保障望虞河引調水期水質的引水頂托條件研究

徐凌云,逄　勇,付　浩

(1.上海勘測設計研究院有限公司,上海　200434; 2. 河海大學環境學院,江蘇 南京　210098;3. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098;4. 江蘇省住房和城鄉建設廳城市規劃技術咨詢中心,江蘇 南京　210013)

保障望虞河引調水期水質的引水頂托條件研究

徐凌云1,逄勇2,3,付浩4

(1.上海勘測設計研究院有限公司,上海200434; 2. 河海大學環境學院,江蘇 南京210098;3. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京210098;4. 江蘇省住房和城鄉建設廳城市規劃技術咨詢中心,江蘇 南京210013)

摘要：在現場調研和資料搜集的基礎上,利用MIKE11模型建立望虞河西岸一維河網水環境數學模型,開展了望虞河西岸區域污染物總量控制計算和引水頂托條件分析,研究如何在望虞河西岸總量控制不達標的現狀下通過引水頂托條件的研究來保證引調水期間望虞河入太湖水質達標。結果表明:①近期望虞河西岸污染物限排總量控制目標仍然無法實現;②當水位差值低于控制水位差時,望虞河引水;當水位差高于控制水位差時,西岸排水;③方案1情況下望虞河從長江連續引水19 d后需要對西岸進行一次排水;方案2情況下望虞河從長江連續引水24 d后需要對西岸進行一次排水;方案3情況下望虞河從長江連續引水10 d后需要對西岸進行一次排水;方案4情況下望虞河從長江連續引水15 d后需要對西岸進行一次排水。

關鍵詞：MIKE11模型;水質;引調水期;污染物總量控制;引水頂托條件;水位差;望虞河

望虞河位于太湖流域陽澄淀泖區和武澄錫虞區的交界處(圖1),是流域綜合治理骨干工程之一,是太湖流域“引江濟太”的重要調水通道[1],總長60.8 km。引江濟太調水試驗經望虞河調引水質相對優良的長江水體進入太湖,并通過太浦河由太湖向上海等下游地區供水[2-3]。望虞河入湖、入江口分別設有望亭立交水利樞紐和常熟水利樞紐,望虞河是澄錫虞區與陽澄淀泖區高低片的界河[1],望虞河東岸沿線有51條大小支流,全部有閘控制,引江濟太期間大部分處于關閉狀態,部分開閘的也因地勢、水位等原因以出流為主,不排水入望虞河,西岸支河口門為兼排地區澇水,僅北部靠近長江的福山塘以北段和南部嘉菱蕩以南部分支河控制外,其余均為敞開[4]。

望虞河西岸屬典型的平原河網區,河港縱橫交錯,水系交叉相連,北至長江、南至京杭運河、西至錫澄運河、東至望虞河,行政區域包括無錫市市區和新區、江陰市、錫山區、惠山區、常熟市和張家港等7個地區。目前望虞河西岸地區仍存在污廢水未達標排放、污染物排放總量超過了水功能區納污能力等現象,西岸地區生活、工業污水大量排放并由支流匯入望虞河,對望虞河引江濟太改善太湖水質造成了嚴重影響。因此,必須制定一定的對策措施以保證望虞河引調水期入太湖的水質能夠達標。筆者以MIKE11模型為工具,建立望虞河西岸一維河網數學模型,在此基礎上制定包括總量控制、引調水調度、有效監管在內的對策措施,由此對引調水期間望虞河入太湖水質達標的保障性進行探討。

在水文、水質例行監測基礎上,利用丹麥水力學所的MIKE11 軟件建立了望虞河西岸河網水動力-水質數學模型,模擬望虞河西岸水環境,并利用所建立的模型就望虞河對西岸來水的頂托條件和望虞河引排條件進行研究分析。

圖1　研究區域位置

1水動力與水質模型的建立

MIKE11是一款多功能的一維水動力學軟件,以求解圣維南(Saint-Venant)方程組作為理論基礎[5],有水動力、對流擴散、水質生態、泥沙傳輸、降雨徑流、洪水預報、實時操作等多種模塊。本文采用MIKE11模型中的水動力(HD)模塊、對流擴散(AD)模塊來構建望虞河西岸水動力-水質模型。

1.1水動力模型

水動力模塊中描述一維非恒定水流運動規律的控制方程組為圣維南方程組,由質量守恒的連續性方程和能量守恒的動量方程組成[6],分別為

(1)

(2)

式中:x為距離坐標;t為時間坐標;A為過水斷面面積;Q、h分別為流量及水位;q為旁側入流量;α為動量系數,一般取1;C為謝才系數;R為水力半徑;g為重力加速度。

由于HD模型采用Abbott六點隱式格式離散上述微分方程組,因此模型可在相當大的courant數下保持計算的穩定性,以取得更長的時間步長、節省計算時間。河道上每個網格點上水位和流量并不同時計算,而是按順序交替布置水位點和流量點,采用隱式的有限差分法分別進行計算[7]。

1.2水質模型

對流擴散模塊的控制方程是建立在質量守恒基礎上的對流擴散方程,該方程假設物質在斷面上完全混合。

(3)

式中:ρ為水流輸送物質的濃度;Ex為縱向擴散系數;ρ2為源/匯項的濃度;Kp為污染物降解系數。

MIKE11對流擴散模塊利用時間和空間中心隱式差分格式[8]求解上述方程。

2模型建立及率定驗證

2.1模型的建立

在充分掌握望虞河西岸平原河網水動力、水文資料的基礎上,以主干河道為基礎,按照河網概化的基本原則,對望虞河西岸河網進行了合理的概化。望虞河西岸河網概化見圖2。

模型計算范圍涵蓋整個望虞河西岸地區,共設置29個計算邊界,所有邊界水動力條件均采用2012全年水位過程。

本次污染源條件在統計2012年望虞河西岸污染源的基礎上,點源按其排污口所在河道輸入模型,面源則平均分配到各相應河段上。

2.2模型率定驗證

a. 水量率定。采用試錯法進行率定,即根據部分斷面實測的水位資料或流量資料,調試各河道的糙率,使得計算水位或流量過程與實測水位或流量相吻合,得出望虞河西岸地區河道糙率為0.015～0.023。模型率定的主要依據是2012年1月與2月甘露站(望虞河)與無錫站(大運河)實測水位過程以及釣渚橋站的實測流量過程,望虞河水文站點位置見圖3,水位、流量率定結果見圖4。

圖3　望虞河水文站點位置

b. 水質率定。水質模型采用2012年該區域的實測水質濃度資料進行驗證,率定得到的COD降解系數為0.08～0.10 d-1,NH3-N降解系數為0.08～0.15 d-1,TP降解系數為0.07～0.18 d-1。率定和驗證相對誤差情況的統計見表1(E<20%、E<30%分別為率定誤差小于20%、30%者所占百分比[9])。由表1可見,水質實測值及模型計算值吻合較好,說明該模型可用于模擬望虞河西岸河網區的水質變化過程。

圖4　水位及流量率定結果

表1　2012年資料率定的相對誤差統計　%

2.3總量控制計算

a. 計算條件。根據建立的望虞河西岸水動力模型進行不同設計水文條件下水動力計算,提取流量流速計算結果;根據已建立的水質模型計算各功能區段上的污染物入河量;污染物綜合衰減系數基于已率定的望虞河西岸水質模型綜合衰減系數來定;邊界水質采用模型邊界的水功能區水質;西岸四條主要支流與望虞河相交斷面的計算水質目標取Ⅲ類水。

b. 計算結果。將入河污染物總量分配到西岸各個區域,并根據區域的污染物削減潛力,分析得到各個區域內近期污染物削減目標可達性情況。從圖5可見,近期各項削減潛力實施后,大部分地區的污染物排放量,尤其是NH3-N和TP,仍然無法達到污染物排放總量控制的目標。

圖5　研究區域內各污染物排放總量控制達標情況

3引排條件分析

3.1引水頂托臨界條件的確定

由于西岸支流水質差,污染物總量不達標,且西岸水流的自然流向是自西向東。望虞河引水時沿程會匯入西岸支流的污水,并對望虞河水質產生較大影響,進而影響到望虞河入太湖水質。因此為使望虞河成為優質長江水引入太湖的“清水通道”,同時滿足西岸地區的日常排水需要,必須要綜合考慮西岸排水與望虞河引水的關系,在阻止西岸支流污水匯入望虞河的同時又不能使西岸污水長期滯留在西岸地區。

本文選取釣渚橋流量站、西岸的陳墅、無錫、北國三個水位站，望虞河干流上的甘露水位站來分析西岸水位站與望虞河水位站水位差值和西岸支流入望虞河河流量之間的響應關系，其中以釣渚橋的流量來代表西岸支流入望虞河流量。2009年望虞河西岸4個主要水位站的全年水位值以及釣渚橋流量站的全年流量值見圖6、圖7。

圖6　四個主要水位站全年水位實測過程線

圖7　2009年釣渚橋站全年流量實測過程線

當望虞河水位高于西岸水位值時能夠頂托住西岸來水。當望虞河水位低于西岸水位站水位時,需要控制兩者的水位差才能保證望虞河引水能夠頂托住西岸的來水。通過水位、流量數據分析(圖8～9),當陳墅站與甘露站的水位差小于0.18 m,無錫站與甘露站水位差小于0.12 m,北氵國站與甘露站水位差小于0.09 m時,望虞河西岸支流的水流由東向西流動,即此時望虞河引水能產生頂托。

3.2計算方案

望虞河的引水水位抬高可以頂托住西岸的來水,但是由于西岸每天都會產生一定量的污水,累積到一定的時間,望虞河引水將頂托不住西岸的來水,為了避免西岸污水過度雍高匯入望虞河,使望虞河水質變差,必須在望虞河引水到一定時間后,將西岸污水通過望虞河排水。從望虞河引水開始頂托西岸來水到望虞河引水頂托不住西岸來水的時間周期稱為蓄積時間,這段時間內西岸污水不會進入到望虞河。

為了更好地模擬望虞河引調水期西岸水流流態,并計算出西岸排水與望虞河引水的時間關系,在西岸沿江閘門不同調度工況和望虞河不同引水水位工況的組合方案下進行計算,具體計算方案見表2,根據望虞河引水調度經驗值,其中望虞河引水低水位取3.2 m,高水位取3.8 m。根據翟淑華[10]研究,同為望虞河常熟樞紐自引條件,東岸沿望虞河閘門適當開啟后,望虞河東岸的分流會使其比東岸全封閉條件下日平均減少入太湖流量12 m3/s,因此為保

圖8　2009年各站與甘露站的水位差與釣渚橋站流量實測關系曲線

圖9　2009年各站與甘露站水位差和釣渚橋站流量響應關系

表2　西岸沿江閘門不同工況下望虞河引水頂托分析模型計算方案

證望虞河引長江水入太湖水量,本次調度工況只考慮東岸沿線閘門全部關閉的情況,東岸支流與望虞河干流無水量和污染物通量的交換。

3.3計算結果

根據西岸支流上的水位站水位與望虞河水位站水位的差值控制條件,通過模型計算出不同方案下,望虞河引水頂托的水位控制值和蓄積時間。表3為提取的模型計算結果。

表3　不同方案下望虞河引水時頂托時間計算結果

a. 水位控制條件計算結果。根據上文提取的模型計算結果可以得到不同計算方案下,望虞河引水頂托時,西岸支流上的水位站與望虞河上水位站之間的水位差值控制條件(表4)。

b. 望虞河引水與西岸地區排水之間的關系(蓄積時間計算)。根據上文提取的模型計算結果可以得到不同計算方案下,西岸排水與望虞河引水的時間關系,即望虞河引水頂托時,西岸污水的蓄積時間。

表4　望虞河引水頂托時西岸各水位站與望虞河(甘露站)控制運行水位差　m

注:引水:當水位差值低于控制水位差時,望虞河引水,此時望亭樞紐關閉，常熟樞紐均開啟;排水:當水位差高于控制水位差時,西岸排水,此時望亭樞紐關閉,常熟樞紐開啟。

由表5可知,在方案1下望虞河從長江連續引水19 d后需要對西岸進行一次排水;在方案2下望虞河從長江連續引水24 d后需要對西岸進行一次排水;在方案3下望虞河從長江連續引水10 d后需要對西岸進行一次排水;在方案4下望虞河從長江連續引水15 d后需要對西岸進行一次排水。

表5　不同調度方案下望虞河引水與西岸排水的時間關系

4結語

在望虞河西岸污染物入河總量控制不達標的情況下,從控制西岸污水入望虞河的角度出發,提出了望虞河引水頂托的概念,并利用MIKE11一維水動力模型計算出不同引調方案下,望虞河引水頂托的水位控制條件和望虞河引水頂托的時間控制條件,以此實現短期內望虞河引長江水入太湖的水質能夠達標。

從長遠角度來看,為保證望虞河引江入湖水質不受望虞河西岸污染源的影響,一方面應該從源頭出發加大環境污染整治力度,嚴格控制西岸污染物入河總量,另一方面應該進一步提高流域水資源調控能力,加快流域其他能夠提高流域納污能力的引排工程的投入運行,例如:走馬塘延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程、望虞河西岸控制工程、新建截污管道工程等實現清污分流,減輕望虞河納污負擔,使“引江濟太”能夠引排分開,最終保障望虞河引江濟太的水質安全。

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Study of diversion backwater conditions for ensuring water quality of Wangyu River during water diversion period

XU Lingyun1, PANG Yong2, 3, FU Hao4

(1.ShanghaiInvestigation,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200434,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.UrbanPlanningTechnologyConsultingCenterofJiangsuProvincialDepartmentofHousingandUrban-RuralDevelopment,Nanjing210013,China)

Abstract：Based on field investigation and data collection, a one-dimensional river network water environmental mathematical model for the west bank of the Wangyu River was established using the MIKE11 software. Total pollutant load control calculation and diversion backwater condition analysis were carried out. This study shows how to guarantee the quality standards of the water flowing from the Wangyu River into Taihu Lake during the water diversion period through study of the diversion backwater conditions, when the total pollutant load control on the west bank of the Wangyu River does not meet the standards. The results are as follows: (1) Total pollutant load control cannot be implemented on the west bank of the Wangyu River in the near future. (2) When the water head is lower than the control level, water diversion in the Wangyu River should be conducted; when the water head is higher than the control level, drainage should be conducted on the west bank. (3) In Scheme 1, drainage is required on the west bank after water diversion of the Wangyu River from the Yangtze River for 19 days; in Scheme 2, drainage is required on the west bank after water diversion of the Wangyu River from the Yangtze River for 24 days; in Scheme 3, drainage is required on the west bank after water diversion of the Wangyu River from the Yangtze River for 10 days; and in Scheme 4, drainage is required on the west bank after water diversion of the Wangyu River from the Yangtze River for 15 days.

Key words：MIKE11 model; water quality; water diversion period; total pollutant load control; diversion backwater conditions; water head; Wangyu River

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.023

基金項目:國家自然科學基金( 51179053) ; 國家水體污染控制與治理科技重大專項( 2012ZX07506-006-05)

作者簡介：徐凌云(1988—)，女，工程師，主要從事環境影響與評價工作。E-mail：xly@sidri.com

中圖分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0121-06

(收稿日期：2015-05-20編輯：徐娟)