江苏太仓城区引调水方案比选研究

周 飞，徐 飞，湛忠宇

（江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210008）

0 引言

引调水是快速改善河网水质的有效途径，它通过“以动制静、以丰补枯”的方式增强水体流动性和增加水环境容量，从而达到改善水质的目的。 该方法的实践应用较多，且效果明显，尤其是在我国东部平原河网地区。 不同调度方案对水质的改善效果不尽相同。目前， 诸多研究在采用河网水环境数学模型模拟不同调度方案的基础上，再通过水质评价计算，选出环境效益最佳的调水引流方案。 夏琨等采用MIKE11模型建立了秦淮河引调水一维河网数学模型， 以氨氮浓度为水质改善特征指标， 运用模型对6 个典型断面水质改善效果进行模拟与计算， 选出了最佳的引调水方案［1］。 周鹏程等以深圳市原水系统多水库联合调度为例，应用多参数最优化估值模型对调度效果进行了模拟分析，从而为城市原水系统的联合调控提供了参考［2－3］。 宋子奇等将生态与经济并重的能值分析法应用于浙东引水工程，继而对工程沿线地区的生态效益进行量化分析［4］。 张永勇等建立了遗传算法和闸坝调度耦合的SWAT 模型， 并将其应用于北京市温榆河流域水污染整治工程［5］。 潘泓哲等建立了太湖流域走马塘东南片一维河网水动力水质模型，通过构建环境效益与经济效益相结合的评价体系，研究了不同引调水方案对区域水环境的改善效果［6］。

太仓市经济发达，人口密集，工业企业较多，水环境现状不尽理想， 但其地处江尾海头， 引调水水量、水质能够得到保障，所以可以通过控制闸站调度引外河水改善城区水质。 笔者试通过建立河网水动力水质模型，研究不同调水方案的运行效果，以期得到调水引流的最佳方案。

1 研究区概况

太仓市位于苏州市东北部，长江口南岸，地处北纬31°22＇～31°44＇、东经120°58＇～121°20＇，市域总面积为822.926 km2，其中长江水域面积为173.89 km2，约占总面积的五分之一。 城区位于市域的南部，地势平坦，属于平原河网地区，水系纵横，并以东城河—通城河为界，大体分老城区、新城区两片。 横向的新浏河、致和塘、城北河、东长春河—刘家河和纵向的盐铁塘、大半泾河、娄江河、十八塘构成城区骨干河网，其中新浏河为区域性通江引排河道。 老城区内部河道直接与盐铁塘连通，通过闸站控制与新浏河、城北河连通。新城区外围建有防洪包围圈，外围河道通过闸站与内部河道相连。 太仓市水系现状详见图1。

图1 太仓市现状水系图Fig.1 Current water system of Taicang City

2 研究方法

2.1 模型构建

为了确定研究区内主要河道的水量模型参数和水质降解参数，笔者模拟太仓市主城区调水期间涉及的各主要河道沿程水量、水质的连续变化过程，建立了一维水量水质耦合模型［7－9］。 其中，河网非稳态水量采用节点—河道模型，通过加入漫滩和旁侧入流形式的圣维南方程组求解，具体表达式如式（1）所示。

式中：Q 为河流流量，m3／s；x 为沿水流方向的空间坐标，m；BW为调蓄宽度，m；Z 为河道水位，m；t 为时间坐标，s；q 为支流入流流量（流入为正，流出为负），m3／s；u 为断面平均流速，m／s；g 为重力加速度，m／s2；A 为主槽过水断面面积，m2；B 为主流断面宽度，m；n 为河道糙率；R 为水力半径，m。

水质模型采用污染物对流扩散方程， 其表达式如式（2）和式（3）所示［10－11］。

式中：Q 为河道流量，m3／s；Z 为河道水位，m；A为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数；C 为水流输送的物质浓度，mg／L；Ω 为河道叉点－节点的水面面积，m2；j 为节点编号；I 为与节点相关联的河道编号；Sc为与输送物质浓度相关的衰减项；Kd为衰减因子；S 为外部的源汇项。

太仓主城区河网主要以城北河、通城河、东城河、致和塘、团结河、东长春河、相公河、大半泾、刘家河、李家河、小半泾、娄江河等为骨干河道，本研究将其概化成255 个节点、55 条河道，具体如图2 所示。

2.2 模型率定与验证

根据模型的概化结果，选取通城河闸站（1＃）、大半泾北闸站（2＃）、东城河北闸站（3＃）、娄江河北闸站（4＃）、大半泾闸站（11＃）、团结河闸站（12＃）、东长春河与盐铁塘交界断面（13＃）、致和塘与盐铁塘交界断面（14＃）、北城河闸站（23＃）等9 个断面作为边界断面。将各断面各时段的水位、 流量和水质实测值设为模型边界条件。 在水量计算中，除了13＃、14＃、23＃断面的边界条件为水位条件， 其他各断面的边界条件均为流量条件。

根据某一天野外同步监测的流量数据对水动力模型进行率定验证， 模型计算值和实测值对比结果如图3 所示。 由图3 可以看出，各断面计算值与实测值的平均相对误差小于20%。 因此，该模型可较好地模拟太仓城区河网流量变化过程。 河道糙率值为0.02～0.04。

根据水质模型计算的各断面COD 和氨氮浓度与实测值的对比结果如图4 所示。 由图4 可以看出，各断面的COD、氨氮浓度模拟值与实测值的平均相对误差均小于20%，模型模拟结果较好。COD和氨氮水质降解系数分别为0.08～0.10 d－1、0.05～0.08 d－1。

3 引调水方案比选

3.1 可选方案

平原河网区河道纵横交错，水体流态复杂，可实施的调水方案组合较多， 不同调水方案的调水效果及成本各不相同。太仓主城区范围内仅致和塘、东城春河与外河盐铁塘相连通， 其他内部河道与外围河道交接处都有闸站控制。 根据闸站现有泵站状况制订模拟方案，具体如表1 所示。

调度方案总引排量/（m3/s）各闸站引排量/（m3/s）东城北河闸站北城河闸站1 12 0 0 0 0 6 0 2 4 0 2 13 -4 -4 0 0 0 -3 -2 1 0 3 12 0 0 0 0 6 0 2 4 1 4 13 -4 -4 0 0 0 -3 -2 1 1 5 10 0 0 0 0 4 0 2 4 0 6 8 0 0 0 0 2 0 2 4 0 7 12 0 0 0 2 6 0 0 4 0 8 12 0 0 0 4 4 0 0 4 0娄江北河闸站八佰泾闸站娄江河闸站大半泾闸站大半泾北闸站通城河闸站团结河闸站

3.2 水质评价方法

本文用综合水质标识法计算城区水质的污染程度，从而进一步对水质改善效果进行对比分析。综合水质标识指数由整数位、小数点及其后三位或四位小数构成［12－13］，如 Iwq＝a1.a2a3a4。 其中，Iwq为综合水质标识指数；a1为综合水质级别， 可参考表2 确定；a2为综合水质在该级别水质变化区间中所处的位置，a1.a2由式（4）确定；a3为参与综合水质评价的单项水质指标中劣于水环境功能区目标的指标个数；a4为水质类别与水质目标的关系。 若水质类别好于或达到水质目标，则a4＝0；若水质类别差于水质目标且a2不为0，则a4＝a1-b（b 为目标水质类别）；若水质类别差于水质目标且a2为0，则a4=a1-b-1。

式中：n 为水质评价中水质单指标的个数；S1，S2，…，Sn分别为第1，2，…，n 个单因子水质指数。

指数范围 评价级别1.0≤X≤2.0 Ⅰ类2.07.0 劣Ⅴ类、黑臭

调度方案 总流量/（m3/s） 8# 13# 15# 17# 21# 24#现状 - 5.863 6.013 6.264 6.264 5.613 5.914 6.013 1 12 5.712 5.311 5.912 5.812 5.411 5.612 5.628 2 13 5.211 5.411 5.111 5.411 5.311 5.411 5.311 3 12 5.311 5.311 4.811 5.011 5.211 5.512 5.195 4 13 5.512 5.411 5.311 5.512 5.411 5.411 5.428 5 10 5.612 5.211 5.011 5.211 5.311 5.612 5.328 6 8 5.612 5.211 5.211 5.411 5.311 5.612 5.395 7 12 5.512 5.111 5.011 5.111 5.211 5.512 5.245 8 12 5.612 5.211 5.211 5.211 5.311 5.612 5.361各断面综合水质标识指数 平均

3.3 引调水方案比选

通过对各断面水样水质评价可知，8＃、13＃、15＃、17＃、21＃、24＃断面为城区水质较差的6 个断面，本文选用此6 个断面调水后水质改善程度的平均值作为方案改善效果的评价依据。 各断面综合水质级别评价结果如表3 所示。 为使经济效益最大化，笔者综合各方案的调水流量，计算其单位流量水质污染改善程度，计算结果如表4 所示。

由表3 和表4 可知，方案3 对城区整体水质改善效果最好， 调水后的综合水质标识指数改善程度为13.6%；方案6 次之，调水后的综合水质标识指数改善程度为12.2%；方案1 对城区水质改善效果最差，调水后的综合水质改善程度仅为6.4%。单位流量对城区整体水质改善效果最好的是方案6， 改善程度为1.3%；方案3、方案5、方案7 改善效果次之，单位流量水质标识指数改善程度为1.1%；方案4 对城区的水质改善效果最差，故得出方案6 为最优调水方案。

调度方案 各断面综合水质标识指数改善程度/% 平均/%8# 13# 15# 17# 21# 24#0.2 1.0 0.5 0.6 0.3 2 0.9 0.8 1.4 1.0 0.4 3 0.8 1.0 1.9 1.7 0.6 4 0.5 0.8 1.2 0.9 0.3 5 0.4 1.3 2.0 1.7 0.5 6 0.5 1.7 2.1 1.7 0.7 7 0.5 1.3 1.7 1.5 0.6 8 0.4 1.1 1.4 1.4 0.4 1 0.4 0.7 0.6 0.7 0.5 0.6 0.6 0.4 0.5 0.9 1.1 0.7 1.1 1.3 1.1 0.9

4 结语

平原区河网水体受特殊的地理条件和社会环境影响，水污染问题日益严重，如今已经严重制约了地区经济社会的可持续发展。 本文以江苏省太仓市为研究对象，建立了一维水环境数学模型，并通过野外原型调水实验对模型进行了参数率定， 得到河道糙率为0.02～0.04，COD 水质降解系数为0.08～0.10 d－1，氨氮水质降解系数为0.05～0.08 d－1。 在此基础上，选取现状水质最差的6 个断面作为评价断面， 采用综合水质标识法对引调水前后水质进行对比分析，得出方案3 对水质综合改善效果最佳。最后，通过计算分析单位流量水质改善程度，得出方案6 为最经济、最优的调水方案， 其单位流量水质标识指数改善程度为1.3%。

[责任编辑 杨明庆]