陳曉靜,李昆朋,李 萍,趙 振

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,江蘇 南京 210000)

在設(shè)施密集、管網(wǎng)水系復(fù)雜的城市建成區(qū),采用雨污分流、排水達(dá)標(biāo)等工程措施提升河道水質(zhì)往往存在較大的難度,建設(shè)周期長[1]。在這種情況下,根據(jù)一定地域內(nèi)各水體的環(huán)境容量特點,采用水系連通、引流補水的措施增強(qiáng)河道的水體流動特性,進(jìn)而提升水質(zhì)、改善水環(huán)境被實踐證明是經(jīng)濟(jì)合理、效果明顯的輔助措施之一[2]。2005年完成的南京市外秦淮河綜合整治項目的內(nèi)容之一,就是通過六閘(站)聯(lián)動為秦淮河干流和外秦淮河進(jìn)行引流補水,極大地改善了河道水質(zhì)和濱水環(huán)境。南京市政府又于2016年批復(fù)了《南京城區(qū)水系連通及引流補水方案(2016—2020年)》,作為全市水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升的指導(dǎo)性文件之一。

目前,針對河流水動力水質(zhì)模擬的研究已發(fā)展得較為成熟,童朝鋒等[3]通過建立外秦淮河一維河網(wǎng)水動力和水質(zhì)模型,為南京市外秦淮河環(huán)境整治調(diào)水調(diào)度運行提供參考依據(jù);殷洪等[4]通過模型模擬調(diào)水和抽水等調(diào)控措施的效果,分析不同的調(diào)控方案與水質(zhì)改善效果的響應(yīng)關(guān)系,為水環(huán)境優(yōu)化方案篩選提供決策支持;管儀慶等[5]利用MIKE11軟件,建立了河網(wǎng)一維水動力和水質(zhì)耦合模型,為平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境保護(hù)和水資源管理提供依據(jù);許興武等[6]為了探究不同水閘調(diào)度方案對秦淮河水質(zhì)改善的效果,進(jìn)行了洪水期、豐水期調(diào)度、枯水期調(diào)度和降雨初期雨水污染調(diào)度等典型時段調(diào)水試驗;陳昂[7]通過綜合分析國內(nèi)外環(huán)境流量研究成果,提出了強(qiáng)化環(huán)境流量分階段實施的非水文指標(biāo)耦合,加強(qiáng)適應(yīng)性管理方式下的環(huán)境流量評估和實踐,以保障適應(yīng)性管理框架下的生態(tài)完整性。

隨著南京市工業(yè)化和城市化步伐的加快,內(nèi)秦淮河的水環(huán)境質(zhì)量逐漸惡化[8]。南京市秦淮區(qū)北部片區(qū)是南京市區(qū)的核心城區(qū)之一,片區(qū)內(nèi)城市設(shè)施密布,人口密集,水系眾多,河道管網(wǎng)復(fù)雜,國家5A級旅游景區(qū)南京夫子廟地處其中[9]。片區(qū)內(nèi)的河道經(jīng)過多輪整治,水質(zhì)已有一定改善,但由于地下管網(wǎng)改造難以徹底,部分河道兩岸仍有污水下河,導(dǎo)致多條河道氨氮含量高于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn),尤以水網(wǎng)末端的內(nèi)秦淮河南段及中段最為嚴(yán)重。

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,擬在片區(qū)內(nèi)部新建凈水站引外秦淮河水向片區(qū)補水,以改善引流補水規(guī)模不足、片區(qū)河道水質(zhì)較差的現(xiàn)狀。如何在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上,更為科學(xué)地確定新建凈水站的建設(shè)規(guī)模和補水線路,是本文的研究重點。

圖2 現(xiàn)狀補水線路

1 現(xiàn)狀水系及引補水情況

秦淮區(qū)北部片區(qū)水系以內(nèi)秦淮河為軸線,由外秦淮河七里街段、外秦淮河副支和內(nèi)秦淮河?xùn)|段、中段、南段等多條河道組成;涉及的外圍河道(湖)包括外秦淮河、玄武湖、月牙湖、東西玉帶河,明御河和清溪河等(圖1和圖2)。

圖1 河道水網(wǎng)現(xiàn)狀

2 河網(wǎng)模型構(gòu)建

2.1 水動力模型

河網(wǎng)水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位、流量等水文要素信息,并模擬水庫調(diào)度、蓄滯洪區(qū)運用、潰口等對河道水文條件的影響[10]。

MIKE11的HD水動力計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程組,即采用一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)[11]:

(1)

(2)

式中:x、t分別為計算點空間和時間坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e;Q為過流流量;q為旁側(cè)入流流量;α為動量修正系數(shù);h為水位;R為水力半徑;g為重力加速度;n為糙率。

“這家醫(yī)院在服務(wù)細(xì)節(jié)方面做得非常好，深受我們?nèi)罕姾迷u?！币晃粊砣朐簻?zhǔn)備中心辦理業(yè)務(wù)的老大爺說道，“你看，不僅有免費的日常用品供患者使用，還有共享輪椅、公共手機(jī)充電設(shè)備呢”。

河道水動力模型基于河道測量斷面構(gòu)建,并對河道內(nèi)的各類設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化模擬,力求反映出河道的真實水力條件。

2.2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型是一種根據(jù)物質(zhì)守恒原理利用數(shù)學(xué)語言描述水體中水質(zhì)變量遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，目前已被廣泛應(yīng)用于評價來自各種點源和非點源污染物負(fù)荷的影響[12]。

本文水質(zhì)模型主要考慮污染因子的對流擴(kuò)散作用,采用MIKE11的AD模塊進(jìn)行建模模擬。AD模塊可以模擬保守物質(zhì)物理運動,也可以通過設(shè)定恒定的衰減常數(shù)模擬非保守物質(zhì)物理運動之外的化學(xué)變化過程[13]。對流擴(kuò)散方程(式(3))采用空間中心差分的隱式差分格式。

式中:ρ為物質(zhì)質(zhì)量濃度;D為縱向分散系數(shù);As為橫斷面面積;K為線性衰減系數(shù);ρ2為源/匯質(zhì)量濃度。

2.3 水質(zhì)目標(biāo)

內(nèi)秦淮河中段和南段位于片區(qū)水系下游,地處夫子廟景區(qū)的核心地段,現(xiàn)狀由于溶解氧不足,已達(dá)輕度黑臭級別。本文水質(zhì)模擬方案主要以內(nèi)秦淮河南段和中段末端水質(zhì)作為目標(biāo)參數(shù),要求ρ(NH3-N)≤2.0 mg/L,ρ(SS)≤15.0 mg/L,以在各補水工況下河流達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的時間作為方案評判的標(biāo)準(zhǔn);片區(qū)內(nèi)及周邊其他相關(guān)河道作為輸水通道,水質(zhì)指標(biāo)的改善作為參考目標(biāo)。

2.4 相關(guān)條件和參數(shù)

水動力學(xué)模型需要確定的邊界條件為上邊界點的流量和下邊界點的水位,初始條件主要為河道的初始水位[14]。建模主要考慮枯水期片區(qū)生態(tài)補水效果,因此河道初始水位和下邊界水位確定為河道常水位,即6.5 m,上邊界點的流量按前文補水流量確定。

區(qū)域污染以點源污染為主,主要來源于月牙湖、外秦淮河副支、內(nèi)秦淮河南段和中段沿線的合流生活污水。根據(jù)2017年調(diào)查結(jié)果,河道沿線共有排口65個;經(jīng)2018年治理后,按片區(qū)污染治理目標(biāo)污水收集率90%考慮,片區(qū)內(nèi)污水下河量為1.24萬t/d,NH3-N入河量為186 kg/d。

各河(湖)的初始水質(zhì)采用2017年8月的實測數(shù)據(jù),氨氮指標(biāo)見表1。

表1 研究區(qū)域各水體氨氮質(zhì)量濃度情況

片區(qū)現(xiàn)狀有4 個補水節(jié)點,分別從玄武湖和外秦淮河向片區(qū)補水。主要補水節(jié)點為武廟閘、太平門閘、象房村引水泵站和七橋甕引水泵站(月牙湖),總計補水流量為6.5 m3/s(表2)。本次模型計算中維持現(xiàn)狀補水工況。

表2 研究區(qū)域補水節(jié)點情況

3 補水方案

3.1 方案概述

根據(jù)《南京城區(qū)水系連通及引流補水方案(2016—2020年)》,擬在清水塘東側(cè)新建凈水站,抽引外秦淮河水經(jīng)凈化后補充至本片區(qū),提高水質(zhì)保障水平。處理工藝主要為自循環(huán)高密度懸浮污泥濾沉技術(shù)+板框式污泥脫水,主要用于去除來水中的SS。由于外秦淮河水質(zhì)不甚穩(wěn)定,從偏于安全的角度考慮,凈水站進(jìn)水中ρ(NH3-N)為1.0 mg/L(冬季1.39 mg/L),ρ(SS)為30 mg/L;出水中ρ(NH3-N)為1.0 mg/L(冬季1.39 mg/L),ρ(SS)為10 mg/L。

凈水站的補水規(guī)模有3個比選方案,分別為12萬t/d、18萬t/d、24萬t/d。凈水站的輸水線路有2個比選方案(圖3)。 方案1:凈水站出水管直接接至外秦淮河副支,在出水管開三通延伸至外秦淮河?xùn)|側(cè)高水高排涵,凈水通過外秦淮河副支流入內(nèi)秦淮河南段,兼顧月牙湖補水,全長約100 m。方案2:凈水站出水管沿長樂東路→龍蟠中路→紅旗橋→武定門城墻→白鷺洲公園,通過白鷺洲公園流入內(nèi)秦淮河南段,全長約1 450 m。

圖3 擬建凈水站位置和出水線路方案

3.2 凈水站補水規(guī)模比選

根據(jù)前文所述邊界條件、參數(shù)和凈水站補水規(guī)模比選方案,出水方案采用方案1,模擬時長為100 h,模型計算的水質(zhì)結(jié)果見圖4～6。

圖4 12萬t/d補水規(guī)模下ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

圖5 18萬t/d補水規(guī)模ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

圖6 24萬t/d補水規(guī)模ρ(NH3-N)和ρ(SS)變化

3.2.1補水規(guī)模1(12萬t/d)

根據(jù)模型模擬結(jié)果,在凈水站補水規(guī)模為12萬t/d的情況下,河道水質(zhì)91 h后趨于穩(wěn)定;此時,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.60 mg/L(冬季 1.75 mg/L),ρ(SS)為15.78 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.58 mg/L(冬季 1.73 mg/L),ρ(SS)為15.53 mg/L。

3.2.2補水規(guī)模2(18萬t/d)

根據(jù)模型模擬結(jié)果,在凈水站補水規(guī)模為18萬t/d的情況下,河道水質(zhì)62 h后趨于穩(wěn)定;此時,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.53 mg/L(冬季 1.71 mg/L),ρ(SS)為15.04 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.52 mg/L(冬季 1.70 mg/L),ρ(SS)為14.78 mg/L。

3.2.3補水規(guī)模3(24萬t/d)

根據(jù)模型模擬結(jié)果,在凈水站補水規(guī)模為24萬t/d的情況下,河道水質(zhì)56 h后趨于穩(wěn)定;此時,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.49 mg/L(冬季 1.68 mg/L),ρ(SS)為14.40 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.47 mg/L(冬季 1.67),ρ(SS)為14.14 mg/L。

從模型模擬結(jié)果對比可以看出,凈水站補水規(guī)模提升對ρ(NH3-N)變化影響不明顯,但對ρ(SS)變化影響較大。其中12萬t/d規(guī)模下水質(zhì)穩(wěn)定時間較長,18萬t/d與24萬t/d規(guī)模下水質(zhì)穩(wěn)定時間區(qū)別不大?？紤]到18萬t/d規(guī)模下,內(nèi)秦淮中段與南段末端水質(zhì)已基本達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求,從經(jīng)濟(jì)性和占地規(guī)模角度上,凈水站規(guī)模為18萬t/d較為適宜。

3.3 凈水站輸水線路比選

在凈水站規(guī)模18萬t/d的前提下,以夏季水質(zhì)為例,對輸水線路的方案比選結(jié)果如下。

3.3.1方案1

3.2節(jié)中已對凈水站18萬t/d規(guī)模下出水方案1進(jìn)行了水質(zhì)模擬,水質(zhì)模擬結(jié)果為河道水質(zhì)62 h后趨于穩(wěn)定;此時,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.53 mg/L,ρ(SS)為15.04 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.52 mg/L,ρ(SS)為14.78 mg/L。

3.3.2方案2

根據(jù)模型模擬結(jié)果,在凈水站補水規(guī)模為18萬t/d的情況下,若出水方案采取方案2,河道水質(zhì)66 h后趨于穩(wěn)定;此時,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)為1.11 mg/L,ρ(SS)為10.08 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)為1.75 mg/L,ρ(SS)為18.27 mg/L。

根據(jù)模型模擬結(jié)果,相比于方案1、方案2雖能大幅改善內(nèi)秦淮南段末端水質(zhì),但內(nèi)秦淮中段末端水質(zhì)改善效果也會受到相應(yīng)影響,其中中段末端ρ(SS)距水質(zhì)目標(biāo)相差較遠(yuǎn);同時方案2工程量明顯多于方案1,因此建議擬建凈水站出水方案選取方案1。

需要說明的是,輸水方案1能夠成立的前提之一是,白鷺洲公園目前已在研究從外秦淮河七里街段補水措施。

4 結(jié) 語

a. 根據(jù)模型模擬結(jié)果,新建凈水站在18萬t/d規(guī)模下,內(nèi)秦淮中段與南段末端水質(zhì)已基本達(dá)到ρ(NH3-N)≤2.0 mg/L,ρ(SS)≤15.0 mg/L的要求,河道水質(zhì)62 h后趨于穩(wěn)定,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)=1.53 mg/L,ρ(SS)=15.04 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)=1.52 mg/L,ρ(SS)=14.78 mg/L。從經(jīng)濟(jì)性和占地規(guī)模角度上,凈水站規(guī)模為18萬t/d較適宜。

b. 凈水站出水管接至外秦淮河副支相比于出水管接至白鷺洲公園,內(nèi)秦淮中段末端SS濃度可達(dá)標(biāo)。按18萬t/d規(guī)模模擬成果為河道水質(zhì)經(jīng)62 h后趨于穩(wěn)定,內(nèi)秦淮南段末端ρ(NH3-N)=1.53 mg/L,ρ(SS)=15.04 mg/L;內(nèi)秦淮中段末端ρ(NH3-N)=1.52 mg/L,ρ(SS)=14.78 mg/L,建議擬建凈水站出水接至外秦淮河副支。

c. 對于城市河道而言,引水補水作為提升河道水質(zhì)的手段之一,已被證明是經(jīng)濟(jì)有效的。在苛刻的建設(shè)條件下,如何合理的確定補水規(guī)模和補水線路是工程規(guī)劃設(shè)計中需要解決的關(guān)鍵問題。本文采用MIKE11的HD和AD模塊耦合建立一維水質(zhì)模型,通過模擬計算確定合理的擬建凈水站規(guī)模和輸水線路,一方面為實例工程的方案比選提供數(shù)據(jù)支撐,另一方面對類似工程也有一定的參考意義。