陳 虹 朱明栓 雷少青

福州內(nèi)河河網(wǎng)精細(xì)水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究

陳 虹 朱明栓 雷少青

福州大學(xué)土木工程學(xué)院

在前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)感潮河網(wǎng)地區(qū)水體的水動力、水質(zhì)特性，建立了河網(wǎng)一維水動力和水質(zhì)模型，并進(jìn)行了模型驗(yàn)證。結(jié)果表明水動力模型計(jì)算值能夠較好地吻合實(shí)測值，能正確反映漲落潮趨勢，水質(zhì)模型能正確反映污染物受漲落潮影響在河網(wǎng)內(nèi)回蕩的變化情況。研究成果對解決福州市水環(huán)境問題提供了一定的理論基礎(chǔ)，具有一定的指導(dǎo)意義。

感潮河網(wǎng) 一維河網(wǎng)水力水質(zhì)模型 數(shù)值模擬,水環(huán)境

1 引言

隨著對水環(huán)境治理的日益重視和大力投入，研究感潮河網(wǎng)地區(qū)水流運(yùn)動和水環(huán)境變化規(guī)律越來越重要。利用數(shù)值模擬分析水流及水質(zhì)變化是水環(huán)境污染治理規(guī)劃中的主要組成部分。內(nèi)河水環(huán)境是城市規(guī)劃與建設(shè)的一個(gè)重要組成部分，是城市形象的具體體現(xiàn)。受潮汐影響的城市河網(wǎng)水體具有水深小、河床比降小、受閘壩控制、流速緩慢、順逆不定、水體自凈能力不強(qiáng)等特性，這些特性使得污染物質(zhì)在水體中隨水流回蕩，局部地區(qū)污染加劇，水質(zhì)惡化。

1.1 福州內(nèi)河地理水文特征

福州市地處閩江下游,福建省的第一大河閩江穿市而過，城區(qū)內(nèi)河發(fā)育良好，河網(wǎng)密布，福州中心共有42條內(nèi)河，形成以白馬河為主的西區(qū)水系，以晉安河為主的東區(qū)水系，以光明港為主的東區(qū)河口水系[1]。內(nèi)河河網(wǎng)如圖1所示。

圖1 福州內(nèi)河河網(wǎng)示意圖

福州內(nèi)河河網(wǎng)水源除部分來自北部山地匯水外，主要來自閩江潮水，主要是通過光明港的九孔、五孔、三孔和臺江的派洲、方壽、彬德及西北角的西河與閩江福州段水域相連。城區(qū)內(nèi)河的主泄水方向由西北指向東南，內(nèi)河水流屬往復(fù)非恒定流，水位、水深隨閩江水位變化而變化，呈周期性漲落。正常情況下，閩江水每日兩次由防洪閘門流入城區(qū)內(nèi)河。進(jìn)入市城區(qū)河道的潮水基本上以八一七路為界分東部和西部兩種流態(tài)。東部潮水基本上由光明港經(jīng)晉安河進(jìn)入市區(qū)逆行而上達(dá)于各支流河其它橫向河道，退潮時(shí)，與原河道中污水混合后的各路水流又由原路順路退出，大部分經(jīng)九孔閘排入閩江中。西部潮水主要通過彬德閘漲入白馬河，然后北上注入各支流和東西向河道，退潮時(shí)，只有白馬河以西各支流白馬河中部河水順原路退出彬德閘，其余部分河水則向東通過東西向河道與東部河水匯合，由晉安河、光明港泄出。由于城區(qū)內(nèi)河水源補(bǔ)給受到閩江潮汐的控制，且河網(wǎng)總進(jìn)水方向與總泄水方向基本一致，水體的交換是被動的，河道中水流流向、流速的時(shí)空變化很大，污水稀釋條件因河道、河段而異，局部河段污水因頂托、回蕩難以排出的問題還是相當(dāng)嚴(yán)重。

1.2 福州內(nèi)河污染特征

福州城區(qū)內(nèi)河以有機(jī)污染為主，氨氮,五日生化需氧量、高錳酸指數(shù)、溶解氧,pH一直是近10年來福州城區(qū)內(nèi)河的主要污染項(xiàng)目。由表1可以看出，近10年來，福州城區(qū)內(nèi)河的主要污染物構(gòu)成及污染負(fù)荷分擔(dān)率基本是一致的，說明福州城區(qū)內(nèi)河10年來一直是以氨氮為首要污染物的有機(jī)污染類型。自1998年福州城區(qū)內(nèi)河引水沖污以來內(nèi)河水質(zhì)總體上有較大好轉(zhuǎn)，但仍然無法穩(wěn)定達(dá)到GB33838-2002地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 福州城區(qū)內(nèi)河主要污染項(xiàng)目污染負(fù)荷分擔(dān)率 %

2 模型基本方程

福州內(nèi)河河網(wǎng)一維水動力水質(zhì)模型是在描述非恒定流運(yùn)動的圣維南方程和污染物濃度時(shí)空變化的帶源對流擴(kuò)散方程的基礎(chǔ)上建立起來的[2]。

2.1 水動力模型

一維水動力學(xué)模型計(jì)算的實(shí)質(zhì)是求解圣維南方程組[1]。在河道的匯合點(diǎn)處，要求滿足兩個(gè)獨(dú)立條件，即水流連續(xù)方程和能量守恒方程。

（p為結(jié)點(diǎn)；m為結(jié)點(diǎn)斷面） （3）

初始條件及邊界條件：

上述方程采用不等距偏心插值的差分格式對其進(jìn)行離散[3]。所建立的一維河網(wǎng)水動力學(xué)模型充分考慮了感潮河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，分岔河道眾多，河道水流流向多變，閘壩等水工建筑物較多的特點(diǎn)，將不等距差分法用于具有分岔支流河道的非恒定流水力計(jì)算中，使具有岔道支流的復(fù)雜的非恒定流計(jì)算問題得以利用不等距格式作連續(xù)計(jì)算，從而得出水質(zhì)模型計(jì)算所需要的水動力數(shù)據(jù)。

2.2 水質(zhì)模型

由于感潮河網(wǎng)水流受潮汐作用的影響，產(chǎn)生明顯豎向、橫向混合效果，因此采用一維簡化遷移擴(kuò)散基本方程，對于一般污染物，有:

方程（7）采用隱式差分法求解。一維對流擴(kuò)散方程結(jié)構(gòu)簡單，且不受穩(wěn)定條件限制，對任意形狀的河網(wǎng)，各類水質(zhì)指標(biāo)及邊界條件都能確保計(jì)算收斂和結(jié)果合理，計(jì)算簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，有較高的模擬精度[4]。

3 模型驗(yàn)證

3.1 河網(wǎng)概化

對于城市內(nèi)河，過流斷面可視為矩形，河道斷面面積按矩形面積公式計(jì)算。并根據(jù)實(shí)際地形資料，選擇斷面間距為200m～1000m不等，河道節(jié)點(diǎn)前后50m各設(shè)一個(gè)斷面。概化河道共18條河道，分成河段39條，河道節(jié)點(diǎn)23個(gè)，邊界節(jié)點(diǎn)12個(gè)，總計(jì)算斷面數(shù)為200個(gè)。時(shí)間步長取1s。

3.2 計(jì)算條件

水動力模型：上邊界條件為2007年8月7日8：00至8日8:00上游邊界斷面同步實(shí)測流量資料，下邊界條件為相應(yīng)時(shí)段下游邊界斷面的實(shí)測流量資料。計(jì)算的初始條件可以采用靜水啟動條件(也稱冷啟動條件)，即初始流量取為零。初始水位各河道給出0.05米水位。

水質(zhì)模型：采用2007年8月7日～8日與河道水流監(jiān)測同步的水質(zhì)監(jiān)測資料，污染源邊界本模型根據(jù)水資源普查資料將市內(nèi)的點(diǎn)源集中成25個(gè)，這些點(diǎn)源分別就近排入相應(yīng)的河道。

3.3 模型率定

3.3 模型驗(yàn)證結(jié)果

部分典型斷面水位、流量計(jì)算值與實(shí)測值對比見圖2～圖7，NH3－N、BOD5濃度計(jì)算值與實(shí)測值的比較見表2。

圖2 白馬河同德閘前計(jì)算和實(shí)測水位的比較

圖3 白馬河同德閘前計(jì)算和實(shí)測流量的比較

圖4 晉安河紫陽橋前計(jì)算和實(shí)測水位的比較

圖5 晉安河紫陽橋前計(jì)算和實(shí)測流量的比較

圖6 光明港連江路橋前計(jì)算和實(shí)測水位的比較

從比較結(jié)果來看，研究區(qū)域內(nèi)的水位、流量、水質(zhì)濃度模擬是成功的，說明模型結(jié)構(gòu)合理，基本能反映福州內(nèi)河河網(wǎng)的水質(zhì)狀況。

表2 主要斷面氨氮濃度計(jì)算值與實(shí)測值比較

4 結(jié)果分析

通過對內(nèi)河河網(wǎng)水流水質(zhì)的模擬計(jì)算，可以內(nèi)河水流、污染物運(yùn)動規(guī)律認(rèn)識有更加直觀、全面的認(rèn)識。

4.1 水流運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識

本研究區(qū)域外江高潮時(shí)間為農(nóng)歷廿五8：00，外江低潮時(shí)間為農(nóng)歷廿六2:40。閩江福州段潮型為半日潮，每天兩周期，每周期12h50min[1]。在漲潮時(shí)由于江水的倒灌或頂托，內(nèi)河下游靠江河段水位升高，流量反而隨之減少；三捷河、達(dá)道河、瀛洲河、打鐵港由于河底坡降較小，甚至有負(fù)流量的出現(xiàn)。落潮時(shí)內(nèi)河下游靠江部分水位降低，流量隨之增大。總的看來，不管是漲潮還是落潮，內(nèi)河下游水位變化要滯后于外江水位的變化，內(nèi)河流量的變化要滯后于水位的變化。

4.2 污染物濃度的時(shí)空變化

為了進(jìn)一步研究該區(qū)域內(nèi)河非恒定流狀態(tài)的水體對污染物的時(shí)空變化規(guī)律產(chǎn)生的影響，將選取典型斷面的2007年8月7日～8日的氨氮計(jì)算濃度變化過程和計(jì)算流量變化過程疊加在一起，結(jié)果見圖8～圖10。

圖8 白馬河同德閘前流量、氨氮濃度過程線

圖9 晉安河紫陽橋前流量、氨氮濃度過程線

圖10 光明港九孔閘內(nèi)流量、氨氮濃度過程線

由圖8～圖10可以得出該研究區(qū)域污染物濃度隨時(shí)空變化的大致規(guī)律。

（1）濃度過程與流量過程密切相關(guān)：污染物濃度大小和流量大小都是呈現(xiàn)周期性變化，此外兩者還存在一定的相位差，這種相位差沿程有所變化。

（2）河口水系，東區(qū)水系和西區(qū)水系的下游，外江落潮時(shí)，市區(qū)的污水通過下游泄入江中，污染物濃度增大，落憩前后濃度達(dá)到最大值；漲潮時(shí)，污水受到外江潮水的頂托作用，不能外排，污染物濃度降低，漲潮前后達(dá)到最小值。東區(qū)水系與西區(qū)水系的上游，污染物濃度與水位高低一致。中游是過渡段，外江漲潮由于下游污染物上溯，河水頂托，流速降低，污染物濃度增加；外江落潮時(shí)污染物濃度隨之下降。

5 結(jié)語

本文對研究區(qū)域水系河網(wǎng)進(jìn)行合理概化后運(yùn)用所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果令人滿意，水力模型能正確反映漲落潮趨勢，水質(zhì)模型能正確反映污染物受漲落潮影響，分析得出福州內(nèi)河感潮河網(wǎng)的水動力及污染物遷移規(guī)律。

河流水質(zhì)模擬的最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的部分是要有大量的水文、水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文研究中，對于部分監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)不夠完整，需進(jìn)行更深一步的精確測量和驗(yàn)證工作。

[1] 洪理建.福州內(nèi)河引水沖污技術(shù)研究[J].人民珠江. 2000(1): 38～42.

[2] 陳虹，朱明栓,余金星. 感潮河網(wǎng)水動力水污染數(shù)值模擬研究及應(yīng)用[A].第二十屆全國水動力學(xué)研討會文集[C].北京：海洋出版社，2007.

[3] 白玉川，萬艷春，黃本勝等.河網(wǎng)非恒定流數(shù)值模擬的研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào).2000,(12):43-52.

[4] 徐祖信.河流污染治理規(guī)劃理論與實(shí)踐[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2003.