基于水环境数学模型的水环境提升整治方案模拟分析——以狮山横塘街道为例

王 雪

（清苏智慧水务科技（苏州）有限责任公司，江苏 苏州 215163）

城市化和工业化进程与基础设施建设的相对之后，导致我国城市水环境状态恶化并引发社会的强烈关注[1-2]。苏州高新区狮山横塘街道具有污水直排、雨污混接、城市内涝、工业污染、商业餐饮污染、水系不通等系列问题[3-4]，目前区域内的水体水质较差，总体上都属于劣V类水体。为改善区域内水质整体状况，以经济合理的手段改善水环境、恢复水生态、减少提升人居环境质量，同时提升河道管理水平，长效保持优良的水环境系统，力求在近期（2020年）消除区域内劣V类水质，达到高新区水环境质量规划的水质目标。本研究通过水动力-水质模型构建，完成与周边街道水动力-水质模型的串联，对大区域内进行统筹水动力调配、污染总量控制等方案设计，为改善区域水环境质量提供科学依据。

1 研究区域概况

研究区域狮山横塘街道片区包括狮山街道和横塘街道两个街道。区域总面积约31.3 km2，辖内共有河道28条，总长46.3 km。片区内水系发达、水体类型多样，包括河流、天然湖泊、人工池塘、湿地等，总水面率约3.1%。

研究区域通过金山浜、南北中心河从上游引水，水流自然流向由北向南、自西向东经京杭大运河外排，因常年受运河顶托影响，片区内水动力条件差，自然状态下水体基本滞留不动。目前区域内的水体水质较差（主要为氨氮超标），总磷及溶解氧仅有个别点位部分时段超标，街道区域水质总体上属于劣V类水体，急需改善区域水环境质量。

2 数学模型构建及参数率定

2.1 基本方程

2.1.1 水动力模型基本方程

水动力计算的控制方程是描述明渠一维非恒定流的圣维南方程组[5]，包括连续性方程和动量方程，并补充考虑了漫滩和旁侧入流：

式中，Q为流量；x为沿水流方向空间坐标；b为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽；h为水位；t为时间坐标；q为旁侧入流流量，入流为正，出流为负；α为动量校正系数；A为主槽过水断面面积；g为重力加速度；C为谢才系数；R为水力半径。

2.1.2 对流扩散模型基本方程

污染物在水中的分布与浓度主要取决于自身的降解、随水流的运动以及污染物的扩散，对流扩散模块的控制方程为一维对流扩散方程：

式中，x为沿水流方向空间坐标；t为时间坐标；为流量；C为物质浓度；A为主槽过水断面面积；D为纵向扩散系数；K为线性衰减系数；C2为源汇浓度；q为旁侧入流流量。

2.2 模型构建

在水环境数学模型基本方程的前提下，利用研究区域地形地貌、河道水系、闸坝调度及水文、水质同步监测等基础资料构建水动力模型。根据同步水文、水质同步监测的断面形状及高程监测结果，概化河道为水平底坡，河道纵比降通过控制断面的高程进行控制，并根据模型需要进行适当平顺处理。概化河道30条，模拟河道总长度45.77 km。

边界条件是河网数学模型的主要约束条件，模型一般包括两种边界属性分别为外部边界和内部边界。本模型设置出入境开边界17个，污染源输入边界，根据资料收集及污染源现场调研情况，计算得到的河道污染源负荷结果，将其概化为点源污染边界条件和面源污染源边界条件。闸坝根据研究区域闸坝位置及调度情况，设置闸坝调控的边界条件。

2.3 模型参数率定

通过对模型河网概化、断面设定、边界条件设置及参数的设置，利用水文、水质同步监测的流量、水质指标实测数据对模型的参数进行率定，通过试错法调整模型参数，河道糙率取值范围为0.025～0.033，模型的计算结果和实际监测结果流量相对误差在允许范围内，模型误差在允许范围内，证明根据上述条件构建的模型可用于研究区域河道的水文水质模拟计算。模型率定的实测值与模型计算值误差见表1。

表1 模型计算值和实测值相对误差结果表

3 方案及分析

为提高区域水环境质量，现有控源截污、生态修复、海绵城市LID系统、调水方案等多种水环境整治措施，但如何进一步优化整治方案，整治后水质改善效果如何，需要利用数据模型进行预测，为整治方案的优化提供参考依据。

3.1 方案的设计

考虑各整治措施针对性的差异，结合研究区域实际区域特点，利用已建立的一维水环境数学模型，本研究以旱季模型和雨季模型为基础，针对不同的整治措施方案进行分别模拟计算，了解整治措施对区域水环境的影响情况后，再设计综合方案模拟，以全面了解方案制定的整体效果，并分析是否启用活水调度方案，最终得到研究区域水质整体提升技术方案，见表2。

表2 区域水环境质量提升技术方案

3.2 综合方案计算结果分析

3.2.1 综合方案模拟结果

基于一维河网水动力-水质模型，模拟计算旱季、雨季综合方案，以研究区域下游监测断面为判断依据，不同方案下，模拟计算得到的水质分布结果，见图1。

图1 旱季、雨季综合方案河道水质削减率计算结果图

由模拟结果分析得到：

（1）由旱季综合方案计算结果可知，与现状相比较，综合方案对整体水质有明显提升，根据4个主要入京杭运河断面氨氮指标，氨氮浓度削减平均达到了11.24%。

（2）由雨季综合方案计算结果可知，与现状相比较，综合方案对整体水质有明显提升，根据4个主要入京杭运河断面氨氮指标，氨氮浓度削减平均达到了13.66%。与旱季模型综合方案计算结果对比可知，雨季综合方案对研究区域河道水质有进一步的提升作用。

3.2.2 综合方案模拟污染物削减分析

结合旱季模型及雨季模型综合方案模型模拟计算结果，研究区域河道整体有不同程度的水质提升，但仍不全面消除劣V类。结合研究区域技术方案的设计，统计计算研究区域综合方案污染负荷削减量，与现状污染负荷进行对比，计算结果见表3。

表3 综合方案污染物削减统计计算结果

根据综合方案污染物削减统计计算结果，通过控源截污方案排口污染物削减较大，平均削减率达到了88.75%，主要根据经济性及可操作性的原因，老旧城区等特殊情况的排口未能完全进行有效的控源截污，故控源截污方案针未能做到全部的削减。通过雨水径流污染控制方案对降雨径流污染进行有效的削减，其中对TP的污染物削减最为明显，达到了95.99%，其它水质指标的污染物削减相对较低。通过对研究区域范围内的河道清淤，可实现对底泥释放污染的全部去除，但是底泥释放污染随时间流逝需在1～3年时间内进行反复原位底泥清淤方案，以保证对底泥释放污染的控制。

通过控源截污方案、原位治理方案、人工湿地方案以及雨水径流污染控制方案设计，研究区域污染负荷削减率COD、氨氮、TP及TN分别达到了39.08%、86.78%、92.96%及67.98%，为研究区域水质提升做出了全面可行的工程措施，但研究区域河道水质仍不能保证全面消除劣V类。

3.3 综合调水方案模拟结果分析

通过旱季、雨季综合方案分析结果显示，综合方案仍不能保证河道水质全面消除劣V类，结合研究区域实际情况，可通过上游闸站活水调度改善水质情况。建林闸满负荷运行19 m3/s，杨柯柜闸引水水量为15 m3/s，基于一维河网水动力-水质模型，通过模拟计算活水调度方案，在满足该调度水量条件下，调度水质需满足怎样的条件，方可满足研究区域消除劣V类。通过模拟逐步进行试算，最终得到满足区域消除劣V类水时的最优调水水质，见图2。

图2 综合调水方案水质模拟计算结果分布图

（1）由综合调水方案水质模拟计算结果可知，调水方案不能满足大轮浜南段消除劣V类，主要原因是大轮浜南段排口入流水质较差，调水未能对该河道有水质影响。

（2）结合旱季综合调水方案模拟结果分析得到，在不考虑大轮浜水质条件下，为保证研究区域河道整体保证消除劣V类，调水水质不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

（3）结合雨季综合调水方案模拟计算结果可知，为保证河道消除劣V类，调水水质不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

4 结论与建议

本方案制定了以区域环境调研为基础，模型应用为手段的一体化水质整体提升方案框架。

（1）通过方案提出的水质提升技术措施，根据旱季、雨季技术方案模型模拟结果，人工湿地方案对窑浜、菖蒲浜水质有明显改善，对北裤子浜和大轮浜水质有所提高，但是不能消除劣V类。控源截污、原位治理及雨水径流污染控制方案整体效果不明显，但是对内部具体河道水质有所改善。水动力调节方案对研究区域河道水质整体改善提到最为明显的水质提升效果，故控制调水水量、水质是研究区域河道水体消除劣V类的关键。

（2）综合以上各综合方案模拟结果，为保证研究区域河道整体保证消除劣V类，区域内污染负荷削减技术方案不能满足整体消除劣V类，需通过调水措施，且调水水质不可劣于COD:18 mg/L、DO:3 mg/L、氨氮:1.5 mg/L、TP:0.3 mg/L。

更好地建议进行区域性协调工作，控制主要河道上游污染源排放，保护与区域河道相通的河道水质，以期达到治理效果。