河上NH3-N超標率相差小于6%、TN超標率相差小于0.1%。

（3）耗電量計算。水動力情景B1、B2、B3、B4、B5、B6下水泵耗電量分別為126.7萬、355.4萬、132.6萬、358.1萬、146.7萬、370.2萬kW·h/a，可以看出，B6耗電量最大，B1耗電量最小;低流速（0.05 m/s）下的耗電量普遍較小，且耗電量隨著水位的升高而增大。

（4）水動力調控方案比選。由水質模擬結果可得，B6情景下水質條件最優，B2、B4情景次之，且二者與B6差距較小。B2情景更有利于沉水植物生長，耗電量相對較小，綜合考慮，B2為滿足水生動植物生存水深和水質要求的最優水動力情景，建議采用B2情景為河道水系提供水動力條件。

3.2?污染負荷削減方案比選

由表4水質模擬結果可知，在水動力提升后水體水質得到明顯改善，但即使是在水質最優情景B6下，河道內仍存在超標河段，仍需要開展水環境治理才能使河道內水質全部達標。以B2情景為水動力條件，在濱城區內實施污染物削減措施。鋪設污水管網，將河道沿線12個生活污水排放口的生活污水收集后引入污水處理廠，并提高污水處理廠出水標準，即在模型中取消12個生活污水入流點，將其流量疊加進污水處理廠出水流量。以最優水動力情景為河道提供水動力條件，模擬生活污水全部收集后，將污水處理廠出水標準提高到一級A和Ⅴ類水時四環河河道水質狀況，模擬結果見圖3。從圖3可以看出，污水處理廠出水標準全部提高到一級A時，河道內水質情況較未提高水質標準前（B2情景）有所提高，但西環河和北環河部分河段TN仍超標;當污水處理廠出水水質達到Ⅴ類水時，河道內水體全部達到Ⅳ類水標準。因此，若使全河段水質達標需將污水處理廠的出水標準提升至Ⅴ類水，在沒有條件提升至Ⅴ類水時也可以提升至一級A，此時需在西環河和北環河采取生態恢復等方法改善水質，使該河段水質達標。

4?結?語

運用MIKE11水動力水質模型尋求對沉水植物生長最優的水動力情景以及使水系水質達標的污水處理廠出水標準。水動力調控結果顯示，當下游水位為7.0 m、河道內流速為0.10 m/s時，河道內水深條件適合沉水植物生長;水污染負荷調控結果顯示，在最優水動力情景下取消河流沿線生活污水排放口，將所有污水處理廠出水水質提升至Ⅴ類水后河道內水質全部達到Ⅳ類水要求。通過水動力和水環境綜合調控，城區河道水質全部達到Ⅳ類水標準，與調控前相比河道的連通性、水動力條件和水質條件都有較大提升。調控后河道水動力和水質條件更適合沉水植物生長，有助于水體生態環境的恢復。

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【責任編輯?呂艷梅】