南京市高淳区城市水网水环境改善模拟研究

黄金凤，宋云浩，董庆华

(1. 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2. 武汉大学水利水电学院，武汉430072)

0 引 言

近年来，随着城镇化进程的加快、经济的快速发展，导致城市水系现状十分严峻，如水质恶化、生态功能退化等[1]。于此同时，也导致河湖水系连通格局与状况发生了重大变化，部分地区产生了连通性减弱、水资源与水环境承载能力不足、洪水宣泄不畅、水安全风险加大等问题，已经成为人水关系不和谐的重要表现，成为影响经济社会可持续发展、水生态系统健康的关键制约因素[2-4]。河湖水网作为水资源调配，水生态修复和改善、水灾害防御的重要手段[5,6]在国内外得到了广泛应用。科学利用水网中的闸门、泵站等控制建筑物调节雨洪资源，实现雨洪资源优化利用，是发挥水网综合效益的关键[7]。

南京市高淳区西部水网密布、水系发育，是首批国家级生态示范区，然而随着经济的发展，区域流域水系水质恶化，无法达到相应水功能区水质目标，水质恶化严重制约了高淳区生态文明建设与经济发展。本文章选取南京市高淳区西部圩区主要河流为研究对象，研究区内主要水系连通之后，在枯水年(95%保证率)保障区域防洪安全、生态基流的基础上，雨洪资源最大化利用对区域水环境的改善效果分析。

1 研究区概况

研究区域位于高淳区西部，涉及阳江镇、砖墙镇、淳溪镇、古柏镇、漆桥镇、桠溪镇6个城镇，水域面积约24.3 km2；高淳区河湖水系连通涉及固城湖、水阳江、水碧桥河、石固河、官溪河、胥河，其中固城湖是高淳区饮用水水源地(见图1)。水质改善研究仅涉及固城湖、水碧桥河、石固河、官溪河，其中水阳江、胥河仅作为边界调控闸坝运行。

近些年来，随着城镇化进程的加速及工业发展，研究区域内点源排放量大；研究区域内水资源丰富，养殖业及水稻种植业繁荣，面源污染也较严重；大量污染物排入研究水体，导致污染物承接量远大于其纳污能力。通过分析当地实测水质数据，固城湖水质相对较好，水质类别以Ⅱ～Ⅳ类为主；固城湖西圩区主干河道(水碧桥河、石固河)次之，水质类别以Ⅲ～Ⅴ类为主；官溪河水质较差，水质类别以Ⅳ～Ⅴ类为主；污染因子主要为COD、NH3-N。

图1 研究范围示意图Fig.1 Research scope

2 研究方法

2.1 模型概况

MIKE系列模型结构清晰、界面友好、考虑涉水要素全面，在河口、河流、河湖水网模型构建方面应用广泛[8,9]，本文章采用由丹麦水利研究所(简称DHI，下同)独立开发的MIKE11/21/FLOOD来搭建高淳区水碧桥河、官溪河、石固河、水阳江、胥河、固城湖水动力、水质(对流扩散)模型。MIKE11/21/FLOOD包含水动力、对流扩散、水环境等多个模块，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能方便灵活地模拟复杂河网的水流特性，模拟闸门、水泵等水工建筑物的运营调度，是目前世界上应用最为广泛的软件之一，其中水质(对流扩散)模块基于水动力模块建立。

研究区域内河流均采用一维水动力水质模型；固城湖湖面面积较大，平均水深约在3 m左右，属于宽浅型湖泊，采用平面二维水动力水质模型；最终通过MIKE FLOOD进行耦合计算。

2.2 模型原理

(1)水动力模块(HD)。一维水动力模型方程组[10]为：

(1)

式中：x为笛卡尔坐标系坐标，m；g为重力加速度，m/s2；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；R水力半径，m；C为谢才系数，m1/2/s；Q为流量，m3/s；q为旁侧入流量，m3/(s/m)；h为水位，m;α为动量修正系数。

上式中第一个方程为质量守恒方程，第二个方程为动量守恒方程。

二维非恒定浅水运动方程组[11]为：

(2)

式中：t为时间,s；x、y为笛卡尔坐标系坐标，m；h水深为，m；η为水位，m；d=η-h，m；u、ν分别为x、y方向上的速度分量，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρ为水的密度，kg/m3;C为谢才系数，m1/2/s；τxx、τxy、τyy分别有效剪应力分量，N/m2；S为源项，m3/(s/m2)；Ω为科氏力系数，s-1；f(V)是风摩擦力系数；V、Vx、Vy分别为风速及风速分量，m/s；Pa为大气压，kg/(m/s2)；p=hu，q=hν。

(2)对流扩散模块(AD)。

一维对流扩散方程为[12]：

(3)

二维对流扩散方程为[13]:

(4)

式中：C为污染物浓度，mg/L;Q为河道流量，m3/s;A为过水断面面积，m2;t为时间，s;x、y为笛卡尔坐标系坐标，m；Dx、Dy为河道x、y方向上的污染物扩散系数，m2/s，K为污染物的衰减系数，s-1；C2为旁侧入流的污染物的浓度，mg/L；q为旁侧入流，m3/(s·m);u、ν分别为x、y方向的流速，m/s;h为水深，m;QS为源项入流，m3/(s·m2)；CS为源项浓度，mg/L。

3 模型构建

(1)水动力模块(HD)。模型概化：收集研究区域的湖泊地形、河道断面等数据，利用MIKE生成河网文件(河网连接见图1，固城湖网格划分见图2)。

边界条件：根据实测数据，主要参数设定如下：固城湖初始水位9.5 m；水碧桥河、官溪河、石固河与固城湖在模型中为标准连接；糙率取0.03；河床阻力取0.32 m1/3/s；河流上游采用95%保证率枯水年下的日流量过程，下游采用95%保证率下的日水位过程。

控制建筑物及调度规则：根据研究需要，本模型主要设定的控制建筑物包括水碧桥闸、杨家湾闸、杨家湾泵站、蛇山泵站；蛇山闸、茅东闸在模型中一直处于关闭状态。本次研究主要包括两种工况(见表1)，雨洪资源最大化利用工况是指在枯水期保证生态基流、丰水期保证区域防洪安全的前提下，科学利用水网中的闸门、泵站等控制建筑物，调节雨洪资源尽可能多地补给区域生产、生活用水，发挥水网综合效益。

图2 固城湖网格划分示意图Fig.2 mesh generation of Gucheng Lake(right)

图3 水碧桥河、石固河、官溪河代表断面示意图Fig.3 Typical cross-sections of Shuibiqiao River、Shigu River、Guanxi River

表1 控制建筑物调度规则设定Tab.1 Regulation principles of control structures

河流生态基流根据现状污染物入河情况，依据《水域纳污能力计算规程 SL348-2006》中的河流一维模型计算90%保证率下，为保证研究区域内河流COD、NH3-N达到《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》规定的地表水Ⅲ类水质标准所需要的基础流量，计算结果见表2。兰林等[14]研究提出固城湖湖泊需控制水位7.0 m以上，以防止出现生态灾难；固城湖是高淳区的饮用水水源地，取水能力10 万m3/d，取水口位于固城湖大湖区红砂嘴处，设计最低取水水位7.03 m；综合分析，固城湖最低水位应为取水口最低取水水位7.03 m。

表2 河流生态基流表Tab.2 Ecological basic flow of rivers in study area

(2)对流扩散模块(AD)。对流扩散模型在模拟过程中需要在水动力模型的基础上准备以下文件:边界文件、模型参数文件。研究区域内水体主要超标因子为COD、NH3-N，因此本次水质分析主要对COD、NH3-N进行模拟分析；其污染主要为外源污染。

边界文件：主要包括源汇项和开边界的水质浓度，模型的计算以参考《高淳区水生态文明建设实施方案》，考虑社会经济发展、截污减排之后,在保证水体基础流量、防洪安全、雨洪资源最大化利用的基础上，分析河流湖泊水环境的改善效果分析。根据分析，污染物入河量如下表3，排污口设置见图1。

表3 计算断面污染物入河量Tab.3 Inflow of pollutants

参数文件：主要包括模拟污染物的基本信息，初始浓度，对流系数，扩散系数，附加输出结果等。其中综合衰减系数及污染物扩散系数参考河海大学逄勇教授关于江苏省水环境容量计算的实验值[15]，结合《高淳区水生态文明建设实施方案》中的值确定，污染物综合衰减系数COD为0.15 d-1，氨氮为0.05 d-1；扩散系数为20 m2/s。上下游边界处水质浓度主要根据水质监测数据输入。

4 结果与分析

通过《高淳区水生态文明建设实施方案》，水质改善涉及水域水功能区水质目标如表4所示。

(1) 现状实际调度工况。河流：通过模拟分析，三条河流全河段COD全年满足Ⅲ类水水质目标要求，三条河流入湖口COD全年可达到Ⅱ类水浓度，具体如图4所示。石固河排污口以下3 km范围内，有33%的时间NH3-N仅达到Ⅳ类水浓度；官溪河排污口以下1 km范围内，有24%的时间NH3-N仅达到Ⅳ类水浓度；三条河流其他河段、其他时间NH3-N均可满足Ⅲ类水水质目标要求；官溪河、水碧桥河入固城湖湖口NH3-N全年满足Ⅲ类水水质目标要求，石固河入湖口NH3-N达标率为98%；具体如图5所示。

表4 研究区域水功能区水质目标表Tab.4 Water quality objectives of water functional areas in study area

图4 现状实际调度工况河流入湖口断面 COD浓度分布(1986年)Fig.4 Concentration of COD at the entrance cross-section of Gucheng Lake under current regulation principle

图5 现状实际调度工况河流入湖口断面 NH3-N浓度分布(1986年)Fig.5 Concentration of NH3-N at the entrance cross-section of Gucheng Lake under current regulation principle

固城湖：通过模拟分析，固城湖COD全年几乎全湖泊可满足Ⅱ类水水质目标要求，NH3-N全湖大面积水域可满足Ⅱ类水水质目标要求，最不利分布时刻分别见图6。

图6 现状实际调度工况下湖泊COD、NH3-N浓度最不利时刻分布Fig.6 Concentration of COD and NH3-N in Gucheng Lake at the worst moment under current regulation principle

(2) 雨洪资源最大化利用工况。河流：通过模拟分析，三条河流全河段COD全年满足Ⅲ类水水质目标要求，三条河流入湖口COD全年可达到Ⅱ类水浓度，具体如图7所示。石固河排污口以下2 km范围内，有21%的时间NH3-N仅达到Ⅳ类水浓度；官溪河排污口以下1 km范围内，有15%的时间NH3-N仅达到Ⅳ类水浓度；其他河段全年水质均可满足Ⅲ类水水质目标要求；官溪河排污口以下1 km范围内，有15%的时间NH3-N仅满足Ⅳ类水水质目标要求；三条河流其他河段、其他时间NH3-N均可满足Ⅲ类水水质目标要求；官溪河、水碧桥河入固城湖湖口NH3-N全年满足Ⅲ类水水质目标要求，石固河入湖口NH3-N达标率为98%；具体如图8所示。

图7 雨洪资源最大化利用工况下河流入湖口断面 COD浓度分布(1986年)Fig.7 Concentration of COD at the entrance cross-section of Gucheng Lake under optimized regulation principle

图8 雨洪资源最大化利用工况下河流入湖口断面 NH3-N浓度分布(1986年)Fig.8 Concentration of NH3-N at the entrance cross-section of Gucheng Lake under optimized regulation principle

固城湖：固城湖COD全年几乎全湖泊可满足Ⅱ类水水质目标要求，NH3-N全湖大面积水域可满足Ⅱ类水水质目标要求，最不利分布时刻分别见图9。

图9 雨洪资源最大化利用工况下湖泊 COD、NH3-N浓度最不利时刻分布Fig.9 Concentration of COD(left) and NH3-N(right) in Gucheng Lake at the worst moment under optimized regulation principle

(3) 结论分析。通过模拟分析，两种工况下，三条河流全河段COD、水碧桥河全河段NH3-N均能达到Ⅲ类水水质目标。但是官溪河、石固河排污口下游3 km河段内，雨洪资源最大化利用工况下，河段水质达到地表水Ⅲ类水水质要求的比例均大于现状实际调度工况；河段水质不达标比例均小于现状实际调度工况，具体分析见图10、图11。两种工况下，固城湖水质均能满足地表水Ⅱ类水水质要求，通过对比，雨洪资源最大化利用工况相比于现状实际调度工况而言，水质相对更好的湖域面积更多。

图10 不同工况官溪河不同河段水质不达标比例Fig.10 The ratio of substandard water quality along Guanxi River under current and optimized regulation principle

图11 不同工况石固河不同河段水质不达标比例Fig.11 The ratio of substandard water quality along Shigu River under current and optimized regulation principle

5 结 论

通过建立水碧桥河、官溪河、石固河、固城湖对流扩散模型分析，相比现状闸坝调度工况，雨洪资源最大化利用工况不仅可以优化当地水资源调配，更好利用雨洪资源满足区域用水需求，还可通过提高河湖枯期水量，提高河湖枯期纳污能力，从而提高区域水质。综合来看，在本研究区域内的，河湖水网可通过水量调配，改善高淳区水体水质。

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