基于EFDC模型的感潮河網地區閘門調度研究

張現國，王慧鵬，黃綿松，鄭 蕾*，劉曉芳，3

(1.北京首創生態環保集團股份有限公司，北京 100044；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

關鍵字：感潮河網；EFDC；黑臭水體治理；水動力水質模型

隨著中國經濟的快速發展，近十幾年來水環境問題也逐漸暴露出來，全國范圍內水體環境普遍存在不同程度的污染[1]。污染物負荷輸入及河道水動力條件不足，導致部分城市河流水體出現黑臭現象。治理黑臭水體可以采用控源截污，內源治理和水動力調控等多種手段。其中水動力調控通過對閘壩、泵站等水工構筑物的控制來改善城市河網中的水動力條件，從而提升河道水體的自凈能力，降低水體的污染程度，是一種簡單高效的方法[2]。本項研究區位于福州感潮河網地區，相比于其他地區城市河流存在著天然的潮汐自然資源優勢，更適合使用水動力調控進行水體治理。潮汐具備強大的動能，不僅可以納潮引水，同時可以將部分污水排出城市河網，對于感潮地區通過潮汐引水治理黑臭水體是一種經濟高效的做法，該方法被廣泛應用而且切實可行[3]。

感潮河網地區水資源豐富，河網水系復雜，導致如何合理確定水動力調控方案成為能否恢復河道水環境的一個關鍵問題。而且城市河網承擔了景觀、行洪排澇、灌溉、納污等多項功能，不同的場景下需要確定不同的調度方案。因此，需要借助水質模型來快速獲取多種情景的結果以輔助水動力調控。EFDC模型是當前廣泛使用的三維水環境生態模型，也是美國環保署(EPA)推薦使用的模型之一。它是威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所的John Hamrick等[4]開發的三維地表水水質數學模型，可實現河流、湖泊、水庫、濕地系統、河口和海洋等水體的水動力學和水質模擬。陳正俠等[5]使用該模型與WASP模型在潮汐河網地區成功模擬了突發水污染事件。謝森揚等[6]使用該模型成功對岸線地形復雜的九龍江口-廈門灣潮汐潮流和鹽度場的時空變化過程進行模擬。劉建波等[7]使用該模型成功對清瀾潮汐汊道的海灣水交換時間進行模擬。

研究區為福州倉山龍津陽岐水系。該區域南北兩側均受到潮汐作用的影響。在潮水的頂托作用下，河網中的水流反復震蕩，河道底部污染物上浮進入水體形成污染[8]。人為因素的過度干擾，使得河網自然生態功能逐步喪失，河道水體自凈能力變差，河流逐漸呈現出黑臭的狀態[9]。研究區河網的復雜性及外側潮汐水位的影響，導致進行水動力調控難度較高。因此本文的主要目的是使用EFDC模型模擬感潮河網地區的水動力調控方案，在保障目標河段水質達標前提下，確定最優的調度方案，減少泵站補水的能源消耗。

1 材料方法

1.1 研究區概況

研究區為倉山龍津陽岐水系，位于福建省福州市南臺島片區的中部，位于東經119°16′35″～119°21′15″，北緯25°58′50″～26°3′17″，見圖1。福州屬典型的亞熱帶季風氣候，年平均降水量為900～2 100 mm；年平均氣溫為20～25℃。研究區水系內共有13條河流，河道總長度31.43 km，匯水面積約為25.49 km2。研究區水系北臨閩江、南靠烏龍江，兩江水位每日隨潮汐作用而變化，因此近江河段均修建有水閘，滿足維持河道水位，行洪排澇等功能。研究區范圍內有解放大橋潮位站(圖1)，本文中潮位數據均來自于該站。研究區內共涉及菖蒲水閘、江邊水閘等15座水閘及白湖亭河一體化閘泵及陽岐泵站2座泵站。

圖1 研究區位置

1.2 研究方法

目前，研究區水系黑臭水體的治理已經基本完成，需要長時期內維持水系水質的達標。但是存在強降雨條件下，截流井溢流導致河道水質變差的問題。同時，對于長時期的運維，還需要盡量降低運維成本。水系河道除了要保證水質達標，還需要保證滿足汛期河道行洪要求。因此，本次研究的目標主要包括河道水質達標、降低運維成本及滿足河道行洪要求。

為了保證整體運維調度的合理性，本研究按照以下方法步驟進行：①對研究區域內閘壩、泵站等可以人為進行調控的設施基礎特征進行分析，確定研究區內水系庫容、過流能力等基礎情況；②選取可以對研究區水動力及水質情況進行分析的物理模型，并收集模型構建及率定驗證所需的相關資料；③根據研究區水系運維的不同目標，設定了晴天汛期、雨天汛期、晴天非汛期、雨天非汛期4種工況，并通過模型模擬不同調度規則下河道內水動力及水質的變化情況；④依據考核目標，分別評價不同調度規則的水質改善維持效果、運維經濟成本及水質達標情況，確定最優的調度方案。

1.3 EFDC模型

EFDC模型是開源的三維水質模型，是美國最大日負荷總量(TMDL)計劃工具箱中的重要模擬軟件。模型內部分為多個相互耦合較為緊密的模塊，可以實現包括水動力、溫度、沉積物、波浪、有毒物質及水質等不同內容的模擬[10]。水動力模塊是模型基礎，在模擬過程中首先對水體水動力進行計算，其次對其他模塊進行模擬。

EFDC模型水平上采用正交曲線網格或者笛卡爾坐標網格，垂向上采用σ坐標網格。水動力控制方程主要遵循的守恒律包括：質量守恒、能量守恒、動量守恒。水動力模塊有3個主要的假設：Boussinesq近似假設，認為水密度不隨壓力而變化；靜水壓近似，認為水平尺度遠大于垂直尺度，垂向加速度近似為零；準3D近似，在垂向上采用分層求解，避免了完全求解三維Navier-Stokes方程。EFDC動量方程、連續方程及狀態方程為[11]:

?t(mHu)+?x(myHuu)+?y(mxHvu)+?z(mwu)-(mf+v?xmy-u?ymx)Hv=-myH?x(gζ+p)-

my(?xh-z?xH)?zp+?z(mH-1AV?zu)+Qu

(1)

?t(mHu)+?x(myHuv)+?y(mxHvv)+?z(mmv)+(mf+v?xmy-u?ymx)Hu=-mxH?y(gζ+p)-mx(?yh-z?yH)?zp+?z(mH-1Av?zv)+Qv

(2)

?zp=-gH(ρ-ρ0)ρ0-1=-gHb

(3)

?t(mζ)+?x(myHu)+?y(mxHv)+?z(mw)=0

(4)

(5)

ρ=ρ(p,S,T)

(6)

?t(mHS)+?x(myHuS)+?y(mxHvS)+

?z(mwS)=?z(mH-1Ab?zS)+QS

(7)

?t(mHT)+?x(myHuT)+?y(mxHvT)+

?z(mwT)=?z(mH-1Ab?zT)+QT

(8)

式中u、v、w——邊界擬合正交曲線坐標x、y、z方向上的速度分量；mx、my——度量張量的對角分量的平方根；m=mxmy為度量張量行列式的平方根；Av——垂向紊動黏滯系數；Qu、Qv——動量源匯項；p——壓力；S——密度；T——溫度；H——總水頭；QS、QT——鹽度、溫度的源匯項。

2 模型構建及率定驗證

2.1 EFDC模型構建

網格劃分是EFDC模型運行的基礎，在考慮到時間成本的情況下，模型網格數量越多，模型運行得到的精度越高。研究區河道平均水深為2 m，采用二維正交曲線網格對研究區河道進行概化，最終得到2 503個網格，網格水體區域共143.11 hm2，網格平均DX190.16 m，DY 26.94 m，網格正交誤差為2.971°。

模型的主要邊界條件為水位開邊界，主要分布于靠近南北兩側的水閘處。模型的率定及驗證期采用對應日期內的實測潮汐水位。對應的不同工況下的邊界條件為汛期及非汛期典型潮位。閩江口為強潮陸相口，潮型為規則半日潮，潮汐一天有2個周期，12 h 50 min為一周期，漲潮約5 h，落潮7.25 h，潮汐特征表見表1。根據解放大橋歷史潮位數據，分別選取非汛期及汛期典型潮位，見圖2。該研究區內的主要潮汐邊界條件均由閘泵進行控制，共概化13處閘門、5處涵管和2處引水泵站。2處引水泵站分別位于陽岐河南側及白湖亭河南側，均可以向河道提供4 m3/s的流量。閘門的啟閉規則主要根據不同工況下的目標來設定。

表1 解放大橋潮汐特征

圖2 解放大橋非汛期及汛期典型潮位

河床糙率是水動力模型構建過程中的一個重要參數，是反映河道對水流阻力影響的一個綜合性無量綱數。通過模型率定確定河道整體糙率為0.035。模型時間步長選用動態時間步長，最大動態時間步長為0.15 s。

氣象數據來源為中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)，包括氣溫、降雨、氣壓、風速、風向、濕度和日照時數，數據的時間間隔為一小時。太陽輻射數據采用日照時數進行計算，具體的計算公式見童成立等[12]研究。

2.2 模型率定驗證

為確保建立的模型能夠反映研究區的水動力及水質特點，基于實測數據對模型進行率定驗證，時期為2017年7月28日至2017年8月4日。在此期間，閘門及泵站的啟閉條件設定主要依據為現場閘站運行記錄表，將對應的閘站啟閉規則概化為時間序列條件輸入到模型中。水動力模擬結果選用2017年7月28日9:00—16:00實測數據，模擬結果見圖3。從圖中可以看出，水動力模擬結果良好，反映出了河道內水位變化的趨勢。在監測點LJYZ1和監測點BYT1，水位模擬相對誤差分別為8.26%和1.70%，均小于10%。處于河網中心區域的BYT1監測點變化幅度較小，且水位峰值出現時間相對于離外江更近的LJYZ1處有所推后。

圖3 2017年7月28日水位模擬結果

每天對整個研究區范圍內水質指標進行檢測，監測點位置分布見圖1。溶解氧和氨氮是環境水體污染的一項重要指標，可以用于衡量水生系統能否維持平衡。此外，溶解氧和氨氮也是城市黑臭水體分級的評價指標之一。因此本次對模型的驗證采用的指標主要為溶解氧和氨氮，模擬結果見圖4、5。BHT3及LJYZ1監測點處的DO的相對誤差分別為16.99%、19.61%，氨氮的相對誤差分別為20.32%、28.15%，模型基本上可以反映出水體溶解氧和氨氮的變化趨勢。

圖4 BHT3水質模擬結果

圖5 LJYZ1水質模擬結果

3 結果

3.1 模型設定

基于率定驗證完成的模型，以圖2中非汛期及汛期潮位為基礎邊界條件，模擬連續4 d采用設定的運維調度規則情況時，研究區內水體水質不同目標下的恢復情況。對于河網水系的運維調度，需要考慮到非汛期及汛期河道行洪的需求，因此在汛期維持河道處于較低水位保證行洪，在非汛期適當維持較高水位保證水質。結合研究區特點，采用南引北排方案：外江水位處于高潮時，利用南部的陽岐閘泵、白湖亭閘泵引水；外江水位處于低潮時，利用北部的龍津一支河水閘及龍津河水閘排水，實現整個研究區內水流從南到北的單向流動。

調度的水質目標主要是氨氮濃度，并以此將水體分為4種情況：不合格(≥8 mg/L)、合格(<8 mg/L)、良好(<6 mg/L)、優秀(<4 mg/L)。不溢流情況下水質必須達標，并盡量維持優秀；溢流情況下需要在72 h內將水質恢復合格。

3.2 模擬結果

非汛期不溢流工況下，分別對不同的引水方式、補水閘泵及水質目標進行了模擬，以期獲取最經濟及高效的水質恢復調度方式。

當采用潮差及2個泵站同時打開引水時，水質恢復最不利的河段均為半洋亭河，見表2。半洋亭河位于整個潮汐河網的中心區域，相對于其他河道，距離補水及排水閘門都很遠。當同時采用研究區南側陽岐河及白湖亭河進行補水時，由于陽岐河及白湖亭河各自河道的高程、河寬等特征不同，補水在半洋亭河兩端形成頂托作用，導致半洋亭河流向反復，見圖6，短時間內河道內污染物無法排出河道。

圖6 非汛期不溢流采用潮差引水工況下半洋亭河流速和流向(流向相對于模型方向)

非汛期不溢流工況下，主要考慮水質由合格恢復到良好、良好恢復到優秀的過程。采用不同的引水方式及開啟不同的閘壩可以得到不同的效果。對于潮差引水方式，研究區內水體從合格恢復到良好的時間花費最多，但引用水量最少，充分利用潮汐進行補水是最為經濟的一種方式。但是由于采用潮汐在短時間內換水水量有限，無法使得研究區內水體快速恢復優秀。對于泵站引水方式合格到良好的水質目標下，同時開啟2個泵站所需恢復時間最短，但是引水水量也最多，相比于單采用白湖亭河及陽岐河泵站分別多引35.5%、51.4%；單采用白湖亭河泵站所需時間和水量相比其他方式都處于中等水平；單采用陽岐河泵站所用水量最少，但是恢復時間也是泵站引水中相對最長的。綜合考慮到泵站開啟后需要消耗能源的經濟成本及水體水質恢復效果情況，溢流情況下應采用白湖亭泵站恢復河道水質，并在不發生溢流的情況下采用潮差引水來維持河道內水質為良好。

汛期工況和非汛期工況類似，但是由于整個研究區內河道需保持較低水位，在不溢流情況下采用潮差引水時，短時間內河道可換水量不足，從而導致在4 d模擬周期內水質無法從合格恢復到良好。整體而言，汛期情況各種方式下，水質恢復時間要長于非汛期。綜合考慮到經濟、防汛和水質恢復效果，在汛期應采用白湖亭河泵站進行水質恢復及維系。

表2 非汛期不溢流工況下模擬結果

表3 非汛期溢流工況下模擬結果

表4 汛期不溢流工況下模擬結果

表5 汛期溢流工況下模擬結果

4 討論

感潮河網地區水系一般較為復雜，根據與潮汐補水口的距離遠近不同，水動力及水質條件均不相同。一般而言，外江水質要明顯優于河網內部水質。而且靠近外江的區域水動力條件也優于河網內部[13]。這就導致了河網中心區域的水動力條件及水質狀況相對較差。因此，采用水動力調控時，應盡量避免使用雙向閘門或泵站進行引水，以免造成河道內部的水流流向反復，水體震蕩對河道水質造成負面影響。采用泵站引水，是一種改善河道水質的高效方法，對于非汛期不溢流，水質從合格到良好，白湖亭河泵站、陽岐河泵站和同時開啟2個泵站比潮差引水的恢復時間分別縮短29.6%、18.3%和21.8%，而且某些工況下必須采用泵站引水才可以使水體保持優秀目標。但是值得注意的是，采用泵站補水需要確保有效補水，從合格到良好，采用白湖亭河泵站、陽岐河泵站和同時開啟2個泵站分別補水74.8萬、49.4萬、55.2萬m3，開啟單側泵站恢復時間均大于同時開啟兩側泵站，因此保持河道內水流流向穩定，對水質恢復及維系效果最佳[14]。

模型作為一種輔助手段，可以對復雜河網地區的水系治理及運維起到一定的指導作用[15]。使用模型對污染物溢流及一些突發水體污染事件進行提前模擬，可以為短時間內滿足恢復水質要求提前做出應對措施方案，提升運維水系管理水平。同時，使用EFDC模型可以在短時間內對大量的模擬方案進行模擬，來探尋最優的水動力調控規則。

5 結論

綜上，EFDC模型可以模擬復雜的感潮河網地區閘泵的水動力調控，輔助應急方案制定及尋求最優運維策略。采用泵站補水可以快速改善河道內水質，相比于潮差引水，非汛期不溢流工況下，水質從合格到良好恢復時間可以縮短18.3%～29.6%。感潮河網地區應根據水系特點，通過調度使水流流向單一穩定，有利于整體河網的水質恢復及水系運維。