方浩川，許仁義，錢(qián)睿智，汪凌翔

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.江蘇水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 概 述

江蘇省揚(yáng)州市通南地區(qū)位于長(zhǎng)江下游沿江地區(qū)，地勢(shì)平緩，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，年平均降水量為1 031 mm，但水文條件十分復(fù)雜，地表徑流在空間和時(shí)間上分配很不均衡，具體表現(xiàn)為南部徑流多于北部，豐水期降水值在年降水量中占了很大比重，而且由于許多河流河床都比較窄，城區(qū)實(shí)際往外(長(zhǎng)江及周邊河流)排水口較少，水流常常被堵在城區(qū)，排水效果不是很完善，導(dǎo)致在汛期常?？赡馨l(fā)生洪澇災(zāi)害。在水質(zhì)問(wèn)題上，由于近些年揚(yáng)州城市發(fā)展較為迅速，且在水污染整治問(wèn)題上有所欠缺，導(dǎo)致水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。本文基于一維非恒定水流流動(dòng)基本方程組及一維污染物對(duì)流-擴(kuò)散方程，建立了揚(yáng)州通南地區(qū)城市河網(wǎng)一維水量水質(zhì)模型[2]，模型采用隱格式[3]進(jìn)行數(shù)值求解，從而模擬出水流過(guò)程及污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程，為以后改善該地區(qū)的水質(zhì)以及水生態(tài)打下了基礎(chǔ)。

2 水量水質(zhì)模型

2.1 水量模型

水流在平底、棱柱形明渠中一維非恒定流動(dòng)的基本方程組—圣維南方程組[2]：

(1)

(2)

式中：A為過(guò)水面積，m2；Q為斷面流量，m3/s；Z為水位，m；α為動(dòng)量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；qL為旁側(cè)入流，m2/s，入流為正，出流為負(fù)；vx為入流沿水流方向的速度，m/s。

2.2 水質(zhì)模型

河網(wǎng)對(duì)流污染物輸移問(wèn)題的基本方程[4]為

(3)

式中：Ex為縱向分散系數(shù)；C為水流輸送的物質(zhì)濃度；Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)，Sc=KdAC，Kd為衰減因子；S為外部的源或匯項(xiàng)。

3 模型建立與驗(yàn)證

3.1 河網(wǎng)概化

本實(shí)驗(yàn)是對(duì)江蘇揚(yáng)州邵伯湖供水區(qū)通南地區(qū)所屬河流進(jìn)行河網(wǎng)水動(dòng)力及水質(zhì)數(shù)值模擬，其具體包括邵仙引河、老通揚(yáng)運(yùn)河、小涵河、顧圩河、白塔河、灰糞港、向陽(yáng)河、紅旗河八大主要河流，以及邵仙閘洞、宜陵地涵、通江閘、河口閘四大主要水利工程建筑物。根據(jù)通南地區(qū)各河流河床斷面數(shù)據(jù)及過(guò)水情況分析，為符合工程計(jì)算要求，概化出揚(yáng)州市通南地區(qū)河網(wǎng)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 揚(yáng)州通南地區(qū)河網(wǎng)概化圖

3.2 斷面概化

數(shù)模過(guò)程根據(jù)實(shí)測(cè)斷面資料，選用等腰梯形斷面布置。

3.3 邊界條件

根據(jù)2016年5月30—31日揚(yáng)州市通南地區(qū)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，以及流域內(nèi)各水工建筑物工作情況，得出該段時(shí)間內(nèi)除通江閘為關(guān)閉外，其余閘門(mén)都正常過(guò)流。水流從邵仙閘洞入流，途徑老通揚(yáng)運(yùn)河，連小涵河與顧圩河，經(jīng)宜陵地涵與白塔河相通，最后經(jīng)小涵河、顧圩河及河口閘向外排出。結(jié)合河網(wǎng)邊界條件給定條件，設(shè)定邵仙引河上游為流量進(jìn)口邊界，顧圩河、小涵河、河口閘給定水位出口邊界。

3.4 時(shí)間、空間步長(zhǎng)

由于天然河道河床高程沿著縱向不斷變化，所以在構(gòu)建數(shù)值模型時(shí)在空間步長(zhǎng)的選擇上需要貼合真實(shí)地形的需求。理論上而言，模型計(jì)算的時(shí)間、空間步長(zhǎng)越小，計(jì)算結(jié)果的誤差就會(huì)越小，但相對(duì)的產(chǎn)生的計(jì)算量就會(huì)變大，若時(shí)間和空間步長(zhǎng)過(guò)大，容易產(chǎn)生過(guò)大的數(shù)值坦化，無(wú)法精確反映真實(shí)情況，因此權(quán)衡效率及誤差是步長(zhǎng)選擇的根本。因此根據(jù)河網(wǎng)各河道斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用空間步長(zhǎng)為800～1 500 m，時(shí)間步長(zhǎng)則為200 s。

3.5 初始條件

模型的初始條件包括流量、水位及水質(zhì)情況，設(shè)定初始條件的意義就是為了能更貼近真實(shí)河流水流情況，使模型開(kāi)始計(jì)算時(shí)水流流速、水位及污染物濃度情況能與實(shí)際情況一致，使計(jì)算結(jié)果精確度更高，本次模擬水流上下游邊界條件均采用31日10 h實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)部水流情況為給定流速為零，水位統(tǒng)一為3.6 m，各污染物濃度給定其一個(gè)均值情況，并以在該邊界條件下模型正常運(yùn)行4 d之后，待其流速、水位情況基本達(dá)到穩(wěn)定之后各河段水動(dòng)力及水質(zhì)情況為后續(xù)模型計(jì)算的初始條件[5]。

3.6 模型率定及驗(yàn)證

3.6.1 參數(shù)率定

本次模型選用2016年5月30—31日通南地區(qū)水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，通過(guò)反復(fù)調(diào)整河床糙率數(shù)值以達(dá)到水位及流量計(jì)算值能與實(shí)測(cè)值盡量吻合，并根據(jù)查閱揚(yáng)州市水質(zhì)情況資料，在模型中加入點(diǎn)污染源，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模型水質(zhì)計(jì)算值更加貼合實(shí)測(cè)值。通過(guò)調(diào)整，得到各河流參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)率定結(jié)果

3.6.2 計(jì)算結(jié)果

并根據(jù)2016年10月24—25日的實(shí)測(cè)值進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下：表2～3為河網(wǎng)內(nèi)部各測(cè)量點(diǎn)水位及流量驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果；表4～7為河網(wǎng)內(nèi)部各測(cè)量點(diǎn)TN、TP、NH3-N及CODMn質(zhì)量濃度驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果。

表2 模型水位模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:m

表3 模型流量模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:m3/s

表4 模型TN質(zhì)量濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:mg/L

表5 模型TP質(zhì)量濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:mg/L

表6 模型NH3-N質(zhì)量濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:mg/L

表7 模型CODMn質(zhì)量濃度模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比 單位:mg/L

圖3 宜陵處TN質(zhì)量濃度計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

通過(guò)觀察表2～7或圖 2～3可以發(fā)現(xiàn)，水位與流量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值曲線(xiàn)都較為接近，具體有所偏差原因可能是由于地下水及周邊細(xì)小支流影響，但計(jì)算結(jié)果還是保證了在誤差允許的范圍內(nèi)。在污染物濃度表現(xiàn)上，由于揚(yáng)州水系支流十分發(fā)達(dá)，大部分工廠(chǎng)，房屋都是建在河流旁邊，所以每天不同時(shí)刻都會(huì)有不定量的工業(yè)污水、生活污水排入河中，而這一部分的排入點(diǎn)污染濃度是無(wú)法精確到每一個(gè)時(shí)刻的，只能取一個(gè)近似的平均值，所以在計(jì)算結(jié)果上，相較于實(shí)測(cè)值的某時(shí)刻的突然變化，污染物濃度曲線(xiàn)所表現(xiàn)的就比較平緩，但也保證了計(jì)算值并沒(méi)有超過(guò)實(shí)測(cè)值的2倍和1/2間的范圍，且變化趨勢(shì)也較為統(tǒng)一。模型率定結(jié)果表明，模型參數(shù)選取合理，所建立的模型能夠模擬東區(qū)河道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)情況及水質(zhì)變化，為改善東區(qū)水動(dòng)力條件及水環(huán)境改善提供了技術(shù)支撐。

圖2 宜陵處流量、水位計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)揚(yáng)州市通南地區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力及水環(huán)境經(jīng)行數(shù)值模擬，建立了通南地區(qū)水動(dòng)力-水環(huán)境河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行了率定，并經(jīng)水文站實(shí)測(cè)值與計(jì)算值驗(yàn)證對(duì)比情況可知，本模型無(wú)論在水位、流量及水質(zhì)計(jì)算上都與實(shí)測(cè)值貼合程度都較好，計(jì)算結(jié)果有較好的精確度。因此，該模型能夠用于分析在不同水資源調(diào)度情況下?lián)P州內(nèi)部河網(wǎng)水動(dòng)力條件的情況和水質(zhì)情況。且根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，邵伯湖供水去揚(yáng)州通南地區(qū)河網(wǎng)水流從邵仙河引入后，絕大部分都從小涵河及顧圩河流出，其河網(wǎng)中部及南部地區(qū)水流流速都較慢，而且由于河流斷面都較為狹窄，所以在該閘門(mén)控制現(xiàn)狀下，如遇到大規(guī)模降雨會(huì)有洪澇災(zāi)害的可能。