基于數值模擬的嘉興市區河道水質優化調度方案

張海軍，馬永法，葉 萍，彭衛西，陸珊珊，楊金珠，張海平

(1.嘉興市水利水電勘察設計研究院，浙江嘉興 314001；2.嘉興市水利投資有限公司，浙江嘉興 314033；3.丹華水利環境技術〈上海〉有限公司，上海 200235；4.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

杭嘉湖東部平原地區河網密布，交錯縱橫，水力坡降較小，且河道具有航運、輸水、景觀、防洪排澇、灌溉供水等多種功能，其中，河道的水生態功能在社會發展過程中承擔著重要作用。隨著區域人口增長及社會經濟的不斷發展，對水清岸綠的生態環境需求也與日俱增，然而，水環境承載負擔過重成為了常態，水環境質量差等問題也是尤為突出[1-4]。水量水質聯合調度是實現社會經濟與生態環境協調發展的有效舉措，是當今國內外水科學的前沿和熱點之一[5]。現有研究與實踐成果表明，在進行源頭截污納管的同時，利用水利工程設施實施引排水，在來水穩定的情況下，能有效促進水體有序流動，提高水體自凈能力，是改善河道水環境的有效手段之一。李雁鵬等[6]應用MIKE 11模型研究蘇州橫涇街道南片的河道水生態修復方案，預測并量化了各組合修復方案對水環境的改善效果，為農村河道生態修復方案優選提供數據支持。樊智等[7]應用MIKE 21水動力水質模型，研究東太湖吳江應急水源地的涵閘調度規則，綜合考慮水質優化、控藻和運行成本，制定一套全年調度方案，為應急水源地的調度管理提供支持。黃琳煜等[8]應用MIKE 11對世博園區浦東片白蓮涇區域河道進行水量水質模擬，研究河網水利要素的時空變化過程，為制定調水方案及開發水資源環境管理決策支持系統提供科學依據。顧玨蓉等[9]應用MIKE 11模型系統建立了以蘇州河及其支流為重點的全市感潮河網水動力數學模型，將上海市河網水系劃分為14個水利片,分片考慮區域降雨徑流對河網水量的影響。目前，嘉興市區換水調度主要是運行城市防洪工程設施，利用外部水體對市區河道實施換水，但基本憑經驗調度，缺乏科學性及系統性，且尚未形成長效機制。本文圍繞嘉興市區河網水質水量優化調控方案的編制，構建一維河網水動力水質耦合模型，分析評估現有調水方案的效果，并進行優化完善，為嘉興市區河網水質的進一步改善提供科學支撐。

1 研究區域概況

嘉興市地處長江三角洲太湖平原東緣，屬亞熱帶季風區，多年平均降雨量為1 193.5 mm，年平均蒸發量為863 mm，汛期4月—10月約占全年降水量的73%。嘉興市域河道縱橫，市區主干河道呈“三環、八放射”的形態，新塍塘、蘇州塘、長纖塘、平湖塘、嘉善塘、海鹽塘、長水塘、杭州塘八大河道呈放射狀均勻分布，環城河、中環河、外環河呈環狀與城市八大水系相交。隨著市區截污納管、雨污分離措施的不斷完善，市區河道水環境質量不斷趨好，基本穩定在Ⅲ～V類水體。嘉興市區城市防洪工程大包圍西以東環河為界，南接南郊河，北、西與北郊河杭州塘相鄰，面積為103.72 km2，沿線堤防為52 km，共有5座排澇樞紐及46座節制閘(圖1)。2011年起，嘉興利用城市防洪工程設施實施定期河道換水，通過排澇機組調節內河水位使嘉興市區河水形成一個固定流向，從而引入活水、排出滯留水與污水，并加快河水流速，以此來達到引流入內帶走污水死水、改善水質的目的。

2 模型構建

基于嘉興市最新水文、水質與河床地形資料，應用DHI開發的MIKE 11軟件，構建嘉興市區河道的一維河網水量水質耦合模型。

圖1 嘉興市區城防工程布置圖Fig.1 Layout of Urban Flood Control Projects in Jiaxing City

2.1 河網概化

以嘉興市區城市防洪工程大包圍為邊界，概化河道總長為177 259 m，256條河道，包括27條主干河道、82條次干河道、8條外江河道及主要湖泊；概化水面占實際水面90%以上，實測斷面745個，并包括5座排澇樞紐及46座節制閘(圖2)。模型邊界采用實測水位和水質數據。

注：圓點為水工建筑物圖2 河網概化Fig.2 Modeling River Network

2.2 水動力模型

MIKE 11 水動力學模型(HD)基于垂向積分的物質和動量守恒方程組，即一維非恒定流Saint-Venant方程組模擬河流或河口的水流狀態[8-10]，如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：A——過水斷面面積，m2；

Q——流量，m3/s；

q——旁側入流量，m3/(s·m)；

t——時間坐標，s；

x——距離坐標，m；

g——重力加速度，m/s2；

h——水位，m；

1.1 一般資料 采用方便抽樣的方法，抽取全院所有N2層級護理人員，排除特殊原因不能參加培訓考核者共769名，工作時間2012～2015年，2012年197名、2013年150名、2014年189名、2015年233名。

R——水力半徑，m；

C——謝才系數，m1/2/s。

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網格點按順序交替計算水位或流量，具有穩定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

2.2.2 模型率定

利用2017年和2018年嘉興杭站的水位進行率定(圖3)，河道水位模擬誤差平均值為3.4 cm，不超過5 cm，水位模擬效果比較準確，變化趨勢一致，滿足本次水動力模型的要求，能夠為下一步的水質模型提供基礎。

圖3 模擬與實測水位比較 (a)2017年；(b)2018年Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level (a)2017; (b) 2018

2.3 水質模型

2.3.1 水質模型構建[6,11]

基于MIKE 11 HD模塊產生的水動力條件，應用MIKE 11 AD對流擴散模塊分析研究河道水質因子在不同工況下的濃度擴散情況，如式(3)。

(3)

其中：C——模擬的物質濃度，mg/L；

Ex——縱向擴散系數，m2/s；

K——衰減系數，1/d；

C2——源匯項濃度，mg/L；

2.3.2 模型率定

利用2017年1月—12月的水質監測數據進行模型率定，率定指標為CODMn、NH3-N、TP，率定的點位為嘉興市區范圍內市中心水質監測斷面及市控及省控水質監測斷面，共26個。比較模擬值與實測值發現，以實測值的30%作為許可誤差，河道水質濃度的模擬準確率達到86.7%，較好反映了市區河道水質變化特征。圖4為塘匯斷面的率定結果。

圖4 塘匯斷面模擬與實測水質濃度比較 (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TPFig.4 Comparison of Simulated and Measured Concentrations at Tanghui Station (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TP

3 方案模擬與結果分析

3.1 評價指標

采用地表水綜合污染指數(P)來表征水環境質量，比較各調水方案的優劣。以市區9個省市控斷面(石臼漾水廠、龍鳳大橋、塘匯、南湖中心、北運橋、長征橋、南門水廠、倪家匯、人中浜)的溶解氧、高錳酸鹽、BOD5、NH3-N、TP、CODCr指標計算P值。

(4)

(5)

其中：Ci——模擬水質濃度，mg/L；

Si——該水質指標的標準值，mg/L；

Pi——相應類別的標準值，mg/L。

3.2 模擬方案

3.2.1 現狀調度方案

目前，嘉興城防工程的常規水動力調度方式為：(1)關閉大包圍城市防洪工程沿線各閘門，保留杭州塘閘門少量開度；(2)分別啟動穆湖溪泵站、三店塘泵站、平湖塘泵站，使市區河道水流形成自西南向東北梯降流向；(3)西南片分別開啟孫家港閘、曹莊橋北閘、曹莊橋閘、來龍港閘、鐘家港南閘、鐘家港東閘、楊家浜閘、隆興港閘、馬塘涇閘、眾興橋閘、顧家橋閘、橫港閘、月河橋閘、長水塘南閘，西北片分別開啟杭州塘閘、雁涇港閘、劉家浜閘。

3.2.2 優化調度方案

優化的調度方案需滿足如下原則：(1)具備長效運行的條件；(2)可操作性強，適應外部各種不同水情；(3)周期較短、市區連通河道水質改善效益明顯；(4)考慮市區河道的通航情況；(5)河道流速不超過沖刷流速。基于上述原則，參照現狀城防工程水動力調度方案，設置多種調度情景，進行多方案比選和模擬。

4 結果與討論

當入境水質優于市區河道水質時，理論上調水流量越大，調水的效果就越好。考慮到嘉興城防工程現有泵站排水能力、能耗及河道沖刷流速，通過與當地水利部門溝通，確定各水利樞紐換水時以開啟4臺水泵較為造宜。從近幾年的實測水質資料分析，嘉興城區西南側的入境水質總體上優于東側的入境水質，因此，新的優化調度方案擬從西南側引水(月河橋閘至長水塘閘一帶)。另外，市區各區域河道水質不一，因此，調水的路徑、流量及實施周期對整體換水效率和效果的影響極大。

分析比較多方案模擬結果，最終得到如下優化調度方案：(1)打開月河橋閘至馬塘涇閘閘門，長水塘開啟30 cm，沿線其他閘門關閉，同時，打開穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各2臺泵(單泵為12 m3/s)，共48 m3/s；(2)運行8 h后，穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各關閉1臺水泵，同時，打開平湖塘樞紐1臺水泵(單泵為12 m3/s)；(3)持續運行8 h后，關閉穆湖溪樞紐或同時關閉穆湖溪樞紐三店塘樞紐，打開茶士浜至倪家浜沿線水閘，以改善東南片區的次干河道水質。通過對2015年—2019年連續5年的模擬，分析市區9個省市控斷面在無調度、現狀調度方案與優化調度方案條件下的地表水綜合污染指數P，如表1所示。由表1可知，現狀調度方案的水質改善效果在0.60%～10.1%，平均為3.8%；優化調度方案在現狀調度方案基礎上可進一步改善市區河道水質，改善效果在1.60%～11.4%，均值為6.3%，與無調度方案相比，水質改善效果平均達到9.8%，效果顯著。

表1 不同模擬工況的水質改善效果(P值)Tab.1 Effect of Water Quality Improvement in Various Simulation Scenarios (P Values)

5 結論

(1)應用MIKE 11模型構建了精細的嘉興市區河網水質水量耦合模型，模擬水位誤差平均為3.4 cm；以實測值的30%作為許可誤差，河道水質濃度的模擬準確率達到86.7%，模型精度較高，可為市區水質優化調度方案研究提供支撐。

(2)通過對2015年—2019年的模擬分析，現狀調度方案的水質改善效果在0.60%～10.1%，平均為3.8%。

(3)提出了優化調度原則與實施方案，該方案在現狀調度方案基礎上可進一步改善市區河道水質，改善效果在1.60%～11.4%，均值為6.3%，與無調度方案相比，水質改善效果平均達到9.8%，效果顯著。