吳啟凡

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098)

在城市中河流是非常關(guān)鍵的資源，同時(shí)也是環(huán)境的載體，尤其是目前城市生態(tài)化已經(jīng)逐漸占據(jù)了城市建設(shè)的主體地位，在生態(tài)建設(shè)時(shí)，城市河流更加發(fā)揮了其獨(dú)一無(wú)二的影響?？墒?，由于城市面積的日益加大以及人為干預(yù)的日益嚴(yán)重，大面積的城市河流已經(jīng)出現(xiàn)水污染，生態(tài)失衡，河流過(guò)流能力降低以及河流不暢等情況。因此針對(duì)城市河流，實(shí)施以生態(tài)為前提的對(duì)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行的研究，是非常重要的。

1 針對(duì)生態(tài)城市河流開(kāi)展的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型

1.1 城市河流生態(tài)對(duì)水資源的總需求量

城市河流生態(tài)對(duì)水資源的總需求量指的是:在城市水質(zhì)不良并且水量水動(dòng)力短缺的基礎(chǔ)上，以使河道所有功能區(qū)劃的最終目標(biāo)都能達(dá)到為基礎(chǔ)，為使在城市河流中生存的生物保持其多樣性，滿足最主要的環(huán)境功能總共需要的流量。需要大量的自凈水資源以及河流自身的稀釋是其最大的特征，河網(wǎng)中大部分河流流量的控制都是由人工進(jìn)行的。城市河流生態(tài)對(duì)水資源的總需求量主要有:為岸邊植物生存提供的水資源，為景觀提供的水資源，為水中生存的生物提供的水資源，河流蒸發(fā)以及滲漏，河流自身的稀釋以及自凈，為了易于深入理解以及實(shí)施操作，一般把河流生態(tài)對(duì)水資源的總需求量分為最佳需水量，適宜需水量以及最小需水量，關(guān)于具體需水量的計(jì)算是通過(guò)如下方式進(jìn)行的，即:河道濕周法、理論和經(jīng)驗(yàn)公式法、月(年)保證率法、Tennant法以及 R2CROSS法等。

1.2 河流水量的基本模型

1.2.1 主要方程式

圣維南方程組由兩部分構(gòu)成，即動(dòng)量方程及連續(xù)方程，它是關(guān)于河道水流運(yùn)動(dòng)的主要方程。

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

式中:x為距離，m;t為時(shí)間，s;A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2;B為調(diào)蓄寬度，m;Q為斷面流量，m3/s;u為斷面流速，m/s;Z為斷面水位，m;a為動(dòng)量修正系數(shù);g為重力加速度;K為流量模數(shù)，m3/s;q為旁側(cè)入流量，入流為正，出流為負(fù)，m3/s;vx為入流沿水流方向的速度，若旁側(cè)入流垂直于主流，則vx=0，m/s。

1.2.2 數(shù)值計(jì)算

圣維南方程組通過(guò)一維非恒定流進(jìn)行模擬，本文選擇了Perissmann 4點(diǎn)隱式離散來(lái)離散主要方程，這主要是由于這種算法不僅具有較好的守恒性，而且數(shù)值變化不大，最主要的是能將無(wú)迭代求解顯示出來(lái)而且效率好。在離散結(jié)束后，對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化后能計(jì)算出所有河道水流的動(dòng)量方程以及連續(xù)方程(式中vx取值為0):

式中:全部系數(shù)的計(jì)算都能按照前面計(jì)算出來(lái)的值乘以時(shí)間以及空間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，因此該方程組屬于常系數(shù)線性方程組。關(guān)于這個(gè)方程組，按照邊界條件的區(qū)別，能設(shè)各種遞推關(guān)系，通過(guò)追趕法來(lái)進(jìn)行求解。

1.2.3 節(jié)點(diǎn)連結(jié)條件

河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主要包括兩種:①節(jié)點(diǎn)位置的水量調(diào)蓄范圍不大，水位變化引起的節(jié)點(diǎn)蓄水量發(fā)生的變化能不考慮，屬于沒(méi)有調(diào)蓄節(jié)點(diǎn);②節(jié)點(diǎn)位置蓄水范圍較大，節(jié)點(diǎn)位置的水位變化引起的蓄水量發(fā)生的變化要考慮在內(nèi)，屬于調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)。能量守衡的基本條件:因?yàn)閰R集在相同節(jié)點(diǎn)位置的河道斷面水位大體相似，沒(méi)有水位突變的情況，此外由于水位變化速度較慢，所以伯努里方程是能量守恒的基本要條件。

1.2.4 邊界條件

河道通常都有3種邊界條件:①水位流量關(guān)系條件，如果邊界河道上存在水閘以及堰等水工建筑物的話，一般來(lái)說(shuō)水位流量關(guān)系也就是Q=Q(z)是確定的。邊界條件的確定主要來(lái)源于對(duì)邊界斷面的具體水位資料進(jìn)行測(cè)量得知;②流量邊界條件也就是Q=Q(t);③水位邊界條件，也就是說(shuō)時(shí)間和水位之間的關(guān)系是已知的，即Q=Z(t)。

1.3 河流水質(zhì)模型

城市河流水質(zhì)的變化不僅不均勻而且不穩(wěn)定，由于水質(zhì)觀測(cè)資料的有限性，本文選擇了一維河流水質(zhì)模型。

1.3.1 基本方程

一維對(duì)流擴(kuò)散模型的基本偏微分方程為:

式中:c為斷面平均污染物質(zhì)量濃度，mg/L;u為斷面平均縱向流速，m/s;D為縱向離散系數(shù)，m2/s;Sext為外部源匯項(xiàng);Sint為內(nèi)部源匯項(xiàng)，即降解項(xiàng)，一般假定降解符合一級(jí)動(dòng)力反應(yīng)，則:

式中:k為綜合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速度，1/d。

1.3.2 離散方程

針對(duì)離散方程，河流污染物選擇了對(duì)體積進(jìn)行有限控制的顯式計(jì)算方式，對(duì)節(jié)點(diǎn)處污染物以及管道處污染物的質(zhì)量進(jìn)行平衡計(jì)算。

1.4 對(duì)水質(zhì)以及水量基本模型進(jìn)行耦合的技術(shù)手段

把河流的水質(zhì)模型(生態(tài)環(huán)境要素變化)以及河流的水量模型(水體物理特征)進(jìn)行耦合，能有效的模擬以及預(yù)測(cè)河流生態(tài)系統(tǒng)的各種要素。在對(duì)其進(jìn)行耦合時(shí)，水質(zhì)計(jì)算要求的流量、速度等水力參數(shù)都來(lái)源于水量模型。在進(jìn)行耦合的過(guò)程中，計(jì)算單元一定要與時(shí)間步長(zhǎng)相一致。關(guān)于一維河網(wǎng)問(wèn)題，在水質(zhì)模型里，水量模型里緊挨著的微斷面構(gòu)成微河段，在水質(zhì)模型中所有的單元體積，它們的交界面都和水量模型里的斷面存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。在水質(zhì)模型中，關(guān)于水質(zhì)運(yùn)輸率的計(jì)算要在與單元連接的交界面上進(jìn)行，在所有單元體積中進(jìn)行水質(zhì)濃度的計(jì)算。

2 模型計(jì)算實(shí)例

2.1 實(shí)例概況

有一城市河流，流域面積合計(jì)為663.0 km2，43.2 km的長(zhǎng)度，關(guān)于河道坡降，屬于上面較陡下面較緩，上段大概占到1/500，下段大概占到1/1 500。共擁有兩個(gè)水庫(kù)，以及5個(gè)橡膠壩。水資源來(lái)源于提灌站提供的引水量，大概為1 466萬(wàn)m3/a。目前，由于城市化的發(fā)展，該河水系生態(tài)水量短缺，使河流生態(tài)功能減弱，水體發(fā)生污染，不管是水質(zhì)性缺水還是水源性缺水不斷加重。

2.2 設(shè)計(jì)以及建立模型

2.2.1 河流生態(tài)對(duì)水資源的需求量

按照《城市生態(tài)水系規(guī)劃》的規(guī)定，聯(lián)系該市水系資料進(jìn)行考慮，關(guān)于該河流對(duì)水資源需求量的計(jì)算，本文選擇了理論以及經(jīng)驗(yàn)公式法，Tennant法進(jìn)行計(jì)算，表1是其計(jì)算結(jié)果。

表1 河流生態(tài)流量推薦值 m3·s－1

2.2.2 對(duì)模型進(jìn)行的驗(yàn)證

圖1顯示的是該河氨氮質(zhì)量濃度及流量的實(shí)測(cè)值和模擬值。由圖1可見(jiàn)，其模擬值與實(shí)測(cè)值的基本變化趨勢(shì)是相似的。關(guān)于流量，其不管是模擬值還是實(shí)測(cè)值，只有4月以及8月具有較大的相對(duì)誤差即28.9%以及40.9%，其他月份其相對(duì)誤差都不大即≤25%;而氨氮的模擬以及實(shí)測(cè)值，其4月是－28.9%，8 月是 －43.1%，10 月是 －30.6%，其他月份其相對(duì)誤差都≤25%。因此從模擬結(jié)果可以看出模型是準(zhǔn)確的。

圖1 模型驗(yàn)證結(jié)果

2.3 對(duì)調(diào)度效果進(jìn)行的分析

以本市某河河道以及水資源的實(shí)際情況為依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型，其主要目的是對(duì)研究區(qū)造成的安全作用最小，缺水量最少但是水質(zhì)得到最大程度的改善。

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，只憑借雨水的話是不太容易滿足該河流對(duì)水資源的需求量的。該河流建造了兩座水庫(kù)。依靠這兩個(gè)水庫(kù)進(jìn)行的調(diào)節(jié)，特別是庫(kù)1進(jìn)行的調(diào)節(jié)，當(dāng)汛期結(jié)束后能為最小河道提供最基本的流量。根據(jù)河道適宜性對(duì)水資源需求量進(jìn)行考慮，如果缺乏引水量的話，河道生態(tài)僅能達(dá)到10.1%水資源保障;如果存在引供水的話，河道生態(tài)可以達(dá)到72.4%的水資源保障，河流對(duì)水資源的需求量幾乎可以得到提供。可是經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，在非汛階段要是未引水量的話，也許會(huì)發(fā)生沒(méi)有水的現(xiàn)象，也就無(wú)法為生態(tài)流量提供水資源，因此在非汛期階段要處理好河道生態(tài)對(duì)水資源的需求，一定要有水源進(jìn)行河道調(diào)水。

3 結(jié)語(yǔ)

在城市河流水質(zhì)較差，過(guò)流能力不斷減少，生態(tài)失衡的情況下，采取水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的基本模型，由實(shí)例可以看出，采取這種模型實(shí)施閘壩調(diào)控引水，最終計(jì)算結(jié)果是科學(xué)適宜的，能為水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度具體方案的設(shè)計(jì)、改善河流生態(tài)環(huán)境帶來(lái)技術(shù)保障。

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