调水引流改善平原河网水质分析及优化调度方案研究

何妙妙 司黎晶 王 姣

(1.苏州市吴中区水务局，江苏 苏州 215104;2.镇江市工程勘测设计研究院，江苏 镇江 212003;3.苏州市相城区漕湖街道建设管理办公室，江苏 苏州 215011)

城市水环境提升是生态文明建设的主要内容之一,水环境治理是城市水利建设的重要组成部分。随着城市化建设的加速、城市化率进程的加快,城市产生的污水越来越多,而城市污水处理基础设施与城市化进程的不匹配,导致城市水环境越来越恶劣[1-3]。平原河网通过调水引流、增大河道流量、提升河道流速等措施可有效提高河流本身的自净能力,改善河道水体流动条件,提升水环境质量[4]。科学的调水引流是实现城市水系连通,改善城市水环境的重要举措。目前的调水引流对城市河道水环境的改善集中于引水水量和引水水质[5-8],闸泵堰等水利工程的联合调度对水环境的研究成果颇丰[9-11],调水引流的研究对地区城市内河环境的改善有重要的借鉴意义。

苏州市吴中区作为环太湖重要城市,是典型平原河网区,区内河港纵横,湖泊众多,依托外围河网发展,区内构成“两线(京杭大运河及吴淞江)一点(太湖)”的骨干水系框架。本文构建的吴中区河道水环境数学分析模型,通过对比低水引清和高水引清调度方案对城区内主要河流水质改善的影响,提出区域内引调水优化方案,以期对平原河网调水引流优化调度提供技术支持。

1 工程概况

吴中城区外围京杭运河绕城而过,西侧苏东河承泄吴中区南部包括山丘区来水北排石湖后,由越城河、跃进河、西塘河等北排、东排入大运河,目前形成了“两线(京杭大运河及吴淞江)一点(太湖)”的骨干框架,起到承接该片区涝水及石湖来水外排京杭运河的作用。吴中城区水系图见图1。

图1 吴中城区水系

吴中区城市化率较高,人口密度大,污水排放量较大,城乡结合部生活污水的无序排放,以及城市化建设过程中对水系的干扰使得城区的整体水环境不理想。平原河网地区河道水力坡降小的特性决定了城区河道水体流动性较差,外部清水来量有限,加上城区在骨干河道西塘河上缺乏有效控制手段,导致区域与外部水体交换有限、内部自身水体滞流,河网自净能力较差,水体一旦污染后,水质改善难度大。根据最新吴中区地表水监测资料,2018年5月南城区地表水共监测断面7个,监测频次数94次,主要监测透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮等指标,其中氨氮(NH3-N)2次满足Ⅲ类水要求,比例为2%,14次满足Ⅳ类水以上要求,比例为15%,37次满足Ⅴ类水以上要求,比例为39%,其余均为劣Ⅴ类,比例为61%。从上述数据分析,虽然近年来加强了治理力度,但水质指标仍普遍超标。

本次以苏州市吴中区为例,结合京杭运河、石湖、小石河排涝闸站等水利工程,引入优质水源,增加城区清水流量,采用水环境数学模型分析河道自然水位差和闸站工程调度对河道水环境的影响,提出科学的调水引流方案,增强水动力,实现水体有序流动,改善城区水环境质量,为周边居民建设创造更好的水环境。

2 模型构建及评价方法

采用河网水动力对调水引流后河道的流量、流速、水位等水力要素进行模拟,在河网概化的基础上模拟水流运动。利用能量守恒定律,根据水流条件及污染物在水中迁移转化过程规律,建立水质评价模型。

2.1 水动力数学模型

河道水动力模型采用节点-河道模型对圣维南方程组离散求解[12]。河网中每条河道控制方程均为一维圣维南方程组;河道连接处为模型的节点,节点处满足质量守恒及动量守恒定律。以流量Q、水位Z为未知变量结合边界条件、节点衔接的圣维南方程组为

式中:Q为流量,m3/s;Bw为河宽,m;Z为水位,m;x为顺水流方向坐标,m;t为时间,s;q为节点其他河道入流流量,流入为正,流出为负,m2/s;A为主河槽过水断面面积,m2;u为过水平面平均流速,m/s;n为河道糙率;R为河道水力半径,m,g为重力加速度,m/s2。

2.2 水质数学模型

水质数学模型以水动力数学模型生成的水动力条件为基础,采用对流扩散方程进行计算[13]。河网对流传输移动问题的河道方程和河道叉点方程表达为

式中:A′为节点水面面积,m2;C为河道内物质浓度,mg/L;Ex为纵向分散系数;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j相连接的河道编号;Sc为衰减项;S为外部项。

2.3 水环境质量评价方法

为了定量表达调水引流对河道水环境质量改善的效果,根据吴中区水污染物监测情况,本文以氨氮(NH3-N)浓度为影响因子,根据调水引流对影响因子的改善率,评价调水引流对水环境的改善效果。水质浓度改善率采用下式计算:

式中:N为NH3-N浓度改善率;C0为河道初始NH3-N浓度,mg/L;Ci为河道引水第i时刻NH3-N监测浓度,mg/L。N值反映调水引流对河道氨氮(NH3-N)浓度影响,N值为正说明河道氨氮(NH3-N)浓度降低,N值为负说明河道氨氮(NH3-N)浓度升高。

3 吴中区调水引流方案及水质影响预测

3.1 调水引流方案

吴中南城区调水引流,主要是利用现状水利工程功能并配合科学引排调度,改善水体流动条件,提升水环境质量。本次调水引流方案主要有低水引清和高水引清两类共4个小方案。

3.1.1 低水引清

低水引清方案总体设计思路为:在东太湖水位适宜条件下(常水位以上),以石湖清水稳定入城为基础,充分利用现有及规划水利工程,通过包围圈外围沿运河侧泵闸向外抽排降低区域水位,打开九亩浜、农场河、大鲇鱼口闸门,利用内河与东太湖水位差通过九亩浜、农场河、西塘河自引小石河及东太湖优质水源入城,提升水体流动性,改善水质。经试算,按照排水方式不同设计“集中泵排”和“分散泵排”两组方案。

集中泵排:包围圈外围沿运河侧泵闸中,仅开启西塘河枢纽、潭湖枢纽、钢铁桥泵站向运河排水,排水流量均为5m3/s,其他运河侧口门关闭。

分散泵排:包围圈外围沿运河侧泵闸中,开启西塘河枢纽、碧波枢纽、东港河泵站、西夏田泵站、潭湖枢纽、尹山桥泵站、钢铁桥泵站、罗布箕涵站向运河排水,其他运河侧口门关闭。

3.1.2 高水引清

高水引清方案总体设计思路为:考虑低水引清方案区域水位在一般情况下较常水位低约10cm,在现有石湖5m3/s来水的基础上,充分利用小石河优质水源,根据引水流量需求,利用小石河沿线泵站的引水功能,控制入城流量10m3/s;同时,通过包围圈外围泵闸灵活调度北排、东排运河,控制域内水位在3.1～3.3m适宜范围,此时由于地区水位抬高后超过了东太湖水位,西塘河连接东太湖的大鲶鱼口水闸关闭。按照排水方式不同设计“分散泵排”和“泵排+自流”两组方案。

高水引清-分散泵排:与低水引清方案中优选的分散泵排方案排水流量布置相同,开启西塘河枢纽、碧波枢纽、东港河泵站、西夏田泵站、潭湖枢纽、尹山桥泵站、钢铁桥泵站、罗布箕涵站向运河排水,其他运河侧口门关闭。

高水引清-泵排+自排:对于高水引清方案下运河水位低于区内水位、有条件向运河自流排水的区域,打开其沿运河侧闸门;对于运河水位高于区内水位的区域,其沿运河侧泵站沿用分散泵排子方案中排水流量布置。

3.2 水质影响预测

a.低水引清-集中泵排方案。该方案换水期间,从片区整体来看,换水3～5d后区域水质得到普遍改善并基本稳定在Ⅳ类(接近Ⅲ类上限)水平,其中水质改善效果相对较差的区域主要分布在东北、东南片区未启用的闸站前控制段河道。从分区来看,西北片区、西南片区改善速率接近且较快,换水2d后氨氮即可稳定在1.03mg/L(接近Ⅲ类上限),东北片区改善速率次之,换水3d后氨氮基本稳定在1.09mg/L,东南片区改善速率最慢,换水4d后氨氮趋于稳定,约1.2mg/L,各个片区5d后的改善幅度差异不大,东南片区改善幅度相对较低方案中各片区换水期间水质变化见图2。

图2 低水引清-集中泵排方案水质变化统计

b.低水引清-分散泵排方案。该方案换水期间,从片区整体来看,换水3～5d后区域水质得到普遍改善并基本稳定在Ⅳ类(接近Ⅲ类上限)水平,区内全部河道水质均由Ⅴ类降至Ⅳ类;从分区来看,西北片区、西南片区改善速率接近且较快,换水2d后氨氮即可稳定在1.03mg/L(接近Ⅲ类上限),东北片区、东南片区改善速率接近且次之,换水3d后氨氮基本稳定在1.05mg/L,各个片区5d后的改善幅度基本相当。方案中各片区换水期间水质变化见图3。

c.高水引清-分散泵排方案。该方案换水期间,从片区整体来看,换水3～5d后区域水质得到普遍改善并基本稳定在Ⅳ类(接近Ⅲ类上限)水平,区内全部河道水质均由Ⅴ类降至Ⅳ类;从分区来看,西北片区、西南片区改善速率接近且较快,换水1d后氨氮即可稳定在1.02mg/L(接近Ⅲ类上限),东北片区、东南片区改善速率相近且次之,换水3d后氨氮趋于稳定,在1.08mg/L左右,各个片区5d后的改善幅度基本相当,方案中各片区换水期间水质变化见图4。

图3 低水引清-集中泵排方案水质变化统计

图4 高水引清-分散泵排方案水质变化统计

d.高水引清-泵排+自排方案。该方案换水期间,从片区整体来看,换水3～5d后区域水质得到普遍改善并基本稳定在Ⅳ类(接近Ⅲ类上限)水平,区内全部河道水质均由Ⅴ类降至Ⅳ类;从分区来看,西北片区、西南片区改善速率接近且较快,换水1d后氨氮即可稳定在1.03mg/L(接近Ⅲ类上限),东北片区、东南片区改善速率相近且次之,换水3d后氨氮趋于稳定,在1.08mg/L左右,各个片区5d后的改善幅度基本相当。方案中各片区换水期间水质变化见图5。

图5 高水引清-泵排+自排方案水质变化统计

3.3 调水引流方案水质变化分析

3.3.1 低水引清

吴中区通过低水引清方案调水引流后片区水质改善率明显,引水5d后水质改善率为40%～50%,片区内不同供水方案水质改善速率存在差异,低水引清方案水质改善率见图6。其中西北片区、西南片区在集中泵排与分散泵排的水质改善速率大致相同,供水2d后水质即可达标,供水3～5d氨氮浓度改善率保持不变,水质改善率可达50%;东北片区集中泵排1d水质改善速率25%,2d水质改善率43%,3～5d水质改善率趋于稳定,为46%、东北片区分散泵排1d水质改善速率为29%,2d水质改善率为47%,3～5d水质改善率趋于稳定,为48%;东南片区集中泵排1～5d水质改善为27%～41%,水质改善率逐渐增加,水质持续提升,东北片区分散泵排1d水质改善速率为26%,2d水质改善率为43%,3～5d水质改善率趋于稳定,为47%;东北片区、东南片区在分散泵排的水质改善速率更快,5d后水质改善幅度更大,且分散泵排片区全部河道水质均由Ⅴ类降至Ⅳ类,基本不存在难以改善、仍为Ⅴ类的区域。从水质改善率整体来看,引水初期清水对河道内氨氮浓度改善幅度较大,但随着引水天数的增加,河道内氨氮浓度逐渐降低,使得引水对河道内氨氮浓度的改善减弱;低水引清方案中,分散泵排较集中泵排水质增加了碧波枢纽、东港河泵站、西夏田泵站、尹山桥泵站、罗布箕涵泵站排水,而改善效果相对较差的区域主要分布在东北、东南片区上述未启用的闸站前控制段河道,故引水时开启内河泵站将上游污水排出,可以更好地改善城市内河水质。

图6 低水引清子方案片区水质改善效果对比

低水引清方案在东太湖水位适宜情况下(常水位以上),充分利用河道自流,将小石河和东太湖作为引水水源,引清入城,河网水质基本能够维持在适宜水位的下限左右;其中,调度管理上低水引清-分散泵排方案比集中泵排方案难度相对较大,但在空间上活水和改善水质效果较好。低水引清方案受东太湖水位制约,在小石河、东太湖水位较低情况下,地区河网水位过低,为实现预期调水流量,水位将抽排至3.0m以下,不利于景观和生态。

3.3.2 高水引清

“高水引清”方案将小石河作为引水水源,利用泵站抽引小石河优质水入城,引水期间城区内部河网水高水引清方案可结合运河水位条件相机采用,在一般情况下(运河常水位),以自流排水为主,加上局位可灵活调度,保证维持在适宜水位。

吴中区通过高水引清方案调水引流后片区水质改善率明显高,高水引清方案水质改善率见图7。其中西北片区、西南片区换水1d水质改善率达50%,水质处于优质稳定的状态。西北片区、西南片区利用泵站抽引小石河优质水入城提高了河道内清水流量,加快清水的补给速度,河道内氨氮浓度改善率明显,这表明河道水质的改善速率与引水时段内通过的流量密切相关。东北、东南片区高水引清-分散泵排与泵排+自排方案在水质改善率及水质改善速率方面效果相当,东北及东南处于河道下游,大部分河道采用自排方式,引水流量差别大不,水质改善效果相当。部区域适当抽排的方式排水,就可实现较好的预期活水效果。但在运河水位较高或异常的情况下,高水引清-分散泵排方案将发挥优势,实现包围圈内水位完全可控的效果。

图7 高水引清子方案片区水质改善效果对比

4 结 论

a.调水引流工程对吴中区水质改善明显,引水5d后区内水质改善率为40%～50%。利用南城包围沿京杭运河、小石河排涝闸站,并扩展沿小石河两座排涝泵站的引水功能,在现状西部石湖来水基础上,科学利用包围圈外围河道(湖泊)优质水源,提升城区清水来量,区域水质得到普遍改善并基本稳定在Ⅳ类(接近Ⅲ类上限)水平。

b.水质改善率在引水初期改善幅度较大,随着引水天数的增加,河道内氨氮浓度改善减弱;部分河道改善效果相对较差,改善效果差的区域位于未启用的闸站前控制段河道;对比低水引清与高水引清方案,河道水质的改善速率与引水时段内通过的流量密切相关。

c.科学利用河道自然水位差和闸站工程合理调度,实现区内水体有序流动,保证维持在适宜水位,工程调度方案根据东太湖、运河水位不同情况方案为:当东太湖水位位于常水位以上时,采用低水引清-分散泵排方案,通过包围圈外围运河侧泵闸向外抽排降低吴中南城区水位,利用内河与东太湖水位差自引小石河及东太湖优质水入城;当东太湖水位位于常水位以下时,启用沿小石河泵站,抽引小石河清水(10m3/s),高水引清方案采用以自流排水为主,加上局部区域适当抽排的方式排水,在运河水位较高或异常的情况下,采用高水引清-分散泵排方案,实现包围圈内水位完全可控的效果。