基于水动力-水质同步原型观测的城市生态补水方案研究*

张小稳1 刘国庆 范子武

(1.无锡市防汛防旱指挥部办公室，江苏 无锡 214032；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

随着太湖水环境综合治理的大力推进，无锡市政府近年来持续开展水环境治理工作，通过节水减排、控源截污、废污水收集处理、调水引流以及黑臭河道治理等一系列工程和管理手段的实施，实现了全过程污染防控，水环境质量明显改善[1-2]。但是从现状水环境来看，主城区河道由于多年来受工业、生活污水及农业面源污染的影响，市区70%以上的河道水质劣于Ⅴ类，仍然是典型的水质型缺水城市，水环境改善已成为无锡市提高城市品位、满足人民群众对美好生活的需求的关键瓶颈[3]。

1 研究区概况

无锡市城市防洪大包围位于运河以东的中心城区，其范围西至锡澄运河，南沿京杭运河，东以白屈港控制线为界，北至锡北运河，面积约136km2[4]。2003年无锡市开始实施城市防洪工程建设，2008年底建成，包括仙蠡桥枢纽、江尖枢纽、伯渎港枢纽、九里河枢纽、利民桥枢纽、北兴塘枢纽、严埭港枢纽、寺头港节制闸8个水利枢纽、32km堤防以及11座小口门建筑物。

大包围水系以东西方向河道为主，包括北兴塘、九里河、伯渎港等；南北方向河道主要有白屈港、桐桥港、东亭港-江溪港-旺庄港等，水域面积比例为9.1%。该区域属于高城镇化平原河网地区，人口密集、经济发达、污染负荷重，河道流速平缓、自净能力差，多年来区域水环境较差。主干河道中伯渎港、桐桥港、东亭港-江溪港-旺庄港等水质为劣Ⅴ类，北兴塘、九里河、白屈港等水质在Ⅴ类左右。为提升区域河道水动力条件，增强水体自净能力，改善河网水质，本研究构建基于一维水动力精细化河网数学模型开展研究，结合原型观测，制定主城区生态补水方案，实施后取得了良好成效。

2 模型构建

2.1 模型构建原理

InfoWorks ICM的水力计算采用完全求解的圣维南方程模拟明渠流，对于超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法，能够仿真各种复杂的水力状况。各水力设施真实反映水泵、孔口、涵洞、闸门、调蓄池等构筑物的水力状况。河网水体流动具有明显一维特征，采用1D河网模型，求解应用St.Vennant方程组描述[5-6]。

连续方程：

(1)

运动方程：

(2)

2.2 模型构建过程

2.2.1 断面数据导入

河道断面是一维河网模型计算的基本要素，无锡大包围模型中河道断面创建有两种方式：针对实测断面数据，首先将断面数据整理成ICM软件需要的标准格式，从软件数据导入中心，将河道ID及河道断面数据表导入模型，并对其进行检查和修正，使其垂直于河道中心线。在模型构建过程中，对于河网交叉河道连接点，泵站、水闸连接点需要线性内插断面。

2.2.2 断面创建与河道连接

河道断面导入模型后，新建break点，对照编制区域的影像或水系底图，建立河道中心线，并以线创建断面，河道断面创建完成后，根据区域水系特点及水流方向，完成河网连接。

2.2.3 创建水利工程及调度规则

模型构建中水工建筑物主要包括闸门、泵站和涵洞等，这些水工建筑物创建于断面之间，其中，闸门、泵站、涵洞都是以线型对象概化。对象创建之后，对建筑物进行参数赋值，包括闸门、涵洞的尺寸参数及过流计算参数，泵站的数量、水泵流量扬程曲线等，图1(c)中黑色矩形为水闸，蓝色三角形为泵站。模型网络构建完成后，对模型中构建的水利工程，包括闸门、泵站以及涵洞的调度逻辑进行编写。无锡运东大包围模型构建过程见图1。

图1 河网模型构建过程

2.3 模型率定验证

2.3.1 模型参数选取

a.空间步长:无锡大包围一维模型根据断面资料采用不等间距的节点布置，实测河道断面间距约为100m，模型计算步长为100m。

b.时间步长:为满足模型计算稳定性和精度的要求，通过模型计算调试，时间步长采用60s。

c.河道糙率:河道糙率取值主要参考《水力计算手册(第二版)》(2006年)、《无锡市城市防洪规划》(2015年)、《无锡市排水(雨水)专项规划(2012—2020)》(2014年)、《无锡市城市防洪规划》《无锡市城市排水与防涝综合规划》以及《无锡市梁溪区水系规划(2017—2030)》(2018年)等相关文献中有关人工渠道以及本区域河道的经验值，初步取值范围为0.02～0.04。

2.3.2 模型率定验证方法

模型的率定验证主要用于调整模型中的相关参数以提高模拟结果的精确度。一维模型中的主要影响因子包括空间步长、时间步长以及河道糙率等[7-9]。利用2018年5月9日8∶00至5月10日8∶00的时段数据进行模型率定，采用Nash-Sutcliffe系数NSE和确定性系数R2对模型有效性进行评定：

(3)

(4)

2.3.3 模型率定验证

本次模型率定验证采用的内部监测断面分布均匀，能够充分反映区域范围内河网水动力变化过程。其中，模型率定选取的区域内部站点为东亭港、转水河、跨塘桥、环城河。模型率定结果表明，选取的4个率定站点其计算水位序列和实测水位序列最大绝对水位误差均小于4cm，见图2，NSE系数均大于0，表明模式质量好或者模拟结果接近观测值的平均值水平，相关系数R2结果表明相关性中等偏上，即模型结果总体可信，见表1。

图2 水位数据率定结果

表1 率定验证结果分析

3 生态补水方案

3.1 水源选择

大包围外围水源主要有白屈港、大运河、梁溪河、锡澄运河及望虞河等。其中大运河、锡澄运河来水水质较差不适宜作为引水水源；梁溪河来水水质较好但夏季受太湖蓝藻影响，仅冬季可以使用；望虞河来水水质较好但流量较小；白屈港来水水质较好且流量充足。由于本次补水方案验证在冬季进行，因此选取梁溪河、白屈港作为水源。

3.2 方案制定

根据选取的水源，利用构建的数学模型，进行生态补水方案计算。计算结果综合考虑大包围内水体的流动性，水质改善效果及工程调度的可实施性，制定了大包围内8大枢纽调度方案。其中江尖枢纽、北兴塘枢纽、九里河枢纽、寺头港节制闸关闭，严埭港枢纽开闸引水，仙蠡桥枢纽地涵打开引梁溪河水进城，伯渎港枢纽、利民桥枢纽各开机一台排水，补水路线见图3。

3.3 水动力-水质同步原型观测

3.3.1 水质取样点选取

针对大包围河网特点和本次现场原型观测试验的目标，在引水主通道及支流河道的分流处布置了6个水质观测与取样断面，见图4。其中，严埭港枢纽圩内引水口、仙蠡桥枢纽引水口为主要的入流水质边界，可代表水源的水质变化过程；河网内部重点关注东亭港、跨塘桥以及出水口利民桥闸内、伯渎港闸内水质，分别在对应的入流断面和出流断面布设监测取样点，获得对应断面处各项水质指标随时间的变化过程，为评估调水效果以及调水过程中水质的改善规律提供完整的数据支撑。监测指标主要包括pH值、温度、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等。

图3 补水路线图

图4 水质监测站点图

3.3.2 水质结果分析

水质监测结果见表2、表3，严埭港进水口水质稳定，在Ⅳ类左右；仙蠡桥进水口水质在Ⅲ类左右；跨塘桥、利民桥出口水补水前水质是劣Ⅴ类，补水后水质提升至Ⅲ类；锡兴路(东亭港)、伯渎港出口水质虽未有级别上的提升，但各指标浓度均有所降低。

表2 生态补水前取样点基底水质

表3 生态补水后取样点水质

4 结 论

通过前期的资料收集、现场踏勘、模型构建、方案制定及现场验证，利用大包围枢纽工程，连续调水引流入城，大包围内骨干河网水质显著提升，调水过程中不同点位水质改善效果存在一定的差异。从本次试验条件的结果来看，跨塘桥、利民桥出口改善效果最好，补水试验结束后水质由劣Ⅴ类提升至Ⅲ类，锡兴路(东亭港)、伯渎港枢纽出口水质虽然没有级别上的提升，但各项指标浓度均有所改善。生态补水试验结束后片区内水质出现反弹，表明大包围内控源截污还存在缺陷，需进一步完善。