孫 超,韓偉剛,農(nóng)曉英,王 慧,王文玉,高澤海

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001;2.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化建設(shè)的不斷加快,水體污染和水資源短缺問題愈發(fā)突出,已成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和人民生活水平提高的重要因素。城市景觀水體作為現(xiàn)代城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施之一,起著防洪調(diào)蓄、維持區(qū)域生物多樣性、氣候微調(diào)和景觀文娛等功能,是城市經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境平衡發(fā)展的重要標(biāo)志[1-2]。因此,探索城市河流治理方法、保障城市河流水環(huán)境是城市水系高效管理重要研究方向之一。

西安市護(hù)城河作為一條人工開挖典型的城市河流,是古代城垣建筑體系的一個(gè)重要組成部分。在西安市城市化建設(shè)過程中,護(hù)城河受到過不同程度的污染,影響到了城市生態(tài)環(huán)境和居民健康,同時(shí)也制約了城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展[3]。西安市護(hù)城河極小的坡降和河道閘壩工程使河流流速極低,死水區(qū)與緩流區(qū)頻繁出現(xiàn),水體置換時(shí)間較長(zhǎng),污染物遷移擴(kuò)散緩慢,水體復(fù)氧能力降低,水體自凈能力減弱,造成水質(zhì)惡化、水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題[4]。由于中國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)水資源短缺、時(shí)空差異顯著,能夠用于提升護(hù)城河水體的水資源極為有限,制約著西安市護(hù)城河的水環(huán)境發(fā)展[5]。

針對(duì)西安市護(hù)城河水環(huán)境存在的問題,利用有限的水資源提升水動(dòng)力,是改善護(hù)城河水質(zhì)的有效途徑之一[6-7]。水環(huán)境模型是分析水環(huán)境問題的有效技術(shù)手段,其中MIKE軟件和SWAT(Soil &Water Assessment Tool)是模擬河流水質(zhì)的代表性軟件[8-9]。目前的研究主要集中在水質(zhì)指標(biāo)空間分布和典型控制斷面的指標(biāo)變化特征方面[10]。水動(dòng)力模型是通過數(shù)值模型模擬分析復(fù)雜流場(chǎng)的演進(jìn)過程,針對(duì)不同的需求對(duì)研究區(qū)進(jìn)行不同維度的模擬,其中MIKE21與Flow-3D軟件,被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者用于模擬水流在復(fù)雜邊界或?qū)嶋H地形上的流動(dòng)過程[11-12]。鑒于MIKE既能模擬水動(dòng)力又能模擬水質(zhì),可用于構(gòu)建水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,且模擬結(jié)果可視化效果清晰,被廣泛用于上游調(diào)水對(duì)下游庫(kù)區(qū)水質(zhì)影響、水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度水質(zhì)狀態(tài)問題,分析污染物運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律、水環(huán)境容量計(jì)算、水質(zhì)改善方案優(yōu)化和水生態(tài)修復(fù)方案優(yōu)選等方面[13-16],特別是在中小型城市河湖低流速小流量補(bǔ)水模擬方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)[17-20]。

本研究以西安市護(hù)城河為研究區(qū),利用MIKE21構(gòu)建西安市護(hù)城河水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,并通過護(hù)城河現(xiàn)狀水質(zhì)、水動(dòng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)基于潰壩理論的“緩蓄快放”系統(tǒng),即在河道某斷面處修建閘門,通過閘門將上游小流量緩慢輸入的來水積蓄起來,達(dá)到一定水量和水頭時(shí)全開閘門,快速泄放,增大水流流速,置換緩流水體,沖刷底泥、污染物,達(dá)到保持水質(zhì)的效果。通過緩慢蓄水快速泄流的方式解決水資源短缺條件下的水動(dòng)力提升能力。利用所構(gòu)建的水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,研究護(hù)城河不同來水水質(zhì)和不同蓄水高度條件下“緩蓄快放”系統(tǒng)對(duì)水體流速、水質(zhì)濃度分布及水體交換特性的影響,以期為水資源短缺地區(qū)的城市景觀水體水質(zhì)改善提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安市(107.4°～109.49°E,33.42°～34.45°N)是中國(guó)西北地區(qū)最大的城市,坐落于秦嶺以南的關(guān)中平原上,屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。西安市夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年平均降雨量522.4～719.5 mm。西安市護(hù)城河全長(zhǎng)14.7 km,總庫(kù)容127萬(wàn)m3[21]。西安市護(hù)城河補(bǔ)水水源分別來自大峪水庫(kù)和北石橋再生水廠。西安護(hù)城河以東南城角作為分水嶺分為東北線與南西線,河水分別途經(jīng)東北線與南西線自西北角退水系統(tǒng)進(jìn)入漢城湖截流涵,再經(jīng)過漕運(yùn)明渠流入渭河(圖1)。

圖1 西安市護(hù)城河地理信息

西安護(hù)城是古城堡防御體系的一個(gè)重要組成部分,為了保持其高墻深壕的歷史原貌,護(hù)城河全線綜合改造規(guī)劃建設(shè)8座攔河壩以壅高水位,護(hù)城河改造段各庫(kù)區(qū)上下游最大河道高程差僅為1.65 m,最大比降低于0.06‰。西安市護(hù)城河全線綜合改造建設(shè)的攔河壩在壅高水位的同時(shí),造成水體斷面面積較大,致使現(xiàn)狀供水條件難以維持護(hù)城河水體的自然流態(tài),形成緩流區(qū)和死水區(qū)。較差的水動(dòng)力狀況致使水體置換時(shí)間較長(zhǎng)、污染物的遷移擴(kuò)散緩慢,將加劇水質(zhì)的惡化。

2 水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型構(gòu)建

2.1 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型方程

Mike21FM水動(dòng)力模型是基于不可壓縮的沿水深積分的流體雷諾平均Navier-Stokes方程,該模型包括連續(xù)性、動(dòng)量和密度方程,且服從布辛涅斯克(Boussinesq)和靜水壓力假設(shè)[22-23]。平面二維水流連續(xù)方程見式(1):

(1)

平面二維水流的動(dòng)量方程見式(2)、(3):

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型方程

MIKE21對(duì)流擴(kuò)散模型假定污染物垂向混合均勻,污染物的濃度只在水平面上發(fā)生變化[24]。因此污染物的輸移擴(kuò)散可采用如下二維對(duì)流擴(kuò)散方程。

(7)

S=Qs(Cs-C)

(8)

式中Dx、Dy——x、y方向的擴(kuò)散系數(shù);C——污染物濃度;F——線性衰減系數(shù);h——水深;u、v——x、y方向上的流速;Qs——源匯項(xiàng)流量;Cs——源匯項(xiàng)污染物質(zhì)的濃度。

水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型的數(shù)值求解采用基于單元中心的有限體積法對(duì)二維淺水控制方程進(jìn)行空間離散求解[25]。該方法將空間劃分為不重復(fù)的控制單元,能夠保證水動(dòng)力模型中水量和動(dòng)量守恒,模型在時(shí)間上的離散方法為顯性歐拉法。

2.3 西安市護(hù)城河水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型

2.3.1網(wǎng)絡(luò)剖分

西安市護(hù)城河南西線,從護(hù)城河?xùn)|南角至西北角共建有4座堤壩,各堤壩的距離及主要參數(shù)見表1。本研究設(shè)計(jì)“緩蓄快放”系統(tǒng),模擬在4座堤壩上修建不同高度的閘門,以增加水頭,并通過快速泄放提升水動(dòng)力,置換緩流水體,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提升。構(gòu)建水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型時(shí),假定每一段壩的壩前常水位與該段壩頂高程齊平,各段水質(zhì)以該段采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)平均值表征。

表1 護(hù)城河南西線堤壩參數(shù) 單位:m

根據(jù)收集到的護(hù)城河地形數(shù)據(jù)圖,利用MIKE前處理工具網(wǎng)格生成器,將長(zhǎng)約為7 300 m的護(hù)城河南西線劃分為2 735個(gè)三角形網(wǎng)格,包含2 268個(gè)節(jié)點(diǎn),導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)文件,并基于剖分后的網(wǎng)格進(jìn)行插值,得到研究區(qū)的地形見圖2,局部網(wǎng)格剖分示意見圖3。

圖2 研究區(qū)域地形高程

圖3 局部網(wǎng)格的剖分示意

2.3.2模型邊界設(shè)置

將位于東南城角的補(bǔ)水點(diǎn)的流量定義為上邊界,位于護(hù)城河西北角的退水口定義為下邊界。水位邊界為邊界條件,其余岸線則定義為陸地邊界。研究不考慮降雨、蒸發(fā)及風(fēng)場(chǎng)的作用,在水動(dòng)力模型的構(gòu)建中主要涉及干濕水深、渦黏系數(shù)、床底糙率、源匯項(xiàng)以及水工建筑物等因素。

3 模型參數(shù)校準(zhǔn)

3.1 模擬周期與初始條件

模擬時(shí)間從2021年3月20日至9月30日,總時(shí)間步數(shù)為194 d,主時(shí)間步長(zhǎng)為60 s。本文所建水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,模擬初始水位與流速設(shè)置為護(hù)城河現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)點(diǎn)多次監(jiān)測(cè)的水位與流速數(shù)據(jù)平均值。水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模擬的初始條件為研究區(qū)的初始污染物濃度分布情況,首次運(yùn)行模型時(shí)選取歷次取樣點(diǎn)各污染物指標(biāo)的平均值作為模型的初始條件。初始值為2021年3月20日實(shí)測(cè)結(jié)果平均值。為了降低模擬結(jié)果對(duì)初始條件的依賴,提高模擬結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性,本次模擬采用之前模擬結(jié)果為初始條件的熱啟動(dòng)方法。

3.2 參數(shù)設(shè)置

對(duì)于干濕判別技術(shù)的設(shè)計(jì)采用模型的預(yù)設(shè)值,即干水深為0.005 m,淹沒水深為0.05 m,濕水深為0.1 m[26-27]。模擬設(shè)定Smagorinsky系數(shù)為0.28,曼寧系數(shù)為0.022 5[28-29]。

模擬選取總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數(shù)作為對(duì)流擴(kuò)散模擬的污染物指標(biāo)[30-31]。MIKE21對(duì)流擴(kuò)散模塊中,研究區(qū)擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)的率定結(jié)果表明,擴(kuò)散系數(shù)的取值在某一范圍內(nèi)時(shí),率定精度基本相同,超過這一范圍,模擬值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差顯著增加。降解系數(shù)對(duì)率定結(jié)果較為敏感,降解系數(shù)的微小變動(dòng)都會(huì)造成模擬值的波動(dòng)。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)及對(duì)模型多次率定的基礎(chǔ)上,最終確定各污染物的擴(kuò)散系數(shù)為0.05 m2/s,總氮、總磷、氨氮、高錳酸鉀的降解系數(shù)分別為0.02、0.04、0.01、0.05/d。

3.3 模擬結(jié)果分析

選取模擬期間建國(guó)門及朱雀門的實(shí)測(cè)水位及流速數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證點(diǎn),測(cè)點(diǎn)水位和流速的模擬值與實(shí)測(cè)值見圖4、5。由圖4、5可知,模擬結(jié)果的水位及流速與實(shí)測(cè)值相吻合。為定量分析模型準(zhǔn)確性,采用均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error,MAE)和決定系數(shù)R2作為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)[32-33],結(jié)果見表2。

表2 水位、流速均方根誤差及平均絕對(duì)誤差

a)建國(guó)門

a)建國(guó)門

由表2 可知,模擬誤差較小,所構(gòu)建的護(hù)城河二維水動(dòng)力模型能很好地反映研究區(qū)的水動(dòng)力特性,可用于后續(xù)的水動(dòng)力提升模擬。由護(hù)城河長(zhǎng)期實(shí)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)結(jié)果可知,總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數(shù)是西安市護(hù)城河水質(zhì)主要超標(biāo)指標(biāo),因此,本文為通過分析這4個(gè)指標(biāo)改善效果來驗(yàn)證所提“緩蓄快放”系統(tǒng)的有效性。圖6、7分別為建國(guó)門和朱雀門總氮、總磷、氨氮及高錳酸鉀指數(shù)模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。

a)總氮

a)總氮

2個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn)各水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值的RMSE、MAE和R2見表3。

表3 采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)均統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由模擬分析結(jié)果可知,本研究所構(gòu)建模型能夠良好地模擬水體物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散,具有較好的模型精度,可用于后續(xù)的水質(zhì)變化過程模擬。

4 模型應(yīng)用

4.1 基于水動(dòng)力的水質(zhì)改善設(shè)計(jì)

西安市護(hù)城河現(xiàn)狀補(bǔ)水水源分別為大峪水庫(kù)來水和西安市北石橋污水處理廠再生水。大峪水庫(kù)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。西安市北石橋污水處理廠于2020年4月前,執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的工藝要求。2020年4—9月執(zhí)行《陜西省黃河流域污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》A標(biāo)準(zhǔn)的工藝要求。2020年10月至今,主控指標(biāo)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)城河進(jìn)行補(bǔ)水。因此,根據(jù)西安市護(hù)城河補(bǔ)水水質(zhì)歷史數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)不同的補(bǔ)水水質(zhì)和壩前水頭,研究不同的工況下,通過“緩蓄快放”系統(tǒng)快速泄流對(duì)護(hù)城河水質(zhì)與水動(dòng)力的影響規(guī)律,工況設(shè)計(jì)見表4。

表4 不同模擬工況的設(shè)置

工況1為現(xiàn)狀蓄水高度,未執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的補(bǔ)水情況。工況5為現(xiàn)狀蓄水高度,執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的補(bǔ)水情況。

本文考慮水資源的稀缺性和水質(zhì)改善的有效性,旨在利用現(xiàn)有資源進(jìn)行補(bǔ)水的條件下實(shí)現(xiàn)西安市護(hù)城河水質(zhì)的改善。在同樣補(bǔ)水情況下,對(duì)于不同的蓄水高度,所需蓄水時(shí)間不同。因此,本文以較短的蓄水周期和良好的水質(zhì)提升能力作為不同工況下“緩蓄快放”系統(tǒng)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 水質(zhì)水動(dòng)力改善效果分析

4.2.1流速特征比較

不同模擬工況下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本穩(wěn)定時(shí)刻,各取樣點(diǎn)的流速值見表5。顯然,不同蓄水高度對(duì)各點(diǎn)的流速值影響顯著,不同蓄水高度下各點(diǎn)的流速值存在差異。

表5 不同工況下各取樣點(diǎn)流速值 單位:m/s

由表5可知,蓄水0.5 m、蓄水1.0 m及蓄水1.5 m的工況對(duì)流速均有所改善,隨著蓄水高度的增加,下游各點(diǎn)的流速值均有所增加。蓄水0.5 m時(shí)和平門處流速的增長(zhǎng)率最大,增長(zhǎng)率為58.44%。蓄水1.0 m時(shí)和平門處流速的增長(zhǎng)率最大為281%,蓄水1.5 m時(shí)朱雀門流速增長(zhǎng)最大,為蓄水0.5 m時(shí)的8.69倍。不同蓄水工況下研究區(qū)的流速分布見圖8。對(duì)比各蓄水工況下的流速分布可知,隨著蓄水高度的增加,壩后流速場(chǎng)的分布有明顯差異。

a)蓄水0.5 m

蓄水0.5 m時(shí),2號(hào)壩處流速為0.02 m/s,為現(xiàn)狀工況下流速的2倍。此時(shí)2號(hào)壩下游100、200、300 m處的流速分別為0.014、0.010、0.008 m/s,對(duì)應(yīng)位置較現(xiàn)狀工況下的流速分別增加0.006、0.003、0.003 m/s。蓄水1 m時(shí),2號(hào)壩處流速為0.168 m/s,為現(xiàn)狀工況下流速的16.8倍。此時(shí)2號(hào)壩下游約100、200、300 m處的流速分別為0.050、0.020、0.018 m/s,對(duì)應(yīng)位置較現(xiàn)狀工況下的流速分別增加0.042、0.013、0.013 m/s。蓄水1.5 m時(shí),壩后流速值大于0.15 m/s的范圍增加,大量水體的突然下泄導(dǎo)致局部流速較大,雖然對(duì)局部沖刷明顯,但對(duì)于沿程其他斷面流速的改善程度與蓄水1 m工況差異不大。從蓄泄周期以及流速改善程度兩方面綜合分析認(rèn)為蓄水1 m,水動(dòng)力改善效果最佳。

4.2.2水質(zhì)特征比較

不同模擬工況下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本穩(wěn)定時(shí)刻,各取樣點(diǎn)在模擬時(shí)段內(nèi)的總氮平均濃度見表6。從平均濃度而言,采用Ⅴ類水補(bǔ)水條件下,“緩蓄快放”系統(tǒng)對(duì)水體總氮濃度的改善效果微弱,隨著蓄水高度的增加,總氮濃度呈現(xiàn)微弱減小趨勢(shì)。圖9為Ⅴ類水補(bǔ)水條件下,不同蓄水高度對(duì)文昌門和朱雀門附近水體總氮濃度變化曲線。

表6 不同工況下各取樣點(diǎn)的總氮平均濃度 單位:mg/L

a)文昌門

由表6可知,相比于采用Ⅴ類水補(bǔ)水,利用Ⅲ類水補(bǔ)水時(shí),總氮濃度顯著降低。同樣采用Ⅲ類水補(bǔ)水時(shí),總氮濃度隨蓄水高度增高而降低?！熬徯羁旆拧毕到y(tǒng)對(duì)下游水質(zhì)的改善,隨蓄水高度增高而增強(qiáng)。從總氮含量下降速率而言,蓄水高度由0.5 m變化為1.0 m時(shí),總氮含量下降效果最為顯著。蓄水高度由1.0 m增加到1.5 m時(shí),通過快速泄流盡管能進(jìn)一步降低總氮含量,但是相比于蓄水高度由0.5 m變化為1.0 m時(shí),對(duì)總氮含量降低比率減弱。圖10為Ⅲ類水補(bǔ)水條件下,不同蓄水高度對(duì)文昌門和朱雀門附近水體總氮濃度變化曲線。

a)文昌門

由圖9、10可知,“緩蓄快放”系統(tǒng)蓄水高度越高,水體置換耗時(shí)越短、置換率越高。蓄水高度從0.5 m增高為1.0 m時(shí),水質(zhì)改善效果最為明顯,蓄水高度從1.0 m增高為1.5 m時(shí),通過蓄泄水體來改善水質(zhì)效果與蓄水高度1.0 m差異不大。針對(duì)水資源短缺的西北地區(qū),西安市護(hù)城河采用蓄水1.0 m的方案具有較短的蓄泄周期,水齡較小,水體交換能力強(qiáng),水質(zhì)提升效果顯著。

綜合水動(dòng)力和水質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,通過將上游水位蓄高,快速泄水的方式是提高護(hù)城河水動(dòng)力的有效途徑?？紤]蓄泄周期和流速改善程度,上游水位蓄水1.0 m對(duì)水動(dòng)力改善綜合效果最佳。西安市護(hù)城河通過使用地表Ⅲ類水作為補(bǔ)水水源時(shí),綜合考慮蓄水成本和水質(zhì)提升效果,明確在蓄水高度1.0 m時(shí)對(duì)下游水體水質(zhì)改善效果最佳。因此,西安市護(hù)城河采用“緩蓄快放”系統(tǒng)通過將符合地表Ⅲ類水的護(hù)城河補(bǔ)水水體蓄高1.0 m,快速泄流能夠有效提升護(hù)城河水動(dòng)力,改善護(hù)城河水質(zhì)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)緩蓄快放系統(tǒng),通過緩慢蓄水快速泄放的方法提升西安市護(hù)城河水動(dòng)力、改善護(hù)城河水質(zhì)。構(gòu)建了基于MIKE21護(hù)城河水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型,并通過實(shí)測(cè)水位、流速及水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)所建耦合模型進(jìn)行率定及驗(yàn)證。通過設(shè)置不同的蓄水高度及上游補(bǔ)水水質(zhì),模擬了8種方案下的水質(zhì)、水動(dòng)力改善效果,探究了緩蓄快放系統(tǒng)不同蓄水高度和不同補(bǔ)水水質(zhì)共同作用對(duì)水體流速和水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)濃度分布影響特性。結(jié)果表明:不同蓄水高度對(duì)流速影響顯著,隨著蓄水高度的增加,流速增加明顯,不同補(bǔ)水水質(zhì)對(duì)下游水體的水動(dòng)力無顯著影響;補(bǔ)水水質(zhì)對(duì)護(hù)城河水質(zhì)影響顯著,隨著蓄水高度的增加,“緩蓄快放”系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)改善程度先增加后減弱;西安市護(hù)城河采用地表Ⅲ類水作為補(bǔ)水水源、蓄水高度1 m工況下,通過“緩蓄快放”系統(tǒng)對(duì)護(hù)城河水質(zhì)改善最優(yōu)。