太湖數字流域系統在陽澄湖地區的研究和應用

王為攀，王勝艷

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇泰州 225300)

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太湖數字流域系統在陽澄湖地區的研究和應用

王為攀1，王勝艷2*

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇泰州 225300)

基于太湖數字流域系統建立了陽澄湖地區一維河網模型，選取研究范圍內38個監測斷面的水位水質實測資料對模型進行率定，得到河道參數范圍：糙率0.020～0.025，CODCr降解系數0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數0.07～0.29 d-1，TP綜合沉降系數0.05～0.10 d-1，模型擬合結果較好。應用建立的一維河網模型計算陽澄湖地區污染物削減前后的斷面水質濃度，結果顯示，太湖數字流域系統可定量地進行陽澄湖地區水環境質量的模擬和預測。

太湖數字流域系統；陽澄湖地區；河網模型；率定

太湖數字流域系統是在太湖流域研究較為深入的水動力水質數學模型。水動力水質數學模型是指污染物在水環境中因物理、化學、生物作用而發生變化的規律及影響因素之間相互關系的數學描述，既是水環境科學研究的內容之一，又是水環境研究的重要工具[1]。合理地應用水質模型，可定量地進行水環境的模擬和預測，計算水環境容量，并制定水污染總量控制方案和控制規劃，實施水環境目標管理等。它的研究和發展涉及到水環境科學的許多基本理論問題和水污染控制的許多實際問題，很大程度上取決于污染物在水環境中遷移、轉化和歸宿研究的不斷深入，以及數學手段在水環境研究中應用程度的不斷提高[2]。

此次研究對象為蘇州市陽澄湖地區，該區域位于太湖流域，其中陽澄湖是蘇州市重要飲用水源之一，擔負著蘇州市區、昆山市以及沿湖鄉鎮近百萬人的飲用水的供給任務。隨著經濟的快速發展和城市化進程的推進，陽澄湖地區水體水質不斷惡化。為了保護陽澄湖地區水環境，保障蘇州飲用水源水質安全，必須加強對陽澄湖地區的水環境整治及水體水質的研究。該次研究地域范圍為《蘇州市陽澄湖水源水質保護條例》中規定的陽澄湖一級、二級及準保護區的范圍，總面積465 km2。筆者基于太湖數字流域系統，將陽澄湖概化為零維調蓄節點，構建陽澄湖地區一維河網模型并進行率定驗證，對陽澄湖地區污染物削減前后的主要交界河道斷面的水質變化情況進行分析，為水環境治理的可行性提供科學的依據。

1 基于太湖數字流域系統的陽澄湖地區一維河網模型的建立

1.1 太湖數字流域系統太湖數字流域系統由污染負荷模型和河網湖泊相耦合的水量水質模型組成，覆蓋太湖全流域。該系統利用數據庫和GIS等技術構建數字流域系統平臺，將太湖流域數字化，將水動力水質數值模擬技術應用于預測流域河網水量水質的動態變化，研究改善流域水量和水質的工程調度方案，制定水污染總量控制規劃和水資源綜合規劃等可操作性水污染治理方案，幫助決策者選擇最優的污染源控制及其水環境治理方案[3-5]。

河海大學王船海教授開發了太湖數字流域系統并進行了水量模型的率定和驗證；南京水利科學院水文水資源研究所開發研制了該系統的降雨徑流模型；河海大學環境科學研究所建立了污染負荷模型、湖區水質模型以及河網水質模型并進行了水質模型的率定和驗證[6-7]。系統中水量和水質模型耦合聯算，采用控制體積法進行數值離散。陽澄湖地區為河網地區，因此采用一維河網模型。

1.2 一維河網模型

1.2.1水量模型。太湖數字流域系統中一維河網水量模型的基本方程包括河道連續方程、動力方程及節點方程。

連續方程：

(1)

動力方程：

(2)

節點方程：

(3)

式中，Q，Z為流量及水位；B，BT為主河道水面寬及包括僅起調蓄作用附加寬度的水面寬；A，R，U，n為過水面積、水力半徑、流速及糙率；qL為單位河長的旁側入流量；Qi,j，Zi,j為匯集于同一節點j的各河道斷面流量及水位；Ω為節點的水面面積；j為節點編號；i為與節點j相連接的河道編號；N為與河道交叉點相連接的河道數。

1.2.2水質模型。河網水質模型主要用于研究平原河網污染物的運移轉化規律，水質模型的基本方程如下。擴散方程：

(4)

節點支點平衡方程：

(5)

式中,C為水質濃度值；Qp為污染源的排放速率；Ex為縱向分散系數；K為污染物降解系數；其他符號同上。

1.3 河流湖泊的概化由于計算工作量及資料等方面的限制，太湖數字流域系統中計算時所采用的河流、湖泊不可能與真實的完全一致，必須進行概化。概化的原則：主要的骨干河道必須作為單獨的概化河道；次要河道按照等效原理進行合并；概化河道系統必須能模擬全流域的輸水能力；概化河道、湖泊系統必須能模擬全流域的蓄水能力；陸域寬度中的水面率是模擬湖泊的調蓄作用；較大的湖泊(即太湖)用網格概化，概化后的湖泊可作二維或三維流場計算；中等大小的湖泊概化為零維調蓄節點；小的湖泊和塘壩作為面上調蓄水面處理，即零維非調蓄節點。按上述原則進行概化，太湖數字流域系統中概化河道為1 329條，斷面數為3 838個，節點中調蓄節點為60個，無調蓄節點為899個，控制建筑物為118個，流量邊界為24個，水位邊界為70個。太湖數字流域系統中太湖流域平原河網、湖泊概化見圖1，陽澄湖地區河網、湖泊概化見圖2。

2 模型的率定

2.1 計算條件

2.1.1計算年型的確定。經對太湖地區各年水文變量結果綜合分析比選可知，2000年基礎資料條件較好，且2000年流域降水頻率為63.8%，屬平偏枯年份，具有一定的代表性，故河網模型選取2000年作為計算年。

2.1.2水文設計條件。初始水位采用計算起始時刻控制斷面的實測水位，同時設定陽澄湖保護區上游控制區望虞河沿線東岸閘門為關閉狀態，其余閘門為開啟狀態。

2.1.3水質設計條件。采用太湖流域2000年控制斷面的水文水質情況及區域污染源資料為邊界條件。因為模型采用的是2000年的污染源，因此根據現有的污染源調查分布密度，補充了原有污染源。

2.2 率定方法和結果太湖數字流域系統包含眾多的參數，這些參數描述了流域水體的理化和生物過程，參數的正確與否將關系到模型模擬水質在水體中的演化特征好壞。該研究根據實測資料對陽澄湖地區河網主要參數河道糙率和降解系數進行率定。采用建立的陽澄湖地區一維河網模型，對陽澄湖地區河道進行水位、水質模擬計算。選取研究范圍內38個監測斷面的水文水質實測資料進行率定，得到陽澄湖地區河道的參數范圍：河道糙率0.020～0.025，CODCr降解系數0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數0.07～0.25 d-1，TP綜合沉降系數0.05～0.10 d-1。模型模擬結果經實測資料檢驗，水位相對誤差均<10%，各代表斷面水位實測點緊靠計算過程線，吻合程度較高，擬合情況較為滿意；水質指標CODCr、NH3-N和TP濃度相對誤差均<20%，計算過程線總體趨勢與實測值基本吻合，擬合情況較為滿意。

3 應用

太湖數字流域系統可以描述和估算由工業污染、農業污染、生活污染以及畜禽養殖等不同污染源產生的污染量，經過自然削減和人為整治后進入概化河網的污染物質數量。陽澄湖地區保護區范圍為西至元和塘，東至張家港，南到婁江的水域及其所圍繞的三角地區內，設計該區域污染物按40%削減率進行削減。應用構建好的模型計算陽澄湖地區主要交界河道元和塘、張家港和婁江的監測斷面的水質濃度，并根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)進行評價。污染物削減實施前CODCr達到Ⅲ類水質的斷面占55.6%，實施后達到100.0%；污染物削減實施前NH3-N達到Ⅲ類水質的斷面占33.3%，實施后達到66.7%；污染物削減實施前TP達到Ⅲ類水的斷面占66.7%，實施后仍為66.7%，但水質濃度有所改善。由計算結果可見，CODCr、TN和TP水質有明顯提高，污染物的削減對陽澄湖地區水功能有明顯改善，基本能達到Ⅲ～Ⅳ類水質標準，水環境有所改善(表1)。

表1 污染物削減后代表斷面水質計算結果和評價 mg/L

4 結語

筆者基于太湖數字流域系統，根據陽澄湖地區的實際情況，建立了陽澄湖地區一維河網模型，并通過實測數據進行模型的率定，得到河道的參數：糙率0.020～0.025，CODCr降解系數0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系數0.07～0.29 d-1，TP綜合沉降系數0.05～0.10 d-1，率定結果較好。應用河網模型計算陽澄湖地區污染物削減前后主要交界河道監測斷面的CODCr、NH3-N及TP的水質變化情況并進行了評價，河道水質基本能達到Ⅲ～Ⅳ類水質標準，水環境有所改善。結果顯示，太湖數字流域系統可以定量地進行陽澄湖水環境質量的模擬和預測。而如何應用太湖數字流域系統制定水污染總量控制方案以及實施水環境目標管理等將在今后作進一步研究。

[1] 傅國偉，程聲通.水污染控制規劃[M].北京：清華大學出版社，1985:1-20.

[2] 謝永明.環境水質模型概論[M].北京：中國科學技術出版社，1996:25-36.

[3] 姚琪，吳浩云，王鵬.太湖流域河網水體污染物遷移轉化規律研究[R].河海大學，水利部太湖流域管理局，2006:1-10.

[4] 徐愛蘭，姚琪，王鵬.太湖流域水資源綜合規劃數模研究——水質模型的建立與率定[J].四川環境，2006，25(13):67-72.

[5] 徐愛蘭，姚琪，王鵬，等.基于太湖數字流域系統的水質模型參數靈敏度分析[J].水利科技與經濟，2007，13(1)：17-19.

[6] 丁訓靜，姚琪，阮曉紅.太湖流域污染負荷模型研究[J].水科學進展，2003，14(2):189-192.

[7] 丁訓靜，姚琪，毛永根.太湖流域水質模擬研究[J].水資源保護，1998(4):10-14.

Research and Application of Digital Valley System of Taihu Basin in Yangcheng Area

WANG Wei-pan1, WANG Sheng-yan2*

(1. Taizhou Yinjiang Canal Administration of Jiangsu Province, Taizhou, Jiangsu 225321; 2. Taizhou Branch of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Taizhou, Jiangsu 225300)

The paper establishes one-dimension water-quantity and water-quality mathematical model for the water network of Yangcheng area, based on digital valley system of Taihu Basin. Observed water level and water quality dates of 38 representatives have been employed for the determination and verification of various parameters used in the model. The channel roughness is 0.020-0.025.The degradation factors of CODCr, NH3-N and TP are 0.1-0.3, 0.07-0.29, 0.05-0.10 d-1. The model simulation results present well.Calculation of pollutants concentration of water quality before and after the reduction using river network model shows that the digital valley system of Taihu Basin provides scientific evidence of modeling and prediction of water aulity of Yangcheng area.

Digital valley system of Taihu Basin; Yangcheng area; River network model; Calibration

王為攀(1987-),男,江蘇徐州人,助理工程師，從事水利工程管理方面的研究。*通訊作者,工程師,碩士，從事水環境數值模擬方面的研究。

2014-12-03

S 181.3;TV 142

A

0517-6611(2015)02-240-03