绍兴平原河网引水工程精确引水方案研究

2021-10-14杨朝军应泽林

浙江水利水电学院学报 2021年4期

杨朝军，应泽林，陈飞

(1.绍兴市越城区河道水域管理中心，浙江绍兴 312000；2.绍兴市水利工程管理中心，浙江绍兴 312000；3.绍兴市水利水电勘测设计院有限公司，浙江绍兴 312000)

0 引言

绍兴城区位于绍兴平原，包括越城区、柯桥区及上虞区的一部分区域。绍兴平原河网河流众多，水系密布，素有“东方威尼斯”之称。绍兴平原河网地区人口密集，社会经济发达，工业企业和服务业聚集，污染源较多，并且由于地势平坦，平原河网水动力条件较差，存在着往复流和滞流等现象，使得水体抗污染能力较弱，水环境整体质量较差[1]。引水工程是改善平原河网水质较为经济、可行性较高的技术方法之一[2]，主要通过稀释水体，提升水体流动性以增强水体自净能力的方式来提高水环境质量，已在我国海河、长江等流域中得到了广泛应用。

由于平原河网复杂的水系、水环境状况，引调水最终产生的实际效果往往受到多重因素影响，引水水量是其中一个重要因素。如何科学有效地根据特定目标情况，按照经济合理的原则，选择能够达到目标水质所需要的最小引水流量，即“最优引水流量”，至关重要。

本研究以绍兴平原河网区为研究对象，以一维水动力模型为基础，利用水环境数值模拟技术，研究不同引水流量对区域水环境的改善效果，根据不同目标组合对引调水方案进行精准评估，以期为平原河网地区水环境综合治理提供有效支持。

1 模型基本方程

本次水动力计算采用mike11中的HD模块[3-5]，本模型演进计算的对象是平原河网，河道交错，水流流向复杂。计算采用一维非恒定流方法，圣维南偏微分方程组为：

(1)

(2)

式中：x—计算点的空间坐标；t—计算点的时间坐标；A—过水断面面积,m2;Q—过流流量,m3/s;h—水位,m;q—旁侧入流流量,m3/s;C—谢才系数,m1/2/s;R—水力半径,m;α—动量校正系数，g—重力加速度,m/s2。

方程组利用Abbott-ionescu六点隐式有限差分格式求解圣维南方程(见图1)。该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott-ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

图1 Abbott格式水位点、流量点布置图

2 水文和水动力模型构建

2.1 水文和水动力模型

绍兴平原河网模型概化了“六纵五横”骨干河道及其间连接的重要河道共计200余条，共布设约3 900多个计算断面，包含有重要湖泊8个，排涝闸、节制闸12个，铁路公路涵洞50个，规划排涝泵站3个。模型基本上涵盖绍兴平原区主要河道、全部的排水挡潮闸以及曹娥江上浦闸以下河段，综合了现有河网、水闸和规划河道、泵站、排水挡潮闸的调蓄与排涝的作用。

绍兴平原河网水利计算概化图见图2。

图2 绍兴平原河网水利计算概化图

2.2 水质模型

Mike11 ecolab模型是一个开放性的通用工具，可用来制定水生态模型，模拟水质、富营养化和生态状况等。水质模型所需要的输入数据包括流域近年来水质监测数据，点源和非点源污染负荷数据等。本次研究的污染物主要包括COD、NH4-N等，影响河流水体中生物需氧量的主要过程为生物降解，其平衡方程为：

式中:CB—水中BOD5的浓度;Kd—BOD5的降解系数;Θd—BOD5降解过程温度系数;T—水温;Ks—半饱和常数;KD—溶解氧的降解系数。

3 绍兴平原河网的引水工程

3.1 曹娥江引水工程

绍兴城区曹娥江引水工程是一项将曹娥江水引至绍兴市区，改善绍兴市城区水环境的综合性工程。整个工程东西向横穿上虞区、柯桥区和越城区，至绍兴市城区，再向北汇流入曹娥江。该工程于2010年底正式通水运行。

3.2 浙东引水工程

浙东引水工程的主要任务是引富春江水向萧绍宁平原及舟山市补充工业和农灌等一般用水，并兼顾改善水环境，设计引水流量为50 m3/s。

4 河道水质情况分析

4.1 引水工程对水质改善的影响分析

引水工程对城区水质改善的效果非常明显。受水区范围内的河道监测水质指标明显低于外部区域。受水区水质指标主要受曹娥江引水工程、浙东引水工程、以及南部山区径流影响。以实测高锰酸盐指数为例，从图3中可以看出，曹娥江引水对区域内水质高锰酸盐指数有明显的改善效果，浙东引水对水体的改善主要集中在柯桥西北部，对环城河区域影响较弱，曹娥江引水则对南环河等越城区周边河道产生明显影响。

图3 曹娥江引水工程影响范围示意图

4.2 受益区河道水质的月际变化规律

城区河道监测站点的水质监测数据存在明显的月际变化规律[6]。总体上，各项水质指标自每年在1—6月份逐渐升高，并自9月份开始至年底逐渐降低，表现为夏季浓度高，冬季浓度低。图4为2018—2020年间高锰酸盐指数和总磷指标数值随着月度实测数据变化的规律。

4.3 河道水质变化与降雨关系分析

承前所述，城区河道水质监测数据的月际变化规律与绍兴地区降雨的月际变化规律存在很高的关联性，即随着降雨量的增加，河道水质指标数数值会相应增加；反之，河道水质指标值相应减少。图5所示为高锰酸盐指数和总磷指标数值与降雨量的关系，其中，水质指标同上文，降雨量为绍兴市平均月降雨量。

图5 高锰酸盐指数和总磷指标数值与降雨量的关系

4.4 不同引水流量对受水区的影响分析

引水流量与水质指标的相应关系采用数学模型法进行研究。对河道情况和边界条件进行合理概化，建立绍兴平原河网水质模型，分析曹娥江引水对受水区水质改善范围的影响。采用年平均径流量和负荷量作为边界，以环水质指标数值高锰酸盐指数4.0 mg/L，氨氮0.5 mg/L，总磷0.12 mg/L为依据，引水工程的影响范围结果见图6。从模型计算结果可以分析，当引水量在10～15 m3/s之间，受益范围主要包括古城内河、环城河及南部的南环河、南池江、坡塘江河道，受益河道水面面积1.05 m2，受益水量约3 600 000 m3；当引水量为5 m3/s时，受益范围主要包括南环河(坡塘江以东)、南池江、禹陵江、平水西江，而南环河以北至马山闸西江其余河道则处于浙东引水工程与曹娥江引水工程的影响范围之间，水体流动缓慢，置换周期较长。

图6 曹娥江引水工程影响范围示意图

4.5 阶段性停引对城区水质的影响分析

引水工程阶段性停引对城区河道水质影响明显。以图7主要代表站点南渡桥、渡东桥、西郭铁路桥、葛山头、偏门公路桥的实测数据为分析对象，当工程停引之后，河道水质指标会明显提高；停引一段时间后再启动引水工程，河道水质指标会明显下降。

当曹娥江引水工程持续30 d引水后，高锰酸盐指数、氨氮和总磷三项水质指标的平均数值较停引期间分别低32%、70%、65%，指标值可达到地表水Ⅱ类水标准。当引水工程停止引水超过30 d时，高锰酸盐指数、氨氮、总磷三项水质指标的平均数值会逐步上升。恢复引水后，根据引水流量大小，水质指标数值有不同程度的降低。图8所示为氨氮指标数值变化与引水量关系。

图8 氨氮指标数值与引水天数关系

5 实现绍兴平原河网精确引水方案研究

5.1 精准引水方案总体目标

受益区主要代表站点的高锰酸盐指数、氨氮、总磷三项水质指标数值分别低于4.0 mg/L、0.5 mg/L、0.12 mg/L。减少水质指标的月际波动，维持水质相对稳定。以维持受益水体最低生态流量5.0 m3/s为引水下限,以设计最大引水流量15 m3/s为上限，综合考虑梅汛期、台汛期调度情况，采用模型试算法确定引水量[7-8]。

(1)引水水量调度。每年11月至次年2月，日平均引水流量为5 m3/s，可以达到预期目标(Ⅱ类水)；3—10月(6月份除外)，日平均引水流量为10～15 m3/s，可以达到预期目标(Ⅱ类水)；6月，日平均引水流量为15 m3/s(理论推算建议20 m3/s)，可以达到预期目标(Ⅱ类水)。

(2)引水启停调度。根据实际水质情况，进行调度优化，适当减少引水天数，每年11月至次年2月，按照10 m3/s引7 d停3 d间歇引水，可停引9 d左右；3月、7月、8月和10月，按照15 m3/s引5 d停2 d间歇引水，可停引8 d左右；4月、5月、6月和9月，除了特殊条件下停止引水外，均保持每天引水。

(3)根据上述建议，在保持持续引水的情况下，年总引水量约为2.81 亿m3，引水天数为332 d；考虑间歇性引水的情况下，年总引水量为3.26亿m3，引水天数为280 d。

逐月的引水天数(汛期5—9月引水天数的依据是2018年实际引水天数)和具体引水规模见表1。

表1 曹娥江引水工程2021年度引水方案表

5.2 降雨的应急引水方案

降雨径流携带的地表污染物质进入水体是导致水质污染和指标数值提高的重要因素之一，因此需要在产生明显的降雨径流事件之后，在满足区域防汛、防台任务的前提下，加强应急引水量，以改善河道水质状况。

5.3 枯水期引水方案

枯水期为了维持水体的生态流量[9]，需要保证5 m3/s以上的生态基流作为基本的引水流量，并且每个月保证引水不少于20 d。

图9以南渡桥为代表站，为5 m3/s持续引水、以10 m3/s引7 d，停7 d间歇引水、以15 m3/s引5 d，停10 d间歇引水的氨氮浓度的计算数值与引水流量的变化过程示意图。从图9可以看出5 m3/s持续引水情形下，氨氮浓度数值基本保持稳定，10 m3/s、15 m3/s间歇引水一旦停止引水后，约3～5 d氨氮浓度数值达到5 m3/s持续引水的浓度数值。