基于水環(huán)境數(shù)學模型的水環(huán)境提升整治方案模擬分析
——以獅山橫塘街道為例

王 雪

（清蘇智慧水務科技（蘇州）有限責任公司，江蘇 蘇州 215163）

城市化和工業(yè)化進程與基礎設施建設的相對之后，導致我國城市水環(huán)境狀態(tài)惡化并引發(fā)社會的強烈關注[1-2]。蘇州高新區(qū)獅山橫塘街道具有污水直排、雨污混接、城市內(nèi)澇、工業(yè)污染、商業(yè)餐飲污染、水系不通等系列問題[3-4]，目前區(qū)域內(nèi)的水體水質(zhì)較差，總體上都屬于劣V類水體。為改善區(qū)域內(nèi)水質(zhì)整體狀況，以經(jīng)濟合理的手段改善水環(huán)境、恢復水生態(tài)、減少提升人居環(huán)境質(zhì)量，同時提升河道管理水平，長效保持優(yōu)良的水環(huán)境系統(tǒng)，力求在近期（2020年）消除區(qū)域內(nèi)劣V類水質(zhì)，達到高新區(qū)水環(huán)境質(zhì)量規(guī)劃的水質(zhì)目標。本研究通過水動力-水質(zhì)模型構(gòu)建，完成與周邊街道水動力-水質(zhì)模型的串聯(lián)，對大區(qū)域內(nèi)進行統(tǒng)籌水動力調(diào)配、污染總量控制等方案設計，為改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域獅山橫塘街道片區(qū)包括獅山街道和橫塘街道兩個街道。區(qū)域總面積約31.3 km2，轄內(nèi)共有河道28條，總長46.3 km。片區(qū)內(nèi)水系發(fā)達、水體類型多樣，包括河流、天然湖泊、人工池塘、濕地等，總水面率約3.1%。

研究區(qū)域通過金山浜、南北中心河從上游引水，水流自然流向由北向南、自西向東經(jīng)京杭大運河外排，因常年受運河頂托影響，片區(qū)內(nèi)水動力條件差，自然狀態(tài)下水體基本滯留不動。目前區(qū)域內(nèi)的水體水質(zhì)較差（主要為氨氮超標），總磷及溶解氧僅有個別點位部分時段超標，街道區(qū)域水質(zhì)總體上屬于劣V類水體，急需改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量。

2 數(shù)學模型構(gòu)建及參數(shù)率定

2.1 基本方程

2.1.1 水動力模型基本方程

水動力計算的控制方程是描述明渠一維非恒定流的圣維南方程組[5]，包括連續(xù)性方程和動量方程，并補充考慮了漫灘和旁側(cè)入流：

式中，Q為流量；x為沿水流方向空間坐標；b為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；h為水位；t為時間坐標；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負；α為動量校正系數(shù)；A為主槽過水斷面面積；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

2.1.2 對流擴散模型基本方程

污染物在水中的分布與濃度主要取決于自身的降解、隨水流的運動以及污染物的擴散，對流擴散模塊的控制方程為一維對流擴散方程：

式中，x為沿水流方向空間坐標；t為時間坐標；為流量；C為物質(zhì)濃度；A為主槽過水斷面面積；D為縱向擴散系數(shù)；K為線性衰減系數(shù)；C2為源匯濃度；q為旁側(cè)入流流量。

2.2 模型構(gòu)建

在水環(huán)境數(shù)學模型基本方程的前提下，利用研究區(qū)域地形地貌、河道水系、閘壩調(diào)度及水文、水質(zhì)同步監(jiān)測等基礎資料構(gòu)建水動力模型。根據(jù)同步水文、水質(zhì)同步監(jiān)測的斷面形狀及高程監(jiān)測結(jié)果，概化河道為水平底坡，河道縱比降通過控制斷面的高程進行控制，并根據(jù)模型需要進行適當平順處理。概化河道30條，模擬河道總長度45.77 km。

邊界條件是河網(wǎng)數(shù)學模型的主要約束條件，模型一般包括兩種邊界屬性分別為外部邊界和內(nèi)部邊界。本模型設置出入境開邊界17個，污染源輸入邊界，根據(jù)資料收集及污染源現(xiàn)場調(diào)研情況，計算得到的河道污染源負荷結(jié)果，將其概化為點源污染邊界條件和面源污染源邊界條件。閘壩根據(jù)研究區(qū)域閘壩位置及調(diào)度情況，設置閘壩調(diào)控的邊界條件。

2.3 模型參數(shù)率定

通過對模型河網(wǎng)概化、斷面設定、邊界條件設置及參數(shù)的設置，利用水文、水質(zhì)同步監(jiān)測的流量、水質(zhì)指標實測數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進行率定，通過試錯法調(diào)整模型參數(shù)，河道糙率取值范圍為0.025～0.033，模型的計算結(jié)果和實際監(jiān)測結(jié)果流量相對誤差在允許范圍內(nèi)，模型誤差在允許范圍內(nèi)，證明根據(jù)上述條件構(gòu)建的模型可用于研究區(qū)域河道的水文水質(zhì)模擬計算。模型率定的實測值與模型計算值誤差見表1。

表1 模型計算值和實測值相對誤差結(jié)果表

3 方案及分析

為提高區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，現(xiàn)有控源截污、生態(tài)修復、海綿城市LID系統(tǒng)、調(diào)水方案等多種水環(huán)境整治措施，但如何進一步優(yōu)化整治方案，整治后水質(zhì)改善效果如何，需要利用數(shù)據(jù)模型進行預測，為整治方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3.1 方案的設計

考慮各整治措施針對性的差異，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H區(qū)域特點，利用已建立的一維水環(huán)境數(shù)學模型，本研究以旱季模型和雨季模型為基礎，針對不同的整治措施方案進行分別模擬計算，了解整治措施對區(qū)域水環(huán)境的影響情況后，再設計綜合方案模擬，以全面了解方案制定的整體效果，并分析是否啟用活水調(diào)度方案，最終得到研究區(qū)域水質(zhì)整體提升技術方案，見表2。

表2 區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量提升技術方案

3.2 綜合方案計算結(jié)果分析

3.2.1 綜合方案模擬結(jié)果

基于一維河網(wǎng)水動力-水質(zhì)模型，模擬計算旱季、雨季綜合方案，以研究區(qū)域下游監(jiān)測斷面為判斷依據(jù)，不同方案下，模擬計算得到的水質(zhì)分布結(jié)果，見圖1。

圖1 旱季、雨季綜合方案河道水質(zhì)削減率計算結(jié)果圖

由模擬結(jié)果分析得到：

（1）由旱季綜合方案計算結(jié)果可知，與現(xiàn)狀相比較，綜合方案對整體水質(zhì)有明顯提升，根據(jù)4個主要入京杭運河斷面氨氮指標，氨氮濃度削減平均達到了11.24%。

（2）由雨季綜合方案計算結(jié)果可知，與現(xiàn)狀相比較，綜合方案對整體水質(zhì)有明顯提升，根據(jù)4個主要入京杭運河斷面氨氮指標，氨氮濃度削減平均達到了13.66%。與旱季模型綜合方案計算結(jié)果對比可知，雨季綜合方案對研究區(qū)域河道水質(zhì)有進一步的提升作用。

3.2.2 綜合方案模擬污染物削減分析

結(jié)合旱季模型及雨季模型綜合方案模型模擬計算結(jié)果，研究區(qū)域河道整體有不同程度的水質(zhì)提升，但仍不全面消除劣V類。結(jié)合研究區(qū)域技術方案的設計，統(tǒng)計計算研究區(qū)域綜合方案污染負荷削減量，與現(xiàn)狀污染負荷進行對比，計算結(jié)果見表3。

表3 綜合方案污染物削減統(tǒng)計計算結(jié)果

根據(jù)綜合方案污染物削減統(tǒng)計計算結(jié)果，通過控源截污方案排口污染物削減較大，平均削減率達到了88.75%，主要根據(jù)經(jīng)濟性及可操作性的原因，老舊城區(qū)等特殊情況的排口未能完全進行有效的控源截污，故控源截污方案針未能做到全部的削減。通過雨水徑流污染控制方案對降雨徑流污染進行有效的削減，其中對TP的污染物削減最為明顯，達到了95.99%，其它水質(zhì)指標的污染物削減相對較低。通過對研究區(qū)域范圍內(nèi)的河道清淤，可實現(xiàn)對底泥釋放污染的全部去除，但是底泥釋放污染隨時間流逝需在1～3年時間內(nèi)進行反復原位底泥清淤方案，以保證對底泥釋放污染的控制。

通過控源截污方案、原位治理方案、人工濕地方案以及雨水徑流污染控制方案設計，研究區(qū)域污染負荷削減率COD、氨氮、TP及TN分別達到了39.08%、86.78%、92.96%及67.98%，為研究區(qū)域水質(zhì)提升做出了全面可行的工程措施，但研究區(qū)域河道水質(zhì)仍不能保證全面消除劣V類。

3.3 綜合調(diào)水方案模擬結(jié)果分析

通過旱季、雨季綜合方案分析結(jié)果顯示，綜合方案仍不能保證河道水質(zhì)全面消除劣V類，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，可通過上游閘站活水調(diào)度改善水質(zhì)情況。建林閘滿負荷運行19 m3/s，楊柯柜閘引水水量為15 m3/s，基于一維河網(wǎng)水動力-水質(zhì)模型，通過模擬計算活水調(diào)度方案，在滿足該調(diào)度水量條件下，調(diào)度水質(zhì)需滿足怎樣的條件，方可滿足研究區(qū)域消除劣V類。通過模擬逐步進行試算，最終得到滿足區(qū)域消除劣V類水時的最優(yōu)調(diào)水水質(zhì)，見圖2。

圖2 綜合調(diào)水方案水質(zhì)模擬計算結(jié)果分布圖

（1）由綜合調(diào)水方案水質(zhì)模擬計算結(jié)果可知，調(diào)水方案不能滿足大輪浜南段消除劣V類，主要原因是大輪浜南段排口入流水質(zhì)較差，調(diào)水未能對該河道有水質(zhì)影響。

（2）結(jié)合旱季綜合調(diào)水方案模擬結(jié)果分析得到，在不考慮大輪浜水質(zhì)條件下，為保證研究區(qū)域河道整體保證消除劣V類，調(diào)水水質(zhì)不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

（3）結(jié)合雨季綜合調(diào)水方案模擬計算結(jié)果可知，為保證河道消除劣V類，調(diào)水水質(zhì)不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

4 結(jié)論與建議

本方案制定了以區(qū)域環(huán)境調(diào)研為基礎，模型應用為手段的一體化水質(zhì)整體提升方案框架。

（1）通過方案提出的水質(zhì)提升技術措施，根據(jù)旱季、雨季技術方案模型模擬結(jié)果，人工濕地方案對窯浜、菖蒲浜水質(zhì)有明顯改善，對北褲子浜和大輪浜水質(zhì)有所提高，但是不能消除劣V類。控源截污、原位治理及雨水徑流污染控制方案整體效果不明顯，但是對內(nèi)部具體河道水質(zhì)有所改善。水動力調(diào)節(jié)方案對研究區(qū)域河道水質(zhì)整體改善提到最為明顯的水質(zhì)提升效果，故控制調(diào)水水量、水質(zhì)是研究區(qū)域河道水體消除劣V類的關鍵。

（2）綜合以上各綜合方案模擬結(jié)果，為保證研究區(qū)域河道整體保證消除劣V類，區(qū)域內(nèi)污染負荷削減技術方案不能滿足整體消除劣V類，需通過調(diào)水措施，且調(diào)水水質(zhì)不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

更好地建議進行區(qū)域性協(xié)調(diào)工作，控制主要河道上游污染源排放，保護與區(qū)域河道相通的河道水質(zhì)，以期達到治理效果。