京杭运河杭州段水环境改善方案研究

2018-05-25吴海霞黄正荣黄子谦梅磊鑫

浙江水利科技 2018年3期

吴海霞，黄正荣，黄子谦，梅磊鑫

（1.杭州市京杭运河（杭州段）综合保护中心，浙江杭州 310014；2.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江杭州 310016）

1 研究模型概况

目前，国内外用于水质模拟的模型众多，主要水质模型包括：MIKE、EFDC、DELFT3D、MOHID、CE —QUAL — W2、SMS、WASP等[1]，算法原理以水动力 —水质为主，不同的模型其前处理、演算方式、后处理等各有差异，其中MIKE11模型属于平面一维自由表面动态流模型，其优势在于模型可适应性强，计算稳定、快速，在平原河网计算中具有独特的优势。

本文采用MIKE 11软件的HD模块，建立运河地区河网配水模型，并在此基础上与AD模块进行耦合，以模拟河网水质变化情况。理论框架见图1。

图1 MIKE模型理论框架图

2 河网模型的构建

采用MIKE 11软件建立河网水动力模型，在水动力模型的基础上，通过添加水质边界和排污情况，运用AD对流传输模型与水动力学模型耦合分析计算，进行水质模拟。

2.1 HD水动力模型

一维水动力模型的控制方程组为Saint - Venant方程组：

式中：B为水面宽（m）；Z为水位（m）；Q为流量（m3/s）；q为旁侧流量（m3/s）；v为断面平均流速（m/s）；g为重力加速度（取9.8 m/s2）；F为过水断面面积（m2）；K为单位过水断面面积的流量模数（m3/（s · m2））。

采用隐式差分的6点Abbott 格式对上述圣维南方程组进行数值求解。

2.2 AD水质模型

一般情况下，对于较长河段的河流，其横向和竖向的污染物浓度梯度可以忽略，只考虑纵向（水流方向）浓度的变化。其一维非恒定流水质运动基本方程为：

式中：C为浓度（mg/L）；A为河道横断面面积（m2）；D为扩散系数（m2/s）；K为污染物衰减系数（1/d）；C2为污染源/集中入流浓度（mg/L）；q为横向入流流量（m3/s）。

2.3 河网概化

京杭运河从南到北纵穿杭州市区，由于水系相关性，模型计算范围拓展到西至东苕溪、东至海宁边界、南依钱塘江、北至德清运河出口，总面积约1 500 km2。共概化29条河道、42个闸站等水工建筑物[2]、11个边界、6个污水厂排放点[3]、46个雨水点排放口，河网计算概化见图2。

图2 运河水系河网计算概化图

2.4 模型率定

水动力模型：以2014年7月1 — 15日实测水位资料，进行水动力模型参数的率定。经河网水动力学模型演算，实测水位差幅在0.05 m以下，模型可用于方案优化比选计算。

水质模型：对各支河输入初始水质资料，根据现状排污点分布、排污量信息，以水质边界形式输入，进行水质模拟。并以运河干流2016年1 — 9月各月水质监测数据为基础，取各月平均值，进行水质模型参数的率定。经分析，运河氨氮衰减系数为-0.05 ～ 0.04 L/d。

3 水环境改善方案研究

3.1 方案组合

根据流域的相对独立性，结合城市污水系统，将运河地区划分为运南、运西、运东 — 余杭等3片。参考《杭州市污水工程专业规划（修编）》，现状截污纳管率为75% ～ 80%。将3片截污纳管率均提高至90% ～ 95%，分析不同情况下氨氮浓度的变化情况。方案组合见表1。

表1 方案组合表

3.2 模拟结果

选取三堡进口、顾家桥、武林门码头、德胜河口、拱宸桥、义桥、塘栖、五杭运河大桥、大麻等9个断面为代表，采用HD — AD模型，计算不同方案氨氮浓度变化情况见图3。

图3 代表断面浓度变化对比图

由图3可知，与现状相比，3个方案氨氮浓度均有不同程度的下降，水质均有所改善。总体上改善程度从上游往下游逐步减少，改善情况与减排方案关系较为密切。

3.3 敏感性分析

以运河干流9个断面为代表，分析不同方案水质改善情况，进行敏感性分析（见图4）。

图4 氨氮浓度下降比例图（晴天）

由图4可知，方案1运南片截污纳管率由80%提高到95%，雨污排放点位于顾家桥 — 武林门之间，顾家桥 — 德胜河段氨氮浓度下降22% ～ 29%，水质改善较为明显，表明该段水质对运南片的排污情况较为敏感；方案2运西片截污纳管率由75%提高到90%，雨污排放点位于拱宸桥 —塘栖区间，拱宸桥 — 五杭段氨氮浓度下降12% ～ 13%，水质改善较为明显，表明该段水质对运西片的排污情况较为敏感；方案3运东余杭片截污纳管率由75%提高到90%，运东片雨污排放点位于德胜河口 — 五杭区间，德胜河口 —大麻段氨氮浓度下降14% ～ 25%，水质改善较为明显，表明该段水质对运东余杭片的排污情况较为敏感。