陳建標(biāo),錢小娟,朱友銀,陳立強(qiáng)

南通市引江調(diào)水對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境改善效果的模擬

陳建標(biāo)1,錢小娟1,朱友銀1,陳立強(qiáng)2

(1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局,江蘇南通 226006;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098)

為客觀評(píng)估南通市引江調(diào)水對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果,針對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了河網(wǎng)概化,建立了河網(wǎng)水量水質(zhì)模型。利用該模型進(jìn)行了各分區(qū)的調(diào)水水量分配計(jì)算,分析了不同輪次調(diào)水對(duì)河網(wǎng)COD、NH3-N濃度的改善效果。計(jì)算結(jié)果表明：通州分區(qū)和如皋分區(qū)在第2輪引水后水質(zhì)得到明顯改善,如東和海安分區(qū)在第4輪引水后水質(zhì)得到明顯改善。研究證實(shí)引江調(diào)水是一種改善水環(huán)境的行之有效方法,為南通市調(diào)水方案實(shí)施提供了科決策依據(jù)。

引江調(diào)水;水量模型;水質(zhì)模型;置換率;南通市

南通市位于江蘇省東部,東抵黃海,南望長江,區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布,工農(nóng)業(yè)用水主要依靠各級(jí)河網(wǎng)輸送、提供。近年來隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)及生活點(diǎn)源、面源污染日益增加,區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量日益下降。此外,由于南通沿海墾區(qū)土壤是由潮間帶沉積物沉積形成的,長期受海洋潮汐的影響導(dǎo)致土壤鹽分含量偏高,淋鹽洗堿的土壤改良方式使沿海區(qū)域河道含鹽度較高。由此帶來的水質(zhì)型缺水、季節(jié)性缺水、工程性缺水等諸多問題日趨突出。根據(jù)南通市水環(huán)境監(jiān)測資料,全市水功能區(qū)2010年和2011年的達(dá)標(biāo)率僅為49.7%和54.5%。

調(diào)水沖污是河流水環(huán)境綜合整治的有效措施之一,國內(nèi)外對(duì)引水改善水環(huán)境方面研究已經(jīng)取得了一些成果。據(jù)報(bào)道,國內(nèi)如福州市通過引水后沖污,內(nèi)河黑臭基本消除,改善了內(nèi)河水生生態(tài)環(huán)境與河道景觀;泗洪縣城區(qū)9條河流水質(zhì)均為劣Ⅴ類,引水措施實(shí)施后,城區(qū)河道控制斷面水質(zhì)改善為Ⅲ～Ⅳ類水,基本滿足了泗洪城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境功能要求[1];溫州市區(qū)河道納潮沖污后使塘河水質(zhì)得到改善,引水后的塘河水體不論在感官、視覺、嗅覺上均有所改善[2];上海市虹口港水系利用自然水力條件和現(xiàn)有水利設(shè)施,通過合理調(diào)度、南引北排、引水沖污等措施,明顯改善水系內(nèi)水質(zhì),基本消除黑臭現(xiàn)象[3];蘇州外城河進(jìn)行引水沖污后徑流量加大,使流入外城河的污染物得到自然稀釋和降解,增強(qiáng)了水體自凈能力,增加了外城河的環(huán)境容量[4]。國外如美國加利福尼亞調(diào)水工程、加拿大魁北克調(diào)水工程、德國的魯爾河、俄國的莫斯科河等均嘗試了引水修復(fù)水環(huán)境等措施,且效果良好。

圖1 南通市高水系河網(wǎng)概化及引排水口位置

南通市區(qū)域水系相對(duì)獨(dú)立,通過水閘等水利工程設(shè)施與長江和外海相通,且潮汐動(dòng)力強(qiáng),引江調(diào)水具有得天獨(dú)厚的水文條件。目前長江南通段水質(zhì)明顯優(yōu)于河網(wǎng)水質(zhì),滿足調(diào)水所需要的水質(zhì)條件。為此,南通市政府于2011年實(shí)施了引江調(diào)水方案,利用長江潮差調(diào)引長江水以改善河網(wǎng)水環(huán)境。為客觀評(píng)估南通市引江調(diào)水對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果,筆者通過對(duì)南通市高水系河網(wǎng)的概化,對(duì)2011年春季調(diào)水對(duì)河網(wǎng)水量水質(zhì)的影響進(jìn)行了模擬研究,為南通市引江調(diào)水方案實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)水方案

1.1 調(diào)水研究區(qū)域及河網(wǎng)概化

南通市水系相對(duì)獨(dú)立,調(diào)水影響區(qū)域主要為南通市高水系地區(qū)。南通市高水系地區(qū)是指南通西部的通南高沙土區(qū)、斗南墾區(qū)及江海平原區(qū)的通呂運(yùn)河以北的地區(qū)[5],主要包括如皋、海安、通州的大部分地區(qū),如東的全境,以及海門、啟東的通呂運(yùn)河以北地區(qū),總面積5 287 km2,約占南通市總面積的67%。南通市高水系河網(wǎng)概化見圖1所示,共概化河段234條、計(jì)算斷面495個(gè)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)152個(gè)。

1.2 調(diào)水引排水方案

長江南通段為長江近河口段,受海洋潮汐影響,長江南通段為不規(guī)則半日潮呈周期性變化,長江的潮汐特性為引水和排水提供了基本的水動(dòng)力條件,形成自引自排的引江調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)。2011年春季調(diào)水實(shí)施時(shí)間為2—4月,共進(jìn)行了6輪引水、2輪排水,見圖2所示。沿江引水口主要有焦港閘、碾砣港閘、九圩港閘等5個(gè),沿海排水口有大洋港閘、東灶港閘、小洋口閘等9個(gè),具體位置參見圖1。

圖2 2011年春季調(diào)水引排水輪次分布

2 高水系河網(wǎng)水量水質(zhì)模型的構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1 水量模型基本方程

水量計(jì)算的微分方程是建立在質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組,以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量,并補(bǔ)充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為

式中：Q為流量;x為空間坐標(biāo);BW為考慮主流斷面寬度和調(diào)蓄寬度的總寬度;Z為水位;t為時(shí)間坐標(biāo); q為旁側(cè)入流流量;u為斷面平均流速;n為糙率;A為過水?dāng)嗝婷娣e;B為主流斷面寬度;R為水力半徑。采用Preissman 4點(diǎn)隱式差分格式離散方程組。

2.1.2 水質(zhì)模型基本方程

一維河流水質(zhì)控制方程為

式中：Q為斷面流量,m3/s;ρ為污染物質(zhì)量濃度,mg/L; A為斷面面積,m2;Ex為縱向分散系數(shù),m2/s;K為綜合降解系數(shù),1/s;S為污染源項(xiàng),g/(m·s)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,對(duì)充分混合的節(jié)點(diǎn),可認(rèn)為與該節(jié)點(diǎn)鄰近的斷面濃度相等,并在各節(jié)點(diǎn)處滿足以下方程：

式中：j為節(jié)點(diǎn)號(hào),i為與節(jié)點(diǎn)j相鄰的河道數(shù);Ω為節(jié)點(diǎn)容蓄量,對(duì)于非調(diào)蓄節(jié)點(diǎn),Ω=0;Sj為節(jié)點(diǎn)污染源排放量。

2.2 模型率定

2.2.1 原型調(diào)水試驗(yàn)

2008年4月在焦港運(yùn)河河沿線的雙樓橋、木勺子橋進(jìn)行原型調(diào)水試驗(yàn)。主要監(jiān)測項(xiàng)目為水位、流量及水質(zhì)監(jiān)測斷面的COD。監(jiān)測頻率為自開閘引水后,每隔1 h監(jiān)測1次流量、水位水質(zhì)。

2.2.2 水量模型參數(shù)率定

根據(jù)2008年4月的引、排水試驗(yàn)監(jiān)測成果,對(duì)水量、水位模型進(jìn)行率定。率定后監(jiān)測斷面流量計(jì)算值和實(shí)測值的對(duì)比見圖3,水位計(jì)算值和實(shí)測值的對(duì)比見圖4。率定得到的河道糙率值n為0.015～0.043。

2.2.3 水質(zhì)模型參數(shù)率定

根據(jù)2008年4月的引、排水實(shí)驗(yàn)監(jiān)測成果,對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定。率定后的各斷面水質(zhì)計(jì)算值和實(shí)測值的對(duì)比結(jié)果見圖5。率定得到的降解系數(shù)為KCOD=0.08～0.15/d。

圖3 流量計(jì)算值和實(shí)測值對(duì)比

圖4 水位計(jì)算值和實(shí)測值對(duì)比

圖5 水質(zhì)計(jì)算值和實(shí)測值對(duì)比

3 南通市引江調(diào)水改善河網(wǎng)水環(huán)境效果模擬分析

3.1 水量模擬分析

根據(jù)行政區(qū)劃,南通市高水系河網(wǎng)可劃分為4個(gè)部分,即：如皋分區(qū)、海安分區(qū)、如東分區(qū)和通州分區(qū),其中海門、啟東的通呂運(yùn)河以北地區(qū)河網(wǎng)并入通州分區(qū)考慮,開展調(diào)水水量在四大分區(qū)的水量分配研究。由于水量模型只能得到江水與河水混合后的總水量,為了得到江水水量分配,首先利用水質(zhì)模型計(jì)算置換率,總水量乘以置換率得到江水水量。河網(wǎng)內(nèi)某點(diǎn)處的置換率是指該點(diǎn)處新水量占總水量的比例,其大小反映了水體的置換程度[6]。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,2011年春季調(diào)水后長江水水量在各分區(qū)逐日演變過程見圖6所示。在第1輪引水過程中,由于僅開啟了九圩港閘和南通閘,所引長江水絕大部分進(jìn)入通州分區(qū),約占80%,其次進(jìn)入如皋和如東分區(qū),極少進(jìn)入海安分區(qū)。在第2輪引水過程中,焦港閘、如皋港閘、碾砣港閘、九圩港閘和南通閘全部開啟引水,約有44%的江水進(jìn)入通州分區(qū),進(jìn)入如皋和如東分區(qū)水量約占33%和20%,另有2%進(jìn)入海安分區(qū)。第3輪引水水量較少,仍以進(jìn)入通州分區(qū)最多,其次為如皋和如東,海安最少。第4輪引水和第一輪排水交叉進(jìn)行,先排后引,排水初期,通州、如皋、如東分區(qū)中排水超過進(jìn)水,3月18日后,進(jìn)水水量逐漸超過排出的江水量。第5輪引水和第二輪排水交叉進(jìn)行,先排后引,排水初期,除了海安分區(qū)外,通州、如皋、如東分區(qū)中排水超過進(jìn)水,4月3日后,各分區(qū)進(jìn)水水量逐漸超過排出的江水量。第6輪引水在各分區(qū)的分配為：如皋24%、海安14%、通州37%和如東25%。

3.2 水質(zhì)模擬分析

利用河網(wǎng)水質(zhì)模型進(jìn)行調(diào)水改善水質(zhì)的模擬分析。調(diào)水前河網(wǎng)水質(zhì)背景濃度取2011年1月份平均濃度。根據(jù)長江南通段2011年水質(zhì)監(jiān)測均值作為調(diào)水設(shè)計(jì)水質(zhì)。調(diào)水設(shè)計(jì)水文條件為2011年2—4月的調(diào)水流量資料。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)選擇了14個(gè)代表斷面進(jìn)行水質(zhì)改善分析,如皋3個(gè)、海安4個(gè)、如東4個(gè)、通州3個(gè),具體位置見圖7。

根據(jù)水質(zhì)預(yù)測結(jié)果,通州分區(qū)和如皋分區(qū)在第2輪引水后得到明顯改善,如東和海安分區(qū)在第4輪引水后得到明顯改善,各分區(qū)代表斷面水質(zhì)均得到一定的改善(圖8～9)。

圖6 不同河網(wǎng)分區(qū)水量逐日演變過程

圖7 水質(zhì)代表斷面位置

圖8 各分區(qū)代表斷面調(diào)水前后COD質(zhì)量濃度對(duì)比

圖9 各分區(qū)調(diào)水前后NH3-N質(zhì)量濃度對(duì)比

4 結(jié) 語

a.針對(duì)南通市高水系地區(qū),進(jìn)行了河網(wǎng)概化,建立了河網(wǎng)水量水質(zhì)模型.通過模型率定驗(yàn)證了模型可靠性。

b.利用水量模型計(jì)算江水與河水混合后的總水量,利用水質(zhì)模型計(jì)算置換率,進(jìn)行各分區(qū)的調(diào)水水量分配計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,所調(diào)長江水量在調(diào)水初期,大部分進(jìn)入通州分區(qū),隨著調(diào)水輪次的增加,逐漸進(jìn)入如皋、如東分區(qū),最后進(jìn)入海安分區(qū)。

c.利用河網(wǎng)水質(zhì)模型分析了不同輪次調(diào)水對(duì)河網(wǎng)COD、NH3-N的改善效果。計(jì)算結(jié)果表明,通過多輪引水后,河網(wǎng)水質(zhì)得到明顯改善。

d.通過實(shí)施南通市引江調(diào)水工程,可起到改善河網(wǎng)水質(zhì)、增加水體環(huán)境容量、提高水體自凈能力的作用,對(duì)南通河網(wǎng)水環(huán)境綜合改善是有益的,是一種行之有效的方法。本文研究成果為南通市高水系地區(qū)的水質(zhì)改善和水環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)的決策依據(jù),該工作對(duì)其他同類型城市引江調(diào)水的研究具有一定的借鑒作用。

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Simulation of improvement of water environment in river network of Nantong City by water diversion from Yangtze River

CHEN Jianbiao1,QIAN Xiaojuan1,ZHU Youyin1,CHEN Liqiang2
(1.Nantong Branch of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nantong 226006,China; 2.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to objectively evaluate the improvement of the water environment in the river network of Nantong City through water diversion from the Yangtze River,the river network of this region was generalized and water quantity and water quality models were established.The models were used to calculate the distribution of diverted water in sub-areas.The reduction of the COD and NH3-N concentrations in the river network during different water diversion stages was analyzed.The results show that the water quality of the Tongzhou and Rugao sub-areas improved significantly during the second stage of water diversion,and the water quality of the Rudong and Haian sub-areas improved significantly during the fourth stage of water diversion.This study shows that water diversion from the Yangtze River is an effective way to improve the water environment,and this provides a scientific decisionmaking basis for the water diversion scheme of Nantong City.

water diversion from Yangtze River;water quantity model;water quality model;replacement rate; Nantong City

X820.6

A

1004-6933(2014)01-0038-05

201304-09 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.008

陳建標(biāo)(1963—),男,高級(jí)工程師,從事水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作。E-mail：marigold0513@163.com