平原河网地区闸泵群联合调度水环境模拟

李　晓,唐洪武,王玲玲,胡孜军,焦　创

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京　210098; 2.河海大学水利水电学院,江苏 南京　210098)



平原河网地区闸泵群联合调度水环境模拟

李晓1,2,唐洪武1,2,王玲玲1,2,胡孜军1,2,焦创1,2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098; 2.河海大学水利水电学院,江苏 南京210098)

平原河网;水动力-水质模型;闸泵联合调度;污染源计算;水环境;数值模拟

平原河网地区地势平坦,水网交错,城市集中,人口和产业集聚程度较高。随着城市化进程的加速和区域经济的发展,这些地区的污染负荷增大,水质恶化严重,成为困扰城市可持续发展的主要问题[1]。由于平原河网地区闸泵等水工调控工程众多,通过合理的闸泵联合调度可以控制河道的水动力[2],从而改善水质[3-4]。因此,建立河网水环境数学模型,模拟闸泵联合调度下平原河网的水质演变过程,探索改善水环境的闸泵联合调度方式,对于平原河网地区社会经济可持续发展有重要意义。

针对平原河网地区的水环境问题,Hwang等[5]建立了适用于Seonakdong河的河流水质模型,研究改善水质的最佳闸门操作方法;刘远书等[6]研究了优化的水量水质联合调度方案对工程截污导流效果的影响;胡尧文[7]构建了杭嘉湖地区河网水量水质模型,在引排水工程中运用闸门调度的方式改善水环境;江涛等[8]模拟分析了枯水期沙口、石啃闸泵联合引水情景下佛山水道的水质改善效果,探讨了闸泵联合引水对水质的影响及其相应的水动力学问题;张永勇等[9]将闸坝水量水质优化调度模型嵌入SWAT 模型中,从流域尺度上探讨了闸坝水量水质联合调度模式。上述研究中都运用了闸泵调度的方法改善水质,以点源方式考虑集中排放污水,但对面源的模拟方法少有深入讨论;对河网内部密布的闸泵工程及其调度原则大多做概化处理,难以精细考虑各工程的作用与影响;闸泵的调度目标一般只考虑总引水量和引水时间的变化,较少考虑河网区域内部的水位、水质状况进行动态综合调控,因此河网水量水质数值模型的计算精度将会受到较大影响。

笔者依托苏州城市中心区复杂河网,建立河网一维水动力-水质数值模型,分类考虑点源和面源的分布以及河网内部全部闸泵工程的调控作用,进行闸泵的动态调控。通过模拟结果获得了区域水环境分布与演变规律,提出改善水环境的闸泵调度方式,并验证了其合理性及实用性。

1　模 型 建 立

1.1控制方程与数值方法

一维水动力模型的控制方程是圣维南方程组[10],由连续方程和动量方程组成。

连续方程:

(1)

动量方程:

(2)

式中:x——空间坐标,m;t——时间坐标,s;A——过水断面面积,m2;Q——断面流量,m3/s;h——水位,m;q——旁侧入流流量,m3/s;K——流量模数,m3/s;g——重力加速度,m/s2。

河网水环境模型的控制方程为一维对流扩散方程,其基本假定:物质在断面上完全混合;物质守恒或符合一级反应动力学(即线性衰减);符合Fick扩散定律,即扩散与浓度梯度成正比。一维对流扩散方程为

(3)

式中:C——质量浓度,mg/L;D——纵向扩散系数,m2/s;C2——源或汇质量浓度,mg/L;Kp——线性衰减系数,1/d。

图1　河网概化结果及水工调控工程分布Fig. 1　Generalization results of river network and distribution of hydraulic projects

水动力模型的控制方程采用Abbott六点中心隐式差分格式[11]进行离散,该离散格式按顺序交替计算水位或流量。对流扩散方程采用时间和空间中心隐式差分格式进行离散,其稳定条件是Courant数小于1,因此模型计算时间步长取30 s,空间步长取70～500 m不等。方程的求解方法采用“追赶法”。

1.2河网的概化

本文依托苏州城市中心区建立数值模型。模拟区域东部以常台高速公路附近的控水建筑物为界,西侧和南侧以大运河为界,北侧以沪宁高速公路附近的控水建筑物为界,总面积约70 km2。依托上述公路和运河,形成相对独立的计算区域,区域与外部环境以19个枢纽相连接。以该区域80条河道(包括断头浜)组成的河网结构及45项水工调控工程如图1所示。

1.3污染源的处理

污染源分点源和面源。点源包括工业污染点源和污水处理厂点源, 模型中对面源污染进行了定量模拟。该区域面源主要考虑未经污水处理厂处理的超额生活污水的排放,采用式(4)～(6)进行估算。

(4)

(5)

(6)

1.4内边界的处理

在水动力计算过程中,堰、闸作为内边界一般根据闸上闸下2个节点的水位差来计算过闸流量Q。闸上下游节点之间的河段在计算过程中要进行特殊处理,由水流连续性条件式(7)和闸门出流公式(8),联合河网方程组隐式求解。

(7)

(8)

式中:Qa、Qb——闸上和闸下节点的流量,m3/s;σs——闸孔淹没出流系数;μ——闸孔自由出流流量系数;e——闸孔开度,m;b——闸门宽度,m;H0——断面总水头,m;ε——闸门侧向收缩系数。

1.5模型参数的选取

1.6定解条件

2　模 型 验 证

表1　水工调控工程调度方案1详情Table 1　Details of operation scheme using hydraulic projects (Scenario one)

注:未标注的为全天全开

图2　 2014年银杏桥CODMn验证结果Fig. 2　Validation results of CODMn concentration at Yinxing Bridge

图3　2014年来凤桥验证结果Fig. 3　 Validation results of -N concentration at Laifeng Bridge

3　苏州城市中心区水质变化规律

3.1设计调度方案(方案1)下的水质变化规律

图4　1988年各站点水质变化Fig. 4　Fluctuation of water quality at each site in 1988

图5　枯水期质量浓度平面分布Fig. 5　Plane distribution of -N concentration in dry season

图6　丰水期质量浓度平面分布Fig. 6　Plane distribution of -N concentration in wet season

3.2枯水期水质改善方案研究

表2　水质改善调度方案(方案2)详情Table 2　Details of operation scheme for water quality improvement (Scenario two)

注:A15、B1、B4、B5、B10、B11、B12全天全开,其他闸门调度方式不变。

4　结　　论

a. 建立了苏州城市中心区一维河网水环境模型,考虑河网内部全部闸泵等水工调控工程的调度,对污染源进行了详细处理,考虑了超额生活污水的排放。根据实际调度规则结合实测水质资料对模型进行了验证,结果表明模型具有较好的模拟精度,可应用于该地区的水动力与水质模拟。

图7　1988年枯水期不同调度方案下的-N质量浓度Fig. 7　Concentration of -N in dry season of 1988 under different operation schemes

d. 本文方法可应用于其他平原河网地区,所建模型可为平原河网地区水环境调度决策提供支持。

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Simulation of water environment under joint operation of gates and pumps in plain river network area

LI Xiao1, 2, TANG Hongwu1, 2, WANG Lingling1, 2, HU Zijun1, 2, JIAO Chuang1, 2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

plain river network; hydrodynamic and water quality model; joint operation of gates and pumps; calculation of pollution sources; water environment; numerical simulation

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.003

2016-03-15

国家自然科学基金(51239003,51309085);水利部重大公益性行业科研专项 (201501007，201201017)

李晓(1992—),女,河南洛阳人,硕士研究生,主要从事水力学数值模拟研究。E-mail:1058607687@qq.com

王玲玲，教授。E-mail:706584934@qq.com

TV675;X143

A

1000-1980(2016)05-0393-07