基于数值模拟的嘉兴市区河道水质优化调度方案

张海军，马永法，叶 萍，彭卫西，陆珊珊，杨金珠，张海平

(1.嘉兴市水利水电勘察设计研究院，浙江嘉兴 314001；2.嘉兴市水利投资有限公司，浙江嘉兴 314033；3.丹华水利环境技术〈上海〉有限公司，上海 200235；4.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

杭嘉湖东部平原地区河网密布，交错纵横，水力坡降较小，且河道具有航运、输水、景观、防洪排涝、灌溉供水等多种功能，其中，河道的水生态功能在社会发展过程中承担着重要作用。随着区域人口增长及社会经济的不断发展，对水清岸绿的生态环境需求也与日俱增，然而，水环境承载负担过重成为了常态，水环境质量差等问题也是尤为突出[1-4]。水量水质联合调度是实现社会经济与生态环境协调发展的有效举措，是当今国内外水科学的前沿和热点之一[5]。现有研究与实践成果表明，在进行源头截污纳管的同时，利用水利工程设施实施引排水，在来水稳定的情况下，能有效促进水体有序流动，提高水体自净能力，是改善河道水环境的有效手段之一。李雁鹏等[6]应用MIKE 11模型研究苏州横泾街道南片的河道水生态修复方案，预测并量化了各组合修复方案对水环境的改善效果，为农村河道生态修复方案优选提供数据支持。樊智等[7]应用MIKE 21水动力水质模型，研究东太湖吴江应急水源地的涵闸调度规则，综合考虑水质优化、控藻和运行成本，制定一套全年调度方案，为应急水源地的调度管理提供支持。黄琳煜等[8]应用MIKE 11对世博园区浦东片白莲泾区域河道进行水量水质模拟，研究河网水利要素的时空变化过程，为制定调水方案及开发水资源环境管理决策支持系统提供科学依据。顾珏蓉等[9]应用MIKE 11模型系统建立了以苏州河及其支流为重点的全市感潮河网水动力数学模型，将上海市河网水系划分为14个水利片,分片考虑区域降雨径流对河网水量的影响。目前，嘉兴市区换水调度主要是运行城市防洪工程设施，利用外部水体对市区河道实施换水，但基本凭经验调度，缺乏科学性及系统性，且尚未形成长效机制。本文围绕嘉兴市区河网水质水量优化调控方案的编制，构建一维河网水动力水质耦合模型，分析评估现有调水方案的效果，并进行优化完善，为嘉兴市区河网水质的进一步改善提供科学支撑。

1 研究区域概况

嘉兴市地处长江三角洲太湖平原东缘，属亚热带季风区，多年平均降雨量为1 193.5 mm，年平均蒸发量为863 mm，汛期4月—10月约占全年降水量的73%。嘉兴市域河道纵横，市区主干河道呈“三环、八放射”的形态，新塍塘、苏州塘、长纤塘、平湖塘、嘉善塘、海盐塘、长水塘、杭州塘八大河道呈放射状均匀分布，环城河、中环河、外环河呈环状与城市八大水系相交。随着市区截污纳管、雨污分离措施的不断完善，市区河道水环境质量不断趋好，基本稳定在Ⅲ～V类水体。嘉兴市区城市防洪工程大包围西以东环河为界，南接南郊河，北、西与北郊河杭州塘相邻，面积为103.72 km2，沿线堤防为52 km，共有5座排涝枢纽及46座节制闸(图1)。2011年起，嘉兴利用城市防洪工程设施实施定期河道换水，通过排涝机组调节内河水位使嘉兴市区河水形成一个固定流向，从而引入活水、排出滞留水与污水，并加快河水流速，以此来达到引流入内带走污水死水、改善水质的目的。

2 模型构建

基于嘉兴市最新水文、水质与河床地形资料，应用DHI开发的MIKE 11软件，构建嘉兴市区河道的一维河网水量水质耦合模型。

图1 嘉兴市区城防工程布置图Fig.1 Layout of Urban Flood Control Projects in Jiaxing City

2.1 河网概化

以嘉兴市区城市防洪工程大包围为边界，概化河道总长为177 259 m，256条河道，包括27条主干河道、82条次干河道、8条外江河道及主要湖泊；概化水面占实际水面90%以上，实测断面745个，并包括5座排涝枢纽及46座节制闸(图2)。模型边界采用实测水位和水质数据。

注：圆点为水工建筑物图2 河网概化Fig.2 Modeling River Network

2.2 水动力模型

MIKE 11 水动力学模型(HD)基于垂向积分的物质和动量守恒方程组，即一维非恒定流Saint-Venant方程组模拟河流或河口的水流状态[8-10]，如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：A——过水断面面积，m2；

Q——流量，m3/s；

q——旁侧入流量，m3/(s·m)；

t——时间坐标，s；

x——距离坐标，m；

g——重力加速度，m/s2；

h——水位，m；

1.1 一般资料 采用方便抽样的方法，抽取全院所有N2层级护理人员，排除特殊原因不能参加培训考核者共769名，工作时间2012～2015年，2012年197名、2013年150名、2014年189名、2015年233名。

R——水力半径，m；

C——谢才系数，m1/2/s。

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解。该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

2.2.2 模型率定

利用2017年和2018年嘉兴杭站的水位进行率定(图3)，河道水位模拟误差平均值为3.4 cm，不超过5 cm，水位模拟效果比较准确，变化趋势一致，满足本次水动力模型的要求，能够为下一步的水质模型提供基础。

图3 模拟与实测水位比较 (a)2017年；(b)2018年Fig.3 Comparison of Simulated and Measured Water Level (a)2017; (b) 2018

2.3 水质模型

2.3.1 水质模型构建[6,11]

基于MIKE 11 HD模块产生的水动力条件，应用MIKE 11 AD对流扩散模块分析研究河道水质因子在不同工况下的浓度扩散情况，如式(3)。

(3)

其中：C——模拟的物质浓度，mg/L；

Ex——纵向扩散系数，m2/s；

K——衰减系数，1/d；

C2——源汇项浓度，mg/L；

2.3.2 模型率定

利用2017年1月—12月的水质监测数据进行模型率定，率定指标为CODMn、NH3-N、TP，率定的点位为嘉兴市区范围内市中心水质监测断面及市控及省控水质监测断面，共26个。比较模拟值与实测值发现，以实测值的30%作为许可误差，河道水质浓度的模拟准确率达到86.7%，较好反映了市区河道水质变化特征。图4为塘汇断面的率定结果。

图4 塘汇断面模拟与实测水质浓度比较 (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TPFig.4 Comparison of Simulated and Measured Concentrations at Tanghui Station (a)CODMn；(b)NH3-N；(c)TP

3 方案模拟与结果分析

3.1 评价指标

采用地表水综合污染指数(P)来表征水环境质量，比较各调水方案的优劣。以市区9个省市控断面(石臼漾水厂、龙凤大桥、塘汇、南湖中心、北运桥、长征桥、南门水厂、倪家汇、人中浜)的溶解氧、高锰酸盐、BOD5、NH3-N、TP、CODCr指标计算P值。

(4)

(5)

其中：Ci——模拟水质浓度，mg/L；

Si——该水质指标的标准值，mg/L；

Pi——相应类别的标准值，mg/L。

3.2 模拟方案

3.2.1 现状调度方案

目前，嘉兴城防工程的常规水动力调度方式为：(1)关闭大包围城市防洪工程沿线各闸门，保留杭州塘闸门少量开度；(2)分别启动穆湖溪泵站、三店塘泵站、平湖塘泵站，使市区河道水流形成自西南向东北梯降流向；(3)西南片分别开启孙家港闸、曹庄桥北闸、曹庄桥闸、来龙港闸、钟家港南闸、钟家港东闸、杨家浜闸、隆兴港闸、马塘泾闸、众兴桥闸、顾家桥闸、横港闸、月河桥闸、长水塘南闸，西北片分别开启杭州塘闸、雁泾港闸、刘家浜闸。

3.2.2 优化调度方案

优化的调度方案需满足如下原则：(1)具备长效运行的条件；(2)可操作性强，适应外部各种不同水情；(3)周期较短、市区连通河道水质改善效益明显；(4)考虑市区河道的通航情况；(5)河道流速不超过冲刷流速。基于上述原则，参照现状城防工程水动力调度方案，设置多种调度情景，进行多方案比选和模拟。

4 结果与讨论

当入境水质优于市区河道水质时，理论上调水流量越大，调水的效果就越好。考虑到嘉兴城防工程现有泵站排水能力、能耗及河道冲刷流速，通过与当地水利部门沟通，确定各水利枢纽换水时以开启4台水泵较为造宜。从近几年的实测水质资料分析，嘉兴城区西南侧的入境水质总体上优于东侧的入境水质，因此，新的优化调度方案拟从西南侧引水(月河桥闸至长水塘闸一带)。另外，市区各区域河道水质不一，因此，调水的路径、流量及实施周期对整体换水效率和效果的影响极大。

分析比较多方案模拟结果，最终得到如下优化调度方案：(1)打开月河桥闸至马塘泾闸闸门，长水塘开启30 cm，沿线其他闸门关闭，同时，打开穆湖溪枢纽和三店塘枢纽各2台泵(单泵为12 m3/s)，共48 m3/s；(2)运行8 h后，穆湖溪枢纽和三店塘枢纽各关闭1台水泵，同时，打开平湖塘枢纽1台水泵(单泵为12 m3/s)；(3)持续运行8 h后，关闭穆湖溪枢纽或同时关闭穆湖溪枢纽三店塘枢纽，打开茶士浜至倪家浜沿线水闸，以改善东南片区的次干河道水质。通过对2015年—2019年连续5年的模拟，分析市区9个省市控断面在无调度、现状调度方案与优化调度方案条件下的地表水综合污染指数P，如表1所示。由表1可知，现状调度方案的水质改善效果在0.60%～10.1%，平均为3.8%；优化调度方案在现状调度方案基础上可进一步改善市区河道水质，改善效果在1.60%～11.4%，均值为6.3%，与无调度方案相比，水质改善效果平均达到9.8%，效果显著。

表1 不同模拟工况的水质改善效果(P值)Tab.1 Effect of Water Quality Improvement in Various Simulation Scenarios (P Values)

5 结论

(1)应用MIKE 11模型构建了精细的嘉兴市区河网水质水量耦合模型，模拟水位误差平均为3.4 cm；以实测值的30%作为许可误差，河道水质浓度的模拟准确率达到86.7%，模型精度较高，可为市区水质优化调度方案研究提供支撑。

(2)通过对2015年—2019年的模拟分析，现状调度方案的水质改善效果在0.60%～10.1%，平均为3.8%。

(3)提出了优化调度原则与实施方案，该方案在现状调度方案基础上可进一步改善市区河道水质，改善效果在1.60%～11.4%，均值为6.3%，与无调度方案相比，水质改善效果平均达到9.8%，效果显著。