潘志富, 王小青, 孫 陽
(連云港市市區(qū)水工程管理處, 江蘇 連云港 222003)
城市水環(huán)境是城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要保障。如何改善城市水環(huán)境、如何應(yīng)用新一代信息技術(shù)實現(xiàn)城市河道的長效久治和智慧化管理,是自然科學(xué)領(lǐng)域的熱點問題和前沿問題,也是城市發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。
本文以連云港市為例,通過摸底調(diào)查,梳理連云港市區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境現(xiàn)狀,識別主要污染源和水環(huán)境脅迫因素,系統(tǒng)構(gòu)建一維水動力-水質(zhì)耦合模型,綜合模擬和預(yù)測不同情景、不同調(diào)控方案下的污染物輸移擴散過程,提出面向水環(huán)境改善的河網(wǎng)多閘聯(lián)動調(diào)控方案,探索長效久治的智慧化河道管理模式。為城市河網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)度、智慧管理、科學(xué)決策和快速響應(yīng)奠定堅實基礎(chǔ),為連云港市實現(xiàn)“高質(zhì)發(fā)展、后發(fā)先至”提供水環(huán)境保障和技術(shù)支持。
連云港市地處江蘇省北端,位于北緯33°58′55″~35°08′30″,東經(jīng)118°24′03″~119°54′51″之間。連云港市水系基本屬于淮河流域沂沭泗水系,位于淮河流域沂沭泗水系的最下游,沂沭地區(qū)的主要排洪河道新沂河、新沭河等均從市內(nèi)入海,處在江蘇省供水網(wǎng)絡(luò)的末梢,既是水資源較為緊缺的地區(qū),又是著名的洪水走廊[1]。研究區(qū)域涉及玉帶河、大浦河、龍尾河、東鹽河和排淡河5條河流,電廠閘、玉帶河閘等9座閘門,2處省考斷面及3處國考斷面。本文以連云港市區(qū)4條典型調(diào)水路線為研究目標(biāo),進行河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控研究。
2016年至今,連云港市相繼實施了“清水進城”工程建設(shè)項目、黑臭水體整治項目,開展了生態(tài)調(diào)水工作。目前,市區(qū)河道已初步實現(xiàn)了從“清水進城”到“碧水繞城”的蛻變,連云港市區(qū)水環(huán)境問題得到了有效改善,但市區(qū)河道仍存在突發(fā)污染的風(fēng)險。相關(guān)資料顯示,連云港市區(qū)河道主要污染物為氨氮,主要污染源為生活污水,2017—2018年國考斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,個別月份氨氮濃度超出Ⅳ類,甚至Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),水環(huán)境容量為負(fù)[1-2]。本文以氨氮做為連云港市區(qū)水環(huán)境脅迫因素,構(gòu)建連云港市區(qū)河道一維水動力-水質(zhì)耦合模型,模擬不同情景下連云港市區(qū)河道內(nèi)氨氮的輸移擴散規(guī)律,為連云港市實現(xiàn)“高質(zhì)發(fā)展、后發(fā)先至”提供水環(huán)境保障和技術(shù)支持。
2.1.1 一維水動力模型控制方程
采用一維圣維南方程描述河流水動力特征,由反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)性方程和反映動量守恒定律的動量方程共同刻畫。根據(jù)流域上下游拓?fù)潢P(guān)系,將模型計算區(qū)域分成不同單元和節(jié)點進行分區(qū)計算,控制方程如下:
(1)
(2)
式中:Q為流量;A河道過水?dāng)嗝婷娣e;z為水位;u為流速;g為重力加速度;Cn為河段的謝才系數(shù);R水力半徑;n為河床糙率系數(shù);q為區(qū)間入流。
2.1.2 一維水質(zhì)模型控制方程
描述河流水系污染物輸移運動和濃度變化規(guī)律的控制方程為對流擴散方程,其方程形式如下:
(3)
(4)
(5)
式中:D為彌散系數(shù);C為河段中某種污染物的濃度;t為時間;x為河水流動的距離;u為河段水流的平均流速;S為污染源匯項。
河流的彌散系數(shù)是分子擴散系數(shù)、紊動擴散系數(shù)與縱向離散系數(shù)之和,但縱向離散系數(shù)一般要比分子擴散系數(shù)、紊動擴散系數(shù)大得多,當(dāng)河流的彌散系數(shù)很小時,一般可以忽略,即D=0,入式(4)。對于均勻河段,流量和排污穩(wěn)定時,各斷面的污染濃度不隨時間變化,如式(5)。
對研究區(qū)域河網(wǎng)進行概化,玉帶河4.2 km、大浦河10.2 km、龍尾河5.1 km、東鹽河27.2 km和排淡河17.1 km河道斷面根據(jù)設(shè)計資料確定;研究區(qū)域內(nèi)涉及的閘門、泵站按照模型中可控建筑物進行概化,其中玉帶河閘與玉龍泵站為分流節(jié)點,大浦閘、新城閘和大板跳閘為水位控制節(jié)點。
邊界:模型上游邊界以流量做為控制條件,位于電廠閘處;模型下游邊界以水位進行控制,由于缺乏基礎(chǔ)資料,水位根據(jù)明渠均勻流公式進行推求,位于大浦閘、新城閘和大板跳閘處。
糙率:根據(jù)經(jīng)驗,治理后混凝土河道糙率取0.02[3]。
分流比:玉帶河閘處分流比為1∶2,上游來水的1/3流向大浦河,2/3流向東鹽河;玉龍泵站處分流比為1∶2,上游來水的1/3流向龍尾河,同時滿足龍尾河過流量不大于8 m3/s。
氨氮目標(biāo)質(zhì)量濃度:以研究區(qū)域考核斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為目標(biāo),氨氮質(zhì)量濃度設(shè)定為2.0 mg/L(Ⅴ類水)。
本文連云港市區(qū)河道水質(zhì)指標(biāo)中最容易超標(biāo)的氨氮為例進行模擬,由于調(diào)水路線較短,氨氮在河道中的降解有限,因此在模擬過程中不考慮其降解。構(gòu)建的一維水動力-水質(zhì)耦合模型中氨氮的運動包括輸移和擴散兩種,其中擴散主要發(fā)生在兩個不同濃度水體的交界面,從濃度低向濃度高方向擴散,擴散速度有限,同時本次模擬涉及的距離較短,在模擬過程中氨氮的擴散作用相較輸移作用基本可以忽略不計[3-5]。
在此基礎(chǔ)上,本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果及相關(guān)資料,設(shè)計了4個電廠閘引水流量梯度,分別為10 m3/s、20 m3/s、30 m3/s和40 m3/s,引水水體的水質(zhì)按V類設(shè)定,氨氮質(zhì)量濃度為2.0 mg/L;河段內(nèi)氨氮質(zhì)量濃度設(shè)計3個梯度,分別在Ⅴ類水的基礎(chǔ)上,分布按照超標(biāo)10%、30%和50%設(shè)定,共組合設(shè)計12種典型情景如表1所示。
表1 典型情景組合
(續(xù)表1)
將4條調(diào)水路線與12種典型情景進行組合,形成48種調(diào)水方案進行模擬,對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析,模擬結(jié)果如表2所示,發(fā)現(xiàn)48種調(diào)水方案整體上存在相同趨勢。以調(diào)水路線1猴嘴閘上游500 m處省控斷面為例,在相同的流量下,隨著河段內(nèi)氨氮初始濃度的增加,同一考核斷面氨氮濃度達標(biāo)的時間基本一致(圖1);在氨氮濃度相同下,隨著引水流量的增加,同一考核斷面水質(zhì)達標(biāo)的時間有所減少,但減少的幅度隨著流量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(圖2)。
表2 典型情景模擬結(jié)果分析
(續(xù)表2)
圖1 調(diào)水路線1同流量下猴嘴閘上游500 m省控斷面模擬結(jié)果
圖2 調(diào)水路線1同質(zhì)量濃度下猴嘴閘上游500 m省控斷面模擬結(jié)果
對48種調(diào)水方案模擬結(jié)果進行統(tǒng)計,分析各考核斷面水質(zhì)達標(biāo)時間、氨氮質(zhì)量濃度和電廠閘引水流量關(guān)系。結(jié)果顯示,以水質(zhì)達標(biāo)所需的水量最少為考量時,推薦在連云港市區(qū)河道省控或者國控斷面水質(zhì)超標(biāo)時選擇情景1進行調(diào)水,此情景下電廠閘引水流量為10 m3/s,調(diào)水路線需根據(jù)考核斷面位置選擇;綜合考量水質(zhì)達標(biāo)所需時間和水量時,推薦在連云港市區(qū)河道省控或者國控斷面水質(zhì)超標(biāo)時選擇情景8進行調(diào)水,此情景下電廠閘引水流量為30 m3/s,調(diào)水路線需根據(jù)考核斷面位置選擇。
圖3以猴嘴閘上游500 m處省控斷面為例,展示了不同調(diào)水路線下,實現(xiàn)水質(zhì)達標(biāo)所需的時間,結(jié)果顯示,調(diào)水路線1、2水質(zhì)達標(biāo)所需的時間基本相同,調(diào)水路線4在引水流量較低時,水質(zhì)達標(biāo)所需時間較其余兩條調(diào)水路線長,引水流量較高時,水質(zhì)達標(biāo)所需的時間和其余兩條調(diào)水路線接近。因此,在實際調(diào)水過程中,可根據(jù)此規(guī)律合理選擇調(diào)水路線。
圖3 猴嘴閘上游500 m省控斷面水質(zhì)達標(biāo)時間
本文以連云港市為例,通過調(diào)查分析識別其主要污染源和水環(huán)境脅迫因素,構(gòu)建了一維水動力-水質(zhì)耦合模型,模擬了48種河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控典型情景下,市區(qū)主要污染物氨氮在河道中輸移擴散規(guī)律,提出了面向水環(huán)境改善的連云港市區(qū)河網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控建議,主要結(jié)論如下:
相同引水流量下,隨河段內(nèi)氨氮初始質(zhì)量濃度的增加,同一考核斷面氨氮質(zhì)量濃度達標(biāo)的時間基本一致;
相同氨氮初始質(zhì)量濃度下,隨著引水流量的增加,同一考核斷面水質(zhì)達標(biāo)的時間有所減少,但減少的幅度隨著流量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢;
基于氨氮在河道中輸移擴散規(guī)律,建議連云港市在水質(zhì)調(diào)控過程中,以水質(zhì)達標(biāo)所需的水量最少為考量時,推薦選擇10 m3/s的小流量方案調(diào)水;綜合考量水質(zhì)達標(biāo)所需時間和水量時,推薦選擇30 m3/s的中等流量方案調(diào)水,調(diào)水路線均需根據(jù)考核斷面位置選擇。