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        基于數(shù)值模擬的嘉興市區(qū)河道水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案

        2020-05-19 05:41:04張海軍馬永法彭衛(wèi)西陸珊珊楊金珠張海平
        凈水技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:河網(wǎng)市區(qū)嘉興

        張海軍,馬永法,葉 萍,彭衛(wèi)西,陸珊珊,楊金珠,張海平

        (1.嘉興市水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院,浙江嘉興 314001;2.嘉興市水利投資有限公司,浙江嘉興 314033;3.丹華水利環(huán)境技術(shù)〈上海〉有限公司,上海 200235;4.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

        杭嘉湖東部平原地區(qū)河網(wǎng)密布,交錯(cuò)縱橫,水力坡降較小,且河道具有航運(yùn)、輸水、景觀、防洪排澇、灌溉供水等多種功能,其中,河道的水生態(tài)功能在社會(huì)發(fā)展過程中承擔(dān)著重要作用。隨著區(qū)域人口增長(zhǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對(duì)水清岸綠的生態(tài)環(huán)境需求也與日俱增,然而,水環(huán)境承載負(fù)擔(dān)過重成為了常態(tài),水環(huán)境質(zhì)量差等問題也是尤為突出[1-4]。水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效舉措,是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)之一[5]。現(xiàn)有研究與實(shí)踐成果表明,在進(jìn)行源頭截污納管的同時(shí),利用水利工程設(shè)施實(shí)施引排水,在來水穩(wěn)定的情況下,能有效促進(jìn)水體有序流動(dòng),提高水體自凈能力,是改善河道水環(huán)境的有效手段之一。李雁鵬等[6]應(yīng)用MIKE 11模型研究蘇州橫涇街道南片的河道水生態(tài)修復(fù)方案,預(yù)測(cè)并量化了各組合修復(fù)方案對(duì)水環(huán)境的改善效果,為農(nóng)村河道生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支持。樊智等[7]應(yīng)用MIKE 21水動(dòng)力水質(zhì)模型,研究東太湖吳江應(yīng)急水源地的涵閘調(diào)度規(guī)則,綜合考慮水質(zhì)優(yōu)化、控藻和運(yùn)行成本,制定一套全年調(diào)度方案,為應(yīng)急水源地的調(diào)度管理提供支持。黃琳煜等[8]應(yīng)用MIKE 11對(duì)世博園區(qū)浦東片白蓮涇區(qū)域河道進(jìn)行水量水質(zhì)模擬,研究河網(wǎng)水利要素的時(shí)空變化過程,為制定調(diào)水方案及開發(fā)水資源環(huán)境管理決策支持系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。顧玨蓉等[9]應(yīng)用MIKE 11模型系統(tǒng)建立了以蘇州河及其支流為重點(diǎn)的全市感潮河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型,將上海市河網(wǎng)水系劃分為14個(gè)水利片,分片考慮區(qū)域降雨徑流對(duì)河網(wǎng)水量的影響。目前,嘉興市區(qū)換水調(diào)度主要是運(yùn)行城市防洪工程設(shè)施,利用外部水體對(duì)市區(qū)河道實(shí)施換水,但基本憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)度,缺乏科學(xué)性及系統(tǒng)性,且尚未形成長(zhǎng)效機(jī)制。本文圍繞嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)水量?jī)?yōu)化調(diào)控方案的編制,構(gòu)建一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,分析評(píng)估現(xiàn)有調(diào)水方案的效果,并進(jìn)行優(yōu)化完善,為嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)的進(jìn)一步改善提供科學(xué)支撐。

        1 研究區(qū)域概況

        嘉興市地處長(zhǎng)江三角洲太湖平原東緣,屬亞熱帶季風(fēng)區(qū),多年平均降雨量為1 193.5 mm,年平均蒸發(fā)量為863 mm,汛期4月—10月約占全年降水量的73%。嘉興市域河道縱橫,市區(qū)主干河道呈“三環(huán)、八放射”的形態(tài),新塍塘、蘇州塘、長(zhǎng)纖塘、平湖塘、嘉善塘、海鹽塘、長(zhǎng)水塘、杭州塘八大河道呈放射狀均勻分布,環(huán)城河、中環(huán)河、外環(huán)河呈環(huán)狀與城市八大水系相交。隨著市區(qū)截污納管、雨污分離措施的不斷完善,市區(qū)河道水環(huán)境質(zhì)量不斷趨好,基本穩(wěn)定在Ⅲ~V類水體。嘉興市區(qū)城市防洪工程大包圍西以東環(huán)河為界,南接南郊河,北、西與北郊河杭州塘相鄰,面積為103.72 km2,沿線堤防為52 km,共有5座排澇樞紐及46座節(jié)制閘(圖1)。2011年起,嘉興利用城市防洪工程設(shè)施實(shí)施定期河道換水,通過排澇機(jī)組調(diào)節(jié)內(nèi)河水位使嘉興市區(qū)河水形成一個(gè)固定流向,從而引入活水、排出滯留水與污水,并加快河水流速,以此來達(dá)到引流入內(nèi)帶走污水死水、改善水質(zhì)的目的。

        2 模型構(gòu)建

        基于嘉興市最新水文、水質(zhì)與河床地形資料,應(yīng)用DHI開發(fā)的MIKE 11軟件,構(gòu)建嘉興市區(qū)河道的一維河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合模型。

        圖1 嘉興市區(qū)城防工程布置圖Fig.1 Layout of Urban Flood Control Projects in Jiaxing City

        2.1 河網(wǎng)概化

        以嘉興市區(qū)城市防洪工程大包圍為邊界,概化河道總長(zhǎng)為177 259 m,256條河道,包括27條主干河道、82條次干河道、8條外江河道及主要湖泊;概化水面占實(shí)際水面90%以上,實(shí)測(cè)斷面745個(gè),并包括5座排澇樞紐及46座節(jié)制閘(圖2)。模型邊界采用實(shí)測(cè)水位和水質(zhì)數(shù)據(jù)。

        注:圓點(diǎn)為水工建筑物圖2 河網(wǎng)概化Fig.2 Modeling River Network

        2.2 水動(dòng)力模型

        MIKE 11 水動(dòng)力學(xué)模型(HD)基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程組,即一維非恒定流Saint-Venant方程組模擬河流或河口的水流狀態(tài)[8-10],如式(1)~式(2)。

        (1)

        (2)

        其中:A——過水?dāng)嗝婷娣e,m2;

        Q——流量,m3/s;

        q——旁側(cè)入流量,m3/(s·m);

        t——時(shí)間坐標(biāo),s;

        x——距離坐標(biāo),m;

        g——重力加速度,m/s2;

        h——水位,m;

        1.1 一般資料 采用方便抽樣的方法,抽取全院所有N2層級(jí)護(hù)理人員,排除特殊原因不能參加培訓(xùn)考核者共769名,工作時(shí)間2012~2015年,2012年197名、2013年150名、2014年189名、2015年233名。

        R——水力半徑,m;

        C——謝才系數(shù),m1/2/s。

        方程組利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位或流量,具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

        2.2.2 模型率定

        利用2017年和2018年嘉興杭站的水位進(jìn)行率定(圖3),河道水位模擬誤差平均值為3.4 cm,不超過5 cm,水位模擬效果比較準(zhǔn)確,變化趨勢(shì)一致,滿足本次水動(dòng)力模型的要求,能夠?yàn)橄乱徊降乃|(zhì)模型提供基礎(chǔ)。

        圖3 模擬與實(shí)測(cè)水位比較 (a)2017年;(b)2018年Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level (a)2017; (b) 2018

        2.3 水質(zhì)模型

        2.3.1 水質(zhì)模型構(gòu)建[6,11]

        基于MIKE 11 HD模塊產(chǎn)生的水動(dòng)力條件,應(yīng)用MIKE 11 AD對(duì)流擴(kuò)散模塊分析研究河道水質(zhì)因子在不同工況下的濃度擴(kuò)散情況,如式(3)。

        (3)

        其中:C——模擬的物質(zhì)濃度,mg/L;

        Ex——縱向擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

        K——衰減系數(shù),1/d;

        C2——源匯項(xiàng)濃度,mg/L;

        2.3.2 模型率定

        利用2017年1月—12月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定,率定指標(biāo)為CODMn、NH3-N、TP,率定的點(diǎn)位為嘉興市區(qū)范圍內(nèi)市中心水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面及市控及省控水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面,共26個(gè)。比較模擬值與實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn),以實(shí)測(cè)值的30%作為許可誤差,河道水質(zhì)濃度的模擬準(zhǔn)確率達(dá)到86.7%,較好反映了市區(qū)河道水質(zhì)變化特征。圖4為塘匯斷面的率定結(jié)果。

        圖4 塘匯斷面模擬與實(shí)測(cè)水質(zhì)濃度比較 (a)CODMn;(b)NH3-N;(c)TPFig.4 Comparison of Simulated and Measured Concentrations at Tanghui Station (a)CODMn;(b)NH3-N;(c)TP

        3 方案模擬與結(jié)果分析

        3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        采用地表水綜合污染指數(shù)(P)來表征水環(huán)境質(zhì)量,比較各調(diào)水方案的優(yōu)劣。以市區(qū)9個(gè)省市控?cái)嗝?石臼漾水廠、龍鳳大橋、塘匯、南湖中心、北運(yùn)橋、長(zhǎng)征橋、南門水廠、倪家匯、人中浜)的溶解氧、高錳酸鹽、BOD5、NH3-N、TP、CODCr指標(biāo)計(jì)算P值。

        (4)

        (5)

        其中:Ci——模擬水質(zhì)濃度,mg/L;

        Si——該水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L;

        Pi——相應(yīng)類別的標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L。

        3.2 模擬方案

        3.2.1 現(xiàn)狀調(diào)度方案

        目前,嘉興城防工程的常規(guī)水動(dòng)力調(diào)度方式為:(1)關(guān)閉大包圍城市防洪工程沿線各閘門,保留杭州塘閘門少量開度;(2)分別啟動(dòng)穆湖溪泵站、三店塘泵站、平湖塘泵站,使市區(qū)河道水流形成自西南向東北梯降流向;(3)西南片分別開啟孫家港閘、曹莊橋北閘、曹莊橋閘、來龍港閘、鐘家港南閘、鐘家港東閘、楊家浜閘、隆興港閘、馬塘涇閘、眾興橋閘、顧家橋閘、橫港閘、月河橋閘、長(zhǎng)水塘南閘,西北片分別開啟杭州塘閘、雁涇港閘、劉家浜閘。

        3.2.2 優(yōu)化調(diào)度方案

        優(yōu)化的調(diào)度方案需滿足如下原則:(1)具備長(zhǎng)效運(yùn)行的條件;(2)可操作性強(qiáng),適應(yīng)外部各種不同水情;(3)周期較短、市區(qū)連通河道水質(zhì)改善效益明顯;(4)考慮市區(qū)河道的通航情況;(5)河道流速不超過沖刷流速?;谏鲜鲈瓌t,參照現(xiàn)狀城防工程水動(dòng)力調(diào)度方案,設(shè)置多種調(diào)度情景,進(jìn)行多方案比選和模擬。

        4 結(jié)果與討論

        當(dāng)入境水質(zhì)優(yōu)于市區(qū)河道水質(zhì)時(shí),理論上調(diào)水流量越大,調(diào)水的效果就越好??紤]到嘉興城防工程現(xiàn)有泵站排水能力、能耗及河道沖刷流速,通過與當(dāng)?shù)厮块T溝通,確定各水利樞紐換水時(shí)以開啟4臺(tái)水泵較為造宜。從近幾年的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料分析,嘉興城區(qū)西南側(cè)的入境水質(zhì)總體上優(yōu)于東側(cè)的入境水質(zhì),因此,新的優(yōu)化調(diào)度方案擬從西南側(cè)引水(月河橋閘至長(zhǎng)水塘閘一帶)。另外,市區(qū)各區(qū)域河道水質(zhì)不一,因此,調(diào)水的路徑、流量及實(shí)施周期對(duì)整體換水效率和效果的影響極大。

        分析比較多方案模擬結(jié)果,最終得到如下優(yōu)化調(diào)度方案:(1)打開月河橋閘至馬塘涇閘閘門,長(zhǎng)水塘開啟30 cm,沿線其他閘門關(guān)閉,同時(shí),打開穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各2臺(tái)泵(單泵為12 m3/s),共48 m3/s;(2)運(yùn)行8 h后,穆湖溪樞紐和三店塘樞紐各關(guān)閉1臺(tái)水泵,同時(shí),打開平湖塘樞紐1臺(tái)水泵(單泵為12 m3/s);(3)持續(xù)運(yùn)行8 h后,關(guān)閉穆湖溪樞紐或同時(shí)關(guān)閉穆湖溪樞紐三店塘樞紐,打開茶士浜至倪家浜沿線水閘,以改善東南片區(qū)的次干河道水質(zhì)。通過對(duì)2015年—2019年連續(xù)5年的模擬,分析市區(qū)9個(gè)省市控?cái)嗝嬖跓o調(diào)度、現(xiàn)狀調(diào)度方案與優(yōu)化調(diào)度方案條件下的地表水綜合污染指數(shù)P,如表1所示。由表1可知,現(xiàn)狀調(diào)度方案的水質(zhì)改善效果在0.60%~10.1%,平均為3.8%;優(yōu)化調(diào)度方案在現(xiàn)狀調(diào)度方案基礎(chǔ)上可進(jìn)一步改善市區(qū)河道水質(zhì),改善效果在1.60%~11.4%,均值為6.3%,與無調(diào)度方案相比,水質(zhì)改善效果平均達(dá)到9.8%,效果顯著。

        表1 不同模擬工況的水質(zhì)改善效果(P值)Tab.1 Effect of Water Quality Improvement in Various Simulation Scenarios (P Values)

        5 結(jié)論

        (1)應(yīng)用MIKE 11模型構(gòu)建了精細(xì)的嘉興市區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)水量耦合模型,模擬水位誤差平均為3.4 cm;以實(shí)測(cè)值的30%作為許可誤差,河道水質(zhì)濃度的模擬準(zhǔn)確率達(dá)到86.7%,模型精度較高,可為市區(qū)水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案研究提供支撐。

        (2)通過對(duì)2015年—2019年的模擬分析,現(xiàn)狀調(diào)度方案的水質(zhì)改善效果在0.60%~10.1%,平均為3.8%。

        (3)提出了優(yōu)化調(diào)度原則與實(shí)施方案,該方案在現(xiàn)狀調(diào)度方案基礎(chǔ)上可進(jìn)一步改善市區(qū)河道水質(zhì),改善效果在1.60%~11.4%,均值為6.3%,與無調(diào)度方案相比,水質(zhì)改善效果平均達(dá)到9.8%,效果顯著。

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