潘小保，蔡 斌，柳 楊，謝 忱，丁 瑞

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000；2.上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200000)

平原河網(wǎng)區(qū)通過調(diào)水引流引入優(yōu)質(zhì)水源，合理的調(diào)度運行，既可以增加引入清水量，有效增加河道水環(huán)境容量，也可以增大流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一。本文就國內(nèi)外調(diào)水引流提升水環(huán)境及利用數(shù)學(xué)模型模擬改善效果的研究進行綜述，以期為水資源高效利用、水環(huán)境改善提供參考。

1 調(diào)水引流

1.1 調(diào)水引流對河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果

引清調(diào)水的作用不只是增加水量、稀釋污水、增加水環(huán)境容量，更重要的是激活水流，增加流速，使水體中氧的濃度增加，水體的自凈系數(shù)k值增大，水體的自凈能力增強，水生微生物、植物的數(shù)量和種類也相應(yīng)增加，水生生物活性增強，通過多種生物的新陳代謝作用達到凈化水質(zhì)的目的。在感潮河網(wǎng)地區(qū)，充分利用充沛的過境清水和感潮河網(wǎng)的潮汐水動力特性，發(fā)揮己建水利工程的作用進行調(diào)度，促進水體良性循環(huán)，具有效果好、費用低、運行管理相對簡單的特點。

日本最早通過水資源調(diào)度改善河道水質(zhì)的工作，東京1964年從利根川和荒川引入清水改善隅田川水質(zhì)從而開啟了引清調(diào)水的先河[1]；此外，如美國引密西西比河入Pontchartrain湖的引水工程[2]、荷蘭Veluwemeetr湖的引換水工程[3]，都獲得了良好的水質(zhì)改善效果。

國內(nèi)自20世紀80年代末開始有引水沖污、引清調(diào)水改善水環(huán)境的試驗嘗試[4- 5]，當時已能根據(jù)引水工程運行現(xiàn)狀，對河道水質(zhì)的改善進行定性和定量評估。21世紀以來，常熟、昆山等地[6- 7]在引水試驗現(xiàn)場監(jiān)測水量、水質(zhì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MIKE11等水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬不同工況下不同引水量的水質(zhì)改善效果，以此指導(dǎo)引水方案的制定。上海市[8]制定了引清調(diào)水的常規(guī)方案和應(yīng)對雨天市政泵站放江或突發(fā)性船舶污染事故的應(yīng)急預(yù)案，確保了引清調(diào)水效果的長效性；無錫、常州等沿江地區(qū)[9- 10]在泵引基礎(chǔ)上利用長江潮差引水改善平原河網(wǎng)水環(huán)境，改善效果明顯，且減少了能源消耗；南通市[11]利用水量水質(zhì)模型進行了不同分區(qū)的調(diào)水水量分配計算，分析了不同輪次調(diào)水對河網(wǎng)COD、NH3-N濃度的改善效果；南京市[12]分別對枯水期、汛期不同引水規(guī)模、閘控方式和引水方式的引調(diào)水方案進行了水量水質(zhì)的數(shù)值模擬，很好地將水環(huán)境調(diào)度和防汛調(diào)度相結(jié)合，在穩(wěn)步提升水環(huán)境的同時不影響防汛安全；浙江省杭嘉湖地區(qū)[13]運用水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型模擬發(fā)現(xiàn)，階段性引調(diào)水的效率優(yōu)于連續(xù)性引調(diào)水，能在減少實際引調(diào)水歷時與水量的同時，達到與連續(xù)性引調(diào)水相近的改善水質(zhì)效果。

大量的調(diào)水引流試驗，一方面驗證了調(diào)水引流改善水環(huán)境的效果，也進一步探討了引水規(guī)模、引水方式、閘泵堰等的聯(lián)合調(diào)度對改善效果的影響、水環(huán)境調(diào)度與防汛調(diào)度的沖突解決、水環(huán)境調(diào)度在突發(fā)污染事件中的應(yīng)用、平原感潮河網(wǎng)區(qū)利用大河潮差引水等等，為其他地區(qū)水環(huán)境改善提供了很好地借鑒意義。

1.2 綜合施策

將截污控源、河道整治等水環(huán)境治理措施結(jié)合調(diào)水引流綜合施策，能夠更好地提升水環(huán)境。浙江省平湖市[14]運用水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，以主要污染物氨氮、COD、TP的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，計算出達到水質(zhì)改善目標應(yīng)削減的污染負荷；浙江溫黃平原[15]運用數(shù)學(xué)模型，模擬不同污染物削減量和不同引水量組合下的水質(zhì)狀況。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者在調(diào)水引流提升水環(huán)境方面做了大量的工作，但目前水動力指標對河網(wǎng)水質(zhì)指標影響的定量關(guān)系仍然不夠明確，需要進一步建立水動力與水質(zhì)指標的定量關(guān)系，從而可以依據(jù)不同水量水質(zhì)狀況、污染物排放狀況制定調(diào)水方案，并精確預(yù)測水質(zhì)改善效果，實現(xiàn)水資源調(diào)度的數(shù)字化、科學(xué)化和精細化。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 水動力數(shù)學(xué)模型

河網(wǎng)水動力數(shù)學(xué)模型大體可以分為節(jié)點-河道模型、單元劃分模型、混合模型以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型4類。目前，河網(wǎng)水動力模型仍然以節(jié)點-河道模型為主，對Saint-Venant方程組離散求解。其基本思想是：將河網(wǎng)中的每一河道視為單一河道，其控制方程均為一維Saint-Venant方程組；河道連接處稱為節(jié)點，每個節(jié)點處均應(yīng)滿足水流連續(xù)性方程和能量守恒方程。求解由邊界條件、Saint-Venant方程組和節(jié)點銜接方程聯(lián)立閉合方程組，即可得到各河段內(nèi)部斷面的未知水力要素。

20世紀20年代，Sterneck和Defant首次采用一維水動力模擬對河流進行模擬，并取得一定的研究進展。1953年Stocks初次將Saint-Venant方程成功應(yīng)用于洪水的計算[16]。一維水動力的提出為二維的水動力奠定了有效的基礎(chǔ)。1970—1980年，有限差分法的提出使得二維模型有了巨大的進展。1979年Van Leer根據(jù)單調(diào)插值將一階格式推廣到了二階精度[17]。1980年至今，三維模型得到快速的發(fā)展和成熟的應(yīng)用，其在水動力垂向結(jié)構(gòu)變化較大時的適用性比一維和二維更強[18- 20]。

我國在水動力模型的研究上己有大量的研究成果。2013年，錢海平等人對平原地區(qū)的感潮河網(wǎng)進行研究分析，說明MIKE 11模型能夠模擬出感潮河網(wǎng)的水動力特征[14]。2015年，黃軼康等人建立EFDC模型對長江溢油事故的風(fēng)險進行了預(yù)測，準確地反映研究區(qū)域內(nèi)的溢油擴展與油膜遷移運動的規(guī)律[21]。

利用水動力模型對調(diào)水引流后的河流流速、流量、水位等水動力要素進行模擬，可以更好地指導(dǎo)調(diào)水引流的設(shè)計方案，通過控導(dǎo)工程進行水資源配置，實現(xiàn)平原河網(wǎng)區(qū)河網(wǎng)按需配水、有序流動。

2.2 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是根據(jù)物質(zhì)守恒的原理來描述不同污染物質(zhì)在水中遷移轉(zhuǎn)化過程和規(guī)律，可為預(yù)測未來水質(zhì)及預(yù)防提供決策支持。按照水質(zhì)類型的時空分布，水質(zhì)模型主要由零維水質(zhì)模型、一維水質(zhì)模型、二維水質(zhì)模型和三維水質(zhì)模型組成。從1925年斯特里特(H.W.Streeter和費爾普斯(E. B.Phelps)建立了S-P模型開始至今[22]，水質(zhì)數(shù)學(xué)模型經(jīng)歷了五個發(fā)展階段[23- 24]。第一階段(1925—1960年)以S-P模型為代表，后來科學(xué)家在其基礎(chǔ)上成功地發(fā)展了BOD-DO耦合模型，并應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測等方面；第二階段(1960—1965年)在S-P模型的基礎(chǔ)上又有了新的發(fā)展，引進了空間變量、物理、動力學(xué)系數(shù)，溫度作為狀態(tài)變量也被引入到一維河流和水庫(湖泊)模型，同時考慮了空氣和水表面的熱交換，并將其用于比較復(fù)雜的系統(tǒng)；第三階段(1965—1970年)其他輸入源和漏源包括氮化合物好氧(NOD)、光合作用、藻類的呼吸以及沉降、再懸浮等等，計算機的成功應(yīng)用使水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的研究取得了突破性的進展；第四階段(1970—1975年)水質(zhì)模型已發(fā)展成相互作用的線性化體系、生態(tài)水質(zhì)模型的研究初見端倪，有限元模型用于兩維體系，有限差分技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)模型的計算；第五階段(近20多年)科學(xué)家的注意力己逐漸地轉(zhuǎn)移到改善模型的可靠性和評價能力的研究上。

我國水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的起步較晚，但經(jīng)過一段時間的完善后也日益發(fā)展成熟。2013年，朱茂森采用了MIKE 11模型對遼河流域的污染物在水體中遷移擴散進行模擬，模擬出污染物的遷移擴散和衰減過程[25]。2014年，張文時構(gòu)建EFDC模型對重慶趙家溪的水動力水質(zhì)進行模擬，模型的誤差值均小于30%[26]。

利用水質(zhì)模型對調(diào)水引流后的河流中高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、溶解氧、透明度、溫度、pH等水質(zhì)要素進行模擬，可以更好地預(yù)見調(diào)水引流后的水質(zhì)改善效果，為水質(zhì)預(yù)測、預(yù)防提供決策支持。

2.3 數(shù)學(xué)模型評價

從20世紀70年代開始，水環(huán)境數(shù)值模型得到了快速的發(fā)展。國內(nèi)外常用的水動力-水質(zhì)模型有EFDC、MIKE、Delft3D、WASP等，常見模型主要功能和適用水體及優(yōu)點見表1[27]。

表1 常見模型主要功能、適用水體、主要優(yōu)點

3 結(jié)論

國內(nèi)外近年來對調(diào)水引流提升水環(huán)境、數(shù)學(xué)模型模擬水質(zhì)改善效果等展開了廣泛而深入的研究，但在以下方面仍然有待進一步研究。

(1)目前水動力對河網(wǎng)水質(zhì)影響的定量關(guān)系仍不夠不明確，需要進一步建立水動力與水質(zhì)指標的定量關(guān)系，從而進一步提高水質(zhì)模擬精度，為精準化調(diào)度提供依據(jù)；

(2)目前國內(nèi)外已有的模型多為單一尺度，常用的MIKE、Delft3D、ICM等商用軟件不具備多級耦合模擬功能，需要對河網(wǎng)進行分級建模，雙向嵌套，依據(jù)用戶需求，自由選擇模擬尺度。