發(fā)布時(shí)間：2021-09-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對(duì)城市化發(fā)展給平原河網(wǎng)地區(qū)帶來的水動(dòng)力不足與水質(zhì)惡化問題，以寧波市主城區(qū)海曙區(qū)為研究區(qū)，探究引清活水對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果。利用MIKE11構(gòu)建一維水量水質(zhì)耦合模型，模擬不同引水規(guī)模、引水口門布局及引水時(shí)段下流速變化及污染物NH3-N和COD的
摘要：針對(duì)城市化發(fā)展給平原河網(wǎng)地區(qū)帶來的水動(dòng)力不足與水質(zhì)惡化問題，以寧波市主城區(qū)———海曙區(qū)為研究區(qū)，探究引清活水對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果。利用MIKE11構(gòu)建一維水量水質(zhì)耦合模型，模擬不同引水規(guī)模、引水口門布局及引水時(shí)段下流速變化及污染物NH3-N和COD的改善情況，分析不同方案的活水效果。結(jié)果表明，引清活水可改善河網(wǎng)水環(huán)境，改善效果與引水規(guī)模、引水口門布局及引水時(shí)段均有關(guān);綜合水動(dòng)力與水質(zhì)的改善情況，當(dāng)引水規(guī)模為27m3/s，以洪水灣節(jié)制閘、高橋泵站、邵家渡翻水站及沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘聯(lián)合調(diào)度引水，對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行間斷活水時(shí)，海曙區(qū)水環(huán)境得到較大改善。
關(guān)鍵詞：平原河網(wǎng);引清活水;水質(zhì)水量耦合模型;水環(huán)境;寧波市主城區(qū)
1概況
海曙區(qū)位于寧波市中心區(qū)域，地處鄞西平原，整體地勢(shì)西高東低，東臨奉化江，北瀕余姚江，在三江口匯合為甬江，西部、南部為四明山脈，兩江與山脈之間為平原，平原區(qū)域有河網(wǎng)481條，總長(zhǎng)度為770.59km，水域面積約為1327×104m2。區(qū)內(nèi)河道水力坡降較小，不良的水動(dòng)力條件和城市化所帶來的污染使當(dāng)?shù)厮h(huán)境愈加惡化。根據(jù)海曙區(qū)2018年各月水質(zhì)報(bào)告，豐、平、枯期劣Ⅴ類水占比為40%～55%。其中，中塘河和西塘河在豐、平、枯期均為劣Ⅴ類河流，是活水工程的重點(diǎn)治理對(duì)象。姚江干流和上游水庫是海曙區(qū)重要的調(diào)水水源，在現(xiàn)狀情況下，海曙區(qū)主要通過高橋翻水站和洪水灣節(jié)制閘從姚江及上游水庫引水進(jìn)入海曙平原腹地，姚江下游的保豐閘及奉化江沿線的行春碶和屠家堰作為研究區(qū)主要退水口門。但在此種情況下，區(qū)域內(nèi)水環(huán)境改善效果并不十分理想，需考慮增加引水量，開辟新的引清通道，以有效改善海曙區(qū)水環(huán)境。因此，考慮沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘、規(guī)劃新建的邵家渡翻水站和五江口翻水站作為新增引水口門，進(jìn)一步完善海曙區(qū)引水工程的聯(lián)合調(diào)度，并設(shè)置12個(gè)水動(dòng)力及水質(zhì)評(píng)價(jià)斷面。研究區(qū)水系、水工建筑物及監(jiān)測(cè)斷面見圖1。構(gòu)建一維水量水質(zhì)耦合模型，基于引水規(guī)模、引水口門布局及引水時(shí)段擬定多種活水方案，探究不同方案下的海曙區(qū)水動(dòng)力及水質(zhì)改善情況，以期為海曙區(qū)的引配水調(diào)度提供根據(jù)。
2一維水量水質(zhì)耦合模型構(gòu)建
2.1基本方程
綜合考慮海曙區(qū)水文特征和水環(huán)境特性，選取適用于平原河網(wǎng)地區(qū)一維非穩(wěn)定流計(jì)算的MIKE11模型模擬分析研究區(qū)水量水質(zhì)耦合情況[1]，可采用水動(dòng)力(HD)模塊和水質(zhì)(AD)模塊。水動(dòng)力模塊在圣維南方程組基礎(chǔ)上以Abbott六點(diǎn)中心格式插分來求解[2]，圣維南方程組包括連續(xù)方程(質(zhì)量守恒定律)和動(dòng)量方程(牛頓第二定律)
2.2模型構(gòu)建
海曙區(qū)的河網(wǎng)概化主要包括河道概化和水工建筑物設(shè)置兩個(gè)方面，河道概化主要包括西塘河、中塘河、前塘河等47條骨干河道，河網(wǎng)內(nèi)部的村鎮(zhèn)級(jí)河道、池塘等根據(jù)水面率，作為調(diào)蓄水面輸入模型，水工建筑物主要包括高橋泵站、邵家渡翻水站、五江口翻水站、沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘、洪水灣節(jié)制閘、保豐閘、行春碶和屠家堰等引退水口門。河道及可控水工建筑物概化見圖2。
另外，在模型中也需概化污染源，污染源主要分點(diǎn)源和面源兩部分，其中點(diǎn)源包括排入污水廠的城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)企業(yè)源，面源主要包括未接入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活源、農(nóng)田面源和畜禽源。點(diǎn)源根據(jù)排污口的位置直接添加到概化的河網(wǎng)中;面源根據(jù)2018年寧波市海曙區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒提供的人口、耕地、養(yǎng)殖數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，均勻概化到一定長(zhǎng)度的河道中。
2.3模型率定與驗(yàn)證
模型的邊界條件采用2018年12月中旬姚江、奉化江實(shí)測(cè)的潮位資料，以研究區(qū)域內(nèi)有實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)的望春、集士港等6個(gè)站實(shí)測(cè)水位率定，率定得到的各河段糙率為0.025～0.035。選擇2018年12月下旬各站水位進(jìn)行驗(yàn)證，各站的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差在0.1m以內(nèi)，且模型的計(jì)算水位變化與實(shí)測(cè)值較為一致。
根據(jù)海曙區(qū)2018年各月份水質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告，選取海曙區(qū)的主要污染物COD和NH3-N為率定指標(biāo)，經(jīng)過率定，得到COD的降解系數(shù)為0.12/d，NH3-N的降解系數(shù)為0.07/d。選取2018年12月下旬監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示研究區(qū)域的各監(jiān)測(cè)斷面的COD和NH3-N相對(duì)誤差均小于15%，模型參數(shù)基本合理，可反映出海曙區(qū)河網(wǎng)的水質(zhì)變化過程。
3活水方案擬定
結(jié)合區(qū)域水系及水利工程實(shí)際情況，從引水規(guī)模、引水口門布局及引水時(shí)段(分間斷引水和持續(xù)引水)三個(gè)角度擬定活水方案。方案0、1、2可對(duì)比研究增大引水規(guī)模對(duì)海曙區(qū)水環(huán)境改善產(chǎn)生的影響;方案2、3、4可針對(duì)引水口門的布局比選出較優(yōu)的水利工程聯(lián)合調(diào)度方案;方案5則在引水規(guī)模與引水口門布局已確定的基礎(chǔ)上研究不同引水時(shí)段對(duì)活水效益的影響。活水方案的具體設(shè)計(jì)見表1。
4活水方案效果評(píng)估
4.1各活水方案結(jié)果
通過MIKE11數(shù)值模擬各活水方案，得到各方案下研究區(qū)的流速、NH3-N和COD的濃度情況。各方案下研究區(qū)的平均流速及流速分配情況見表2，污染物平均濃度及改善情況見表3，污染物濃度的具體分布情況見表4。
4.2結(jié)果分析
由表2～4可知，當(dāng)海曙區(qū)以方案0的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行引水調(diào)度時(shí)，NH3-N的平均濃度為2.17mg/L，劣Ⅴ類斷面占比42%，平均流速v≥0.1m/s的斷面占比僅有17%，區(qū)域水質(zhì)與水動(dòng)力情況均較差。以方案1～5進(jìn)行引水調(diào)度時(shí)，海曙區(qū)水環(huán)境均有所改善，因引水規(guī)模、引水口門布局、引水時(shí)段的不同，其改善效果有所差別，其中方案3對(duì)水環(huán)境的改善效果最好。
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方案1在方案0的基礎(chǔ)上新增了一條引清通道，由沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘引水入海曙區(qū)腹地，研究區(qū)水體流動(dòng)性與水質(zhì)總體上改善明顯。斷面平均流速提高了38%，但仍有25%的斷面流速小于0.05m/s，NH3-N的改善率為26.3%，COD的改善率為10.9%。在進(jìn)一步增加引水量后，方案2對(duì)海曙區(qū)水環(huán)境又有所提升，斷面平均流速達(dá)到0.10m/s，僅有護(hù)城河斷面為劣V類斷面。比較方案0、1、2，方案1的斷面平均流速比方案0提升了38%，但方案2的斷面流速比方案1只提升18%。方案1中的NH3-N和COD比方案0分別改善了26.3%、10.9%，但方案2中的NH3-N和COD比方案1僅改善了15.6%、2.2%。隨著引水量的增加，活水方案對(duì)水環(huán)境的改善程度在提升，但其對(duì)水環(huán)境起到的改善效率在降低。
除引水規(guī)模外，引水口門的布局同樣是活水效果的影響因素，因此另設(shè)方案3、4以比選出更優(yōu)的引水布局。方案2中，新增的12m3/s引水量以洪水灣閘站作為唯一引水口門時(shí)，水環(huán)境總體改善明顯，但對(duì)躍進(jìn)河等東北部河流影響不大。方案3以沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘和邵家渡翻水站各自引6m3/s水時(shí)，水動(dòng)力及水質(zhì)的改善效果最佳，平均流速v≥0.1m/s的斷面占42%，劣Ⅴ類斷面全部消除。在方案4中又增設(shè)五江口翻水站，但水動(dòng)力和水質(zhì)的整體改善程度比方案3有所下降。這是由于海曙區(qū)本身水力坡降較小，來水路徑過多會(huì)相互阻礙，造成局部河段流向不定，河道污染物轉(zhuǎn)移受阻，從而削弱引水對(duì)水環(huán)境的改善效果。
當(dāng)引水規(guī)模為27m3/s，引水布局相同時(shí)，分析不同時(shí)段引水的改善效果，即比選方案3、5的優(yōu)劣。方案5的斷面平均流速與方案3相同，但v≥0.1m/s的斷面占比相比方案3減少了9%，因此方案5的水動(dòng)力改善效果略劣于方案3。以方案5進(jìn)行持續(xù)引水時(shí)，污染物NH3-N和COD的改善程度相比于方案3也略有降低，且未消除所有劣V類斷面，護(hù)城河斷面仍為劣V類。因此，在引水規(guī)模與引水口門布局相同的基礎(chǔ)上，選擇0：00～8：00、12：00～20：00作為引水時(shí)段進(jìn)行間斷引水時(shí)，海曙區(qū)的活水效果較好。
4.3最終方案推薦
因引水規(guī)模、引水口門的布局及引水時(shí)段的不同導(dǎo)致各方案惠及的區(qū)域與水環(huán)境改善程度各有不同。方案3的引水布局使得海曙區(qū)水環(huán)境質(zhì)量較差的中部與東北部河流均能得到改善，不僅在某局部區(qū)域更在全區(qū)有效改善了水環(huán)境。由表2可知，方案3的斷面平均流速為0.109m/s，平均流速v≥0.1m/s的斷面占42%，斷面平均流速及流速在區(qū)域內(nèi)的分配情況同時(shí)達(dá)到了最優(yōu)。在水質(zhì)改善方面，污染物平均濃度為各方案中最低值，整體上達(dá)到Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn)。由表4可知，方案3中有33%的斷面水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水，50%的斷面達(dá)到Ⅳ類水，17%的斷面達(dá)到Ⅴ類水，所有劣Ⅴ類斷面已被消除。
綜合考慮引水規(guī)模、引水口門的布局及引水時(shí)段3個(gè)因素，從水動(dòng)力和水質(zhì)的改善角度進(jìn)行分析，以方案3的調(diào)度方式進(jìn)行活水時(shí)，活水效益最好，因此推薦方案3為最終的活水方案。
5結(jié)論
a.利用MIKE11構(gòu)建海曙區(qū)水量水質(zhì)耦合模型，對(duì)6種方案進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)引水規(guī)模、引水口門的布局及引水時(shí)段均會(huì)影響河網(wǎng)水動(dòng)力和水質(zhì);增加引水量對(duì)水環(huán)境的改善有一定效果，但隨著引水量的持續(xù)增大，其改善效率在降低;引水口門的布局及引水時(shí)段均會(huì)影響活水效益，海曙區(qū)新增的12m3/s引水量以沿山導(dǎo)流河節(jié)制閘和邵家渡翻水站作為引水口門進(jìn)行間斷活水時(shí)的活水效果最好，對(duì)其他平原河網(wǎng)地區(qū)的此類問題有一定指導(dǎo)意義。b.本文所做研究主要基于常規(guī)情況，未考慮特殊氣候條件、突發(fā)水污染事件等情況，未來需進(jìn)一步優(yōu)化不同時(shí)期活水方案。——論文作者：汪惠1，曾磊2，劉俊1，尹文昊1
