基于緩蓄快放系統的西安市護城河水質改善方法研究

孫 超,韓偉剛,農曉英,王 慧,王文玉,高澤海

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001;2.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048)

隨著社會經濟的迅速發展和城市化建設的不斷加快,水體污染和水資源短缺問題愈發突出,已成為制約社會可持續發展和人民生活水平提高的重要因素。城市景觀水體作為現代城市建設的基礎設施之一,起著防洪調蓄、維持區域生物多樣性、氣候微調和景觀文娛等功能,是城市經濟與生態環境平衡發展的重要標志[1-2]。因此,探索城市河流治理方法、保障城市河流水環境是城市水系高效管理重要研究方向之一。

西安市護城河作為一條人工開挖典型的城市河流,是古代城垣建筑體系的一個重要組成部分。在西安市城市化建設過程中,護城河受到過不同程度的污染,影響到了城市生態環境和居民健康,同時也制約了城市經濟和社會的發展[3]。西安市護城河極小的坡降和河道閘壩工程使河流流速極低,死水區與緩流區頻繁出現,水體置換時間較長,污染物遷移擴散緩慢,水體復氧能力降低,水體自凈能力減弱,造成水質惡化、水體富營養化的問題[4]。由于中國西北干旱半干旱地區水資源短缺、時空差異顯著,能夠用于提升護城河水體的水資源極為有限,制約著西安市護城河的水環境發展[5]。

針對西安市護城河水環境存在的問題,利用有限的水資源提升水動力,是改善護城河水質的有效途徑之一[6-7]。水環境模型是分析水環境問題的有效技術手段,其中MIKE軟件和SWAT(Soil &Water Assessment Tool)是模擬河流水質的代表性軟件[8-9]。目前的研究主要集中在水質指標空間分布和典型控制斷面的指標變化特征方面[10]。水動力模型是通過數值模型模擬分析復雜流場的演進過程,針對不同的需求對研究區進行不同維度的模擬,其中MIKE21與Flow-3D軟件,被國內外眾多學者用于模擬水流在復雜邊界或實際地形上的流動過程[11-12]。鑒于MIKE既能模擬水動力又能模擬水質,可用于構建水動力-水質耦合模型,且模擬結果可視化效果清晰,被廣泛用于上游調水對下游庫區水質影響、水庫聯合調度水質狀態問題,分析污染物運移擴散規律、水環境容量計算、水質改善方案優化和水生態修復方案優選等方面[13-16],特別是在中小型城市河湖低流速小流量補水模擬方面有著顯著的優勢[17-20]。

本研究以西安市護城河為研究區,利用MIKE21構建西安市護城河水動力-水質耦合模型,并通過護城河現狀水質、水動力監測結果驗證所建模型的準確性。設計基于潰壩理論的“緩蓄快放”系統,即在河道某斷面處修建閘門,通過閘門將上游小流量緩慢輸入的來水積蓄起來,達到一定水量和水頭時全開閘門,快速泄放,增大水流流速,置換緩流水體,沖刷底泥、污染物,達到保持水質的效果。通過緩慢蓄水快速泄流的方式解決水資源短缺條件下的水動力提升能力。利用所構建的水動力-水質耦合模型,研究護城河不同來水水質和不同蓄水高度條件下“緩蓄快放”系統對水體流速、水質濃度分布及水體交換特性的影響,以期為水資源短缺地區的城市景觀水體水質改善提供參考依據。

1 研究區概況

西安市(107.4°～109.49°E,33.42°～34.45°N)是中國西北地區最大的城市,坐落于秦嶺以南的關中平原上,屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候。西安市夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年平均降雨量522.4～719.5 mm。西安市護城河全長14.7 km,總庫容127萬m3[21]。西安市護城河補水水源分別來自大峪水庫和北石橋再生水廠。西安護城河以東南城角作為分水嶺分為東北線與南西線,河水分別途經東北線與南西線自西北角退水系統進入漢城湖截流涵,再經過漕運明渠流入渭河(圖1)。

圖1 西安市護城河地理信息

西安護城是古城堡防御體系的一個重要組成部分,為了保持其高墻深壕的歷史原貌,護城河全線綜合改造規劃建設8座攔河壩以壅高水位,護城河改造段各庫區上下游最大河道高程差僅為1.65 m,最大比降低于0.06‰。西安市護城河全線綜合改造建設的攔河壩在壅高水位的同時,造成水體斷面面積較大,致使現狀供水條件難以維持護城河水體的自然流態,形成緩流區和死水區。較差的水動力狀況致使水體置換時間較長、污染物的遷移擴散緩慢,將加劇水質的惡化。

2 水動力-水質耦合模型構建

2.1 水動力數學模型方程

Mike21FM水動力模型是基于不可壓縮的沿水深積分的流體雷諾平均Navier-Stokes方程,該模型包括連續性、動量和密度方程,且服從布辛涅斯克(Boussinesq)和靜水壓力假設[22-23]。平面二維水流連續方程見式(1):

(1)

平面二維水流的動量方程見式(2)、(3):

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2 水質數學模型方程

MIKE21對流擴散模型假定污染物垂向混合均勻,污染物的濃度只在水平面上發生變化[24]。因此污染物的輸移擴散可采用如下二維對流擴散方程。

(7)

S=Qs(Cs-C)

(8)

式中Dx、Dy——x、y方向的擴散系數;C——污染物濃度;F——線性衰減系數;h——水深;u、v——x、y方向上的流速;Qs——源匯項流量;Cs——源匯項污染物質的濃度。

水動力-水質耦合模型的數值求解采用基于單元中心的有限體積法對二維淺水控制方程進行空間離散求解[25]。該方法將空間劃分為不重復的控制單元,能夠保證水動力模型中水量和動量守恒,模型在時間上的離散方法為顯性歐拉法。

2.3 西安市護城河水動力-水質耦合模型

2.3.1網絡剖分

西安市護城河南西線,從護城河東南角至西北角共建有4座堤壩,各堤壩的距離及主要參數見表1。本研究設計“緩蓄快放”系統,模擬在4座堤壩上修建不同高度的閘門,以增加水頭,并通過快速泄放提升水動力,置換緩流水體,實現水質提升。構建水動力-水質耦合模型時,假定每一段壩的壩前常水位與該段壩頂高程齊平,各段水質以該段采樣點監測的水質數據平均值表征。

表1 護城河南西線堤壩參數 單位:m

根據收集到的護城河地形數據圖,利用MIKE前處理工具網格生成器,將長約為7 300 m的護城河南西線劃分為2 735個三角形網格,包含2 268個節點,導入高程數據文件,并基于剖分后的網格進行插值,得到研究區的地形見圖2,局部網格剖分示意見圖3。

圖2 研究區域地形高程

圖3 局部網格的剖分示意

2.3.2模型邊界設置

將位于東南城角的補水點的流量定義為上邊界,位于護城河西北角的退水口定義為下邊界。水位邊界為邊界條件,其余岸線則定義為陸地邊界。研究不考慮降雨、蒸發及風場的作用,在水動力模型的構建中主要涉及干濕水深、渦黏系數、床底糙率、源匯項以及水工建筑物等因素。

3 模型參數校準

3.1 模擬周期與初始條件

模擬時間從2021年3月20日至9月30日,總時間步數為194 d,主時間步長為60 s。本文所建水動力-水質耦合模型,模擬初始水位與流速設置為護城河現場實際測點多次監測的水位與流速數據平均值。水質對流擴散模擬的初始條件為研究區的初始污染物濃度分布情況,首次運行模型時選取歷次取樣點各污染物指標的平均值作為模型的初始條件。初始值為2021年3月20日實測結果平均值。為了降低模擬結果對初始條件的依賴,提高模擬結果的合理性與準確性,本次模擬采用之前模擬結果為初始條件的熱啟動方法。

3.2 參數設置

對于干濕判別技術的設計采用模型的預設值,即干水深為0.005 m,淹沒水深為0.05 m,濕水深為0.1 m[26-27]。模擬設定Smagorinsky系數為0.28,曼寧系數為0.022 5[28-29]。

模擬選取總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數作為對流擴散模擬的污染物指標[30-31]。MIKE21對流擴散模塊中,研究區擴散系數和降解系數的率定結果表明,擴散系數的取值在某一范圍內時,率定精度基本相同,超過這一范圍,模擬值與實測值的均方根誤差顯著增加。降解系數對率定結果較為敏感,降解系數的微小變動都會造成模擬值的波動。在查閱相關文獻及對模型多次率定的基礎上,最終確定各污染物的擴散系數為0.05 m2/s,總氮、總磷、氨氮、高錳酸鉀的降解系數分別為0.02、0.04、0.01、0.05/d。

3.3 模擬結果分析

選取模擬期間建國門及朱雀門的實測水位及流速數據作為驗證點,測點水位和流速的模擬值與實測值見圖4、5。由圖4、5可知,模擬結果的水位及流速與實測值相吻合。為定量分析模型準確性,采用均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)和決定系數R2作為模型評價指標[32-33],結果見表2。

表2 水位、流速均方根誤差及平均絕對誤差

a)建國門

a)建國門

由表2 可知,模擬誤差較小,所構建的護城河二維水動力模型能很好地反映研究區的水動力特性,可用于后續的水動力提升模擬。由護城河長期實測水質指標結果可知,總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數是西安市護城河水質主要超標指標,因此,本文為通過分析這4個指標改善效果來驗證所提“緩蓄快放”系統的有效性。圖6、7分別為建國門和朱雀門總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數模擬數值與實測數據的對比結果。

a)總氮

a)總氮

2個水質采樣點各水質指標模擬值與實測值的RMSE、MAE和R2見表3。

表3 采樣點水質指標均統計結果

由模擬分析結果可知,本研究所構建模型能夠良好地模擬水體物質的對流擴散,具有較好的模型精度,可用于后續的水質變化過程模擬。

4 模型應用

4.1 基于水動力的水質改善設計

西安市護城河現狀補水水源分別為大峪水庫來水和西安市北石橋污水處理廠再生水。大峪水庫執行《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準。西安市北石橋污水處理廠于2020年4月前,執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準的工藝要求。2020年4—9月執行《陜西省黃河流域污水綜合排放標準》A標準的工藝要求。2020年10月至今,主控指標執行《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準對護城河進行補水。因此,根據西安市護城河補水水質歷史數據,設計不同的補水水質和壩前水頭,研究不同的工況下,通過“緩蓄快放”系統快速泄流對護城河水質與水動力的影響規律,工況設計見表4。

表4 不同模擬工況的設置

工況1為現狀蓄水高度,未執行《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準時的補水情況。工況5為現狀蓄水高度,執行《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準時的補水情況。

本文考慮水資源的稀缺性和水質改善的有效性,旨在利用現有資源進行補水的條件下實現西安市護城河水質的改善。在同樣補水情況下,對于不同的蓄水高度,所需蓄水時間不同。因此,本文以較短的蓄水周期和良好的水質提升能力作為不同工況下“緩蓄快放”系統效果評價標準。

4.2 水質水動力改善效果分析

4.2.1流速特征比較

不同模擬工況下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本穩定時刻,各取樣點的流速值見表5。顯然,不同蓄水高度對各點的流速值影響顯著,不同蓄水高度下各點的流速值存在差異。

表5 不同工況下各取樣點流速值 單位:m/s

由表5可知,蓄水0.5 m、蓄水1.0 m及蓄水1.5 m的工況對流速均有所改善,隨著蓄水高度的增加,下游各點的流速值均有所增加。蓄水0.5 m時和平門處流速的增長率最大,增長率為58.44%。蓄水1.0 m時和平門處流速的增長率最大為281%,蓄水1.5 m時朱雀門流速增長最大,為蓄水0.5 m時的8.69倍。不同蓄水工況下研究區的流速分布見圖8。對比各蓄水工況下的流速分布可知,隨著蓄水高度的增加,壩后流速場的分布有明顯差異。

a)蓄水0.5 m

蓄水0.5 m時,2號壩處流速為0.02 m/s,為現狀工況下流速的2倍。此時2號壩下游100、200、300 m處的流速分別為0.014、0.010、0.008 m/s,對應位置較現狀工況下的流速分別增加0.006、0.003、0.003 m/s。蓄水1 m時,2號壩處流速為0.168 m/s,為現狀工況下流速的16.8倍。此時2號壩下游約100、200、300 m處的流速分別為0.050、0.020、0.018 m/s,對應位置較現狀工況下的流速分別增加0.042、0.013、0.013 m/s。蓄水1.5 m時,壩后流速值大于0.15 m/s的范圍增加,大量水體的突然下泄導致局部流速較大,雖然對局部沖刷明顯,但對于沿程其他斷面流速的改善程度與蓄水1 m工況差異不大。從蓄泄周期以及流速改善程度兩方面綜合分析認為蓄水1 m,水動力改善效果最佳。

4.2.2水質特征比較

不同模擬工況下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本穩定時刻,各取樣點在模擬時段內的總氮平均濃度見表6。從平均濃度而言,采用Ⅴ類水補水條件下,“緩蓄快放”系統對水體總氮濃度的改善效果微弱,隨著蓄水高度的增加,總氮濃度呈現微弱減小趨勢。圖9為Ⅴ類水補水條件下,不同蓄水高度對文昌門和朱雀門附近水體總氮濃度變化曲線。

表6 不同工況下各取樣點的總氮平均濃度 單位:mg/L

a)文昌門

由表6可知,相比于采用Ⅴ類水補水,利用Ⅲ類水補水時,總氮濃度顯著降低。同樣采用Ⅲ類水補水時,總氮濃度隨蓄水高度增高而降低。“緩蓄快放”系統對下游水質的改善,隨蓄水高度增高而增強。從總氮含量下降速率而言,蓄水高度由0.5 m變化為1.0 m時,總氮含量下降效果最為顯著。蓄水高度由1.0 m增加到1.5 m時,通過快速泄流盡管能進一步降低總氮含量,但是相比于蓄水高度由0.5 m變化為1.0 m時,對總氮含量降低比率減弱。圖10為Ⅲ類水補水條件下,不同蓄水高度對文昌門和朱雀門附近水體總氮濃度變化曲線。

a)文昌門

由圖9、10可知,“緩蓄快放”系統蓄水高度越高,水體置換耗時越短、置換率越高。蓄水高度從0.5 m增高為1.0 m時,水質改善效果最為明顯,蓄水高度從1.0 m增高為1.5 m時,通過蓄泄水體來改善水質效果與蓄水高度1.0 m差異不大。針對水資源短缺的西北地區,西安市護城河采用蓄水1.0 m的方案具有較短的蓄泄周期,水齡較小,水體交換能力強,水質提升效果顯著。

綜合水動力和水質實驗結果可知,通過將上游水位蓄高,快速泄水的方式是提高護城河水動力的有效途徑。考慮蓄泄周期和流速改善程度,上游水位蓄水1.0 m對水動力改善綜合效果最佳。西安市護城河通過使用地表Ⅲ類水作為補水水源時,綜合考慮蓄水成本和水質提升效果,明確在蓄水高度1.0 m時對下游水體水質改善效果最佳。因此,西安市護城河采用“緩蓄快放”系統通過將符合地表Ⅲ類水的護城河補水水體蓄高1.0 m,快速泄流能夠有效提升護城河水動力,改善護城河水質。

5 結論

本文設計緩蓄快放系統,通過緩慢蓄水快速泄放的方法提升西安市護城河水動力、改善護城河水質。構建了基于MIKE21護城河水動力-水質耦合模型,并通過實測水位、流速及水質數據對所建耦合模型進行率定及驗證。通過設置不同的蓄水高度及上游補水水質,模擬了8種方案下的水質、水動力改善效果,探究了緩蓄快放系統不同蓄水高度和不同補水水質共同作用對水體流速和水質關鍵指標濃度分布影響特性。結果表明:不同蓄水高度對流速影響顯著,隨著蓄水高度的增加,流速增加明顯,不同補水水質對下游水體的水動力無顯著影響;補水水質對護城河水質影響顯著,隨著蓄水高度的增加,“緩蓄快放”系統對水質改善程度先增加后減弱;西安市護城河采用地表Ⅲ類水作為補水水源、蓄水高度1 m工況下,通過“緩蓄快放”系統對護城河水質改善最優。