基于太湖流域模型的國控斷面水質達標方案研究

陳 凱，鄭世威，彭小情，趙鵬軒，李宥霖，李小寧

(1.南京慧水軟件科技有限公司，江蘇 南京 210036；2.海盈生態環境研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 210009；3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；4.江蘇大學環境與安全工程學院(應急管理學院)，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

針對我國當前存在的水環境質量差、水生態受損重、環境隱患多等問題，國務院于2015年頒布了《水污染防治行動計劃》(以下簡稱“計劃”)以切實加大水污染防治力度，保障國家水安全[1]?！队媱潯妨η笸ㄟ^10個方面的措施，使得2030年時七大重點流域水質優良比例達到75%以上，地級及以上城市建成區黑臭水體基本得到消除[2-3]。城市水環境是城市生態系統中最活躍、影響最廣泛的要素，是城市居民健康生活的必需品，是產業生產中不可替代的重要資源。城市河流水系是部分物種和生物流動的載體，承擔著保持自然環境生態平衡、調節微氣候等多項生態功能，還為居民提供旅游與休閑娛樂場[4]。目前，我國城市水體污染嚴重，流經城市的河段普遍受到污染，嚴重威脅人民群眾身體健康，雖然一些地方已經采取不同措施，開始城市水環境治理，也取得了階段性成效，但城市河段水環境狀況仍非常嚴峻。因此，我國城市水環境仍存在眾多問題，亟需開展水質監測和提升策略研究以確保達到治理的目標[5]。

針對河道國控斷面水質及斷面生態流量問題，國內外眾多學者也都對此有著較為深入的研究，并取得了一系列成果[6-8]。鮑琨[9]等通過建立控制斷面水質與其上游的概化排污口污染源之間的響應關系，得出斷面水質達標時各概化排污口的削減量；孫衛紅[10]等基于不均勻系數的水環境容量計算方法，對廣東鑒江非感潮河流進行了研究；朱曉娟[11]通過對松花江干流水質污染現狀及污染源的分析，提出了松花江干流環境容量優化配置方案。李曉瑛[12]等對長江口徐六涇國控斷面2014—2018年的數據進行分析后選擇氨氮、總氮、總磷等6項水質因子數據來評估水質情況，并構建了BP神經網絡模型來預測徐六涇國控斷面的水質達標比例。王雪峰[13]以大連市登沙河流域為研究對象，利用QUAL2K水質模型模擬氨氮和總磷的遷移轉化過程并基于國控斷面水質目標反推了上游監測斷面的管控標準。高亞洲[14]等研究了春節初期雨水對珠江流域某國控斷面水質的影響規律并系統梳理了初期雨水防控的要點，為保證國控斷面水質全年均值達標提供了依據。劉萌斐[15]等系統分析了長江江蘇段某國控斷面水質影響主要因素，從水利調度、控源截污、生態修復、穩定達標四方面提出了水質達標方案為平原閘控區河網國控斷面水質達標提供借鑒。

國控斷面水質影響因素分析和水質達標方案制定仍然是我國水環境保護建設和發展的迫切需求。然而，目前諸多研究側重水質不達標成因分析、達標對策研究等，仍然缺少基于主要影響因子分析、模型模擬、方案評估的全方位系統化研究[2]。因此，通過收集研究區域內水文水質資料分析得出國控斷面水質關鍵影響因子，基于太湖流域模型建立研究區的平原河網水量水質模型并進行率定驗證，從水體有序流動的理念出發，結合區域內工程調度現狀提出工程聯合調度方案并進行評估優選，對改善區域水環境、滿足國控斷面達標要求具有重要的意義。

1 研究方法

基于團隊自主研發的太湖流域模型構建了研究區域的水文-水動力-水質數學模型對不同設計方案效果進行評估。太湖流域模型是以太湖流域為原型案例構建的包含山丘區、平原區、城鎮區的多要素、多尺度、多過程水循環精細化模型。經過40多年的發展，已形成完善的模型理論與架構體系，能解決復雜下墊面水循環、水質、泥沙問題[7]。本文以鎮江市運糧河新河橋國控斷面水質達標為目標，以金山湖和周邊河網為研究區域構建其水文-水動力-水質模型。通過對不同配水方案的計算與分析，為運糧河最小穩定流量分析、金山湖引水流量規模論證、閘泵工程調度方案制定、調水引流控制水位確定以及配水方案效果影響研究等方面提供技術支撐。

1.1 太湖流域模型原理

1.1.1水量模型

(1)零維湖泊模型

對于金山湖這類水面，水流行為的影響主要表現在水量交換，動量交換可以忽略。反映水量交換的指標主要是水位，水位的變化遵循水量平衡原理，即流入湖區的凈水量等于水體內的蓄量增量，計算公式如下：

(1)

式中，Q—時段內的入流量，m3/s；Z—零維湖泊調蓄單元水位，m；AZ—隨水位變化的零維湖泊面積，m2；t—時間，s。

模型中對該方程進行差分離散求解。

(2)一維河道模型

在太湖流域模型中，通過公式(2)描述河道一維水流運動：

(2)

式中，q—旁側入流，m3/s；Q—河道斷面流量，m3/s；A—過水面積，m2；B、Z—河寬和水位，m；VX—旁側入流流速在水流方向上的分量，m/s，一般可以近似為零。K—流量模數，反映河道的實際過流能力；α—動量校正系數，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數。

太湖流域模型中，對上述方程組采用四點線性隱式格式進行離散后求解。

(3)閘泵工程模擬

在太湖流域模型中，堰上的水流可分為自由出流、淹沒出流兩種流態，不同流態采用不同的公式來計算。公式(3)為自由出流計算方法，公式(4)為淹沒出流情景時計算方法。堰、閘、泵不同聯系，采用公式與寬頂堰的水力學公式相似，求解采用局部線性化離散出流量與上下游水位的線性關系或非線性迭代方法求解。

(3)

(4)

式中，B—堰寬；Zd—堰頂高程；Z1—堰上水位；Z2—堰下水位；H0、hs—水位差，H0=Z1-Zd，hs=Z2-Zd，m；m—自由出流系數，取值范圍為0.325～0.385；φm—淹沒出流系數，一般小于1.0。

1.1.2水質模型

(1)零維湖泊水質模型

在水量模型中，將金山湖等湖泊概化為一個零維調蓄節點，所采用的水質模型通用方程如下：

(5)

式中，C—某種水質指標的濃度，mg/L；V—調蓄節點水體體積，m3；S—某種水質指標的生化反應項，g/(m3·d)；Sw—某種水質指標的外部源匯項，g/s。

(2)河網一維水質模型

與河網一維水量模型相對應的一維水質模型通用方程如下：

(6)

式中，A—斷面面積，m2；C—某種水質指標的濃度，mg/L；t—時間，s；Ex—縱向分散系數，m2/s；U—斷面平均流速，m/s；S—某種水質指標的生化反應項，g/(m3·d)；Sw—某種水質指標的外部源匯項，g/s。

1.2 研究區域概況與模型構建

金山湖片區總面積為176.3km2，該區域地形總體上呈南高北低，由南部山丘區逐漸向北部沿江傾斜。區域內降雨量年內分布不均，主要集中在6—9月。運糧河干河共有3個水質監測斷面，其中，新河橋為國控斷面和水功能區監測斷面、永慶橋為省控斷面、戴家門橋為水功能區監測斷面，各斷面的水質監測數據如圖1所示。

圖1 斷面各水質指標監測數據

通過收集2016年1月—2017年12月期間的斷面水質監測數據，發現新河橋監測斷面水質狀況極不穩定，統計分析氨氮、總磷、高錳酸鹽3個監測指標后，發現斷面超標頻次較多，超標率達到70%。其中戴家門橋監測斷面2016年3月的氨氮最高濃度值達到6.5mg/L，因此，將氨氮作為主要的超標因子。

收集研究區域內的河道斷面、湖泊地形資料并進行模型要素處理后，針對水利工程進行概化，基于太湖流域模型構建金山湖及周邊河湖的水量-水質耦合模型，構建模型范圍如圖2所示。

圖2 金山湖及周邊河網耦合模型范圍

研究中構建的金山湖片區水量-水質模型主要包括：3個湖泊零維模型，分別為金山湖、塔影湖和小金山湖；36條一維河道模型；14座閘泵水利工程；3個模型邊界，分別為南京站、鎮江站和江陰站潮位邊界以及4個排口。由于研究區域內收集的13個運糧河閘以東排口和99個高新區內排口大部分為雨水排口且在支流上，因此模型中概化了運糧河干流的4個直排口。根據排口區域、區域內常住人口以及當量污染計算得出排污量平均到4個直排口中，具體數值見表1。

表1 排口濃度值統計表

收集鎮江站1956—2018年共50年長江潮位資料，通過對最高、最低、平均潮位進行統計分析后，選用2014年長江潮位資料作為本次金山湖引水方案計算年型。長江流域水資源保護局重點斷面水質監測資料顯示，長江下游大通到徐六涇段的水質情況良好，其中，2017年全年至2018年4月均能達到Ⅲ類以上，研究中將2017年1月至2018年4月作為模擬時間。分析金山湖2008—2018年水質監測資料發現高錳酸鹽指數與氨氮濃度明顯下降，其中自2010年起，氨氮水質類別由劣Ⅴ類好轉為Ⅲ類，近3年已接近Ⅱ類標準值，氨氮平均值為0.5mg/L。

1.3 斷面水量-水質達標需求分析

研究基于太湖流域模型構建的水量-水質模型模擬新河橋斷面水質來分析計算維持新河橋斷面水質達標最小流量。分析鎮江市環保局提供的運糧河新河橋國控斷面24h監測數據，發現新河橋斷面7月監測水質最差，超標頻次最多，氨氮濃度超標值均值為3.81mg/L，屬于劣Ⅴ類。因此，選取7月氨氮超標值的均值作為新河橋斷面穩定流量計算的初始水質條件。在不同恒定流量條件下，當給定金山湖水質為Ⅱ類到Ⅲ類的平均情況時(氨氮0.75mg/L)，模擬得到的新河橋斷面水質改善情況如圖3(a)所示。

圖3 新河橋穩定流量下水量-水質達標情況分析

由圖3(a)可知，當給定恒定流量0.5m3/s和1m3/s時，新河橋斷面的水質有所改善，但是并不能達到Ⅲ類水質標準；當流量增大到2m3/s時，新河橋監測斷面氨氮濃度降到了1mg/L，達到了Ⅲ類水標準。綜上，新河橋斷面維持有序流動推薦穩定流量為2m3/s。

在維持河道生態健康的過程中通常會將河流多年平均流量的10%～30%作為生態基流。分析發現運糧河新河橋水質斷面不達標，且變化劇烈的原因主要是由于大量閘泵的運行影響了水體的連通性。研究中模擬了2014年實測潮位下金山湖片區水體的自然流動情況，發現運糧河新河橋斷面全年平均凈流量為9.4m3/s，平均流量約為0.94～2.82m3/s，如圖3(b)所示。因此，維持新河橋斷面2m3/s的穩定流量也符合運糧河生態基流的需求。

1.4 方案制定

調度方案在金山湖運糧河調度方案的基礎上進行設計，保證新河橋斷面水質達標所需最小流量2m3/s。維持運糧河水體至東向西單向流動，在長江潮位較高時，金山湖引航道充分引水，采用引航道閘充分自引、焦南閘控制引排，保障對運糧河充分配水。

在防洪控制條件下，設計5套引配水方案，見表2，維持運糧河水體至東向西單向流動。其中以現行閘泵運行現狀為基礎的方案3個，以充分引水且充分配水為目標的方案2個，方案一的設計詳情如圖4所示。

圖4 運糧河引配水方案一設計示意圖

2 結果與討論

2.1 模型率定驗證

(1)水量模型率定驗證

選擇實測資料對金山湖引航道閘流量進行率定驗證，率定成果見表3。由表3可見，模型計算成果與實測成果比較吻合，誤差控制在合理范圍，相關參數可用于水量方案計算。

表3 引航道閘實測水位流量資料驗定結果

(2)水質模型率定

在水量模型基礎上構建污染負荷模型，對河網水質進行了模擬，針對新河橋和戴家門橋各水質指標月平均指標進行了率定驗證。率定成果與實測成果對比見表4，誤差控制在10%以內，總體誤差可控。

表4 運糧河干流監測斷面水質率定結果 單位：mg/L

同時針對有連續性實測水質監測數據的新河橋斷面，模型進行了過程性率定驗證，以氨氮指標為例，率定驗證結果如圖5所示。對比分析圖5可看出，新河橋斷面氨氮指標總體趨勢一致，峰值誤差控制在10%以內，相關參數可用于下一步方案計算。

圖5 新河橋斷面氨氮指標率定驗證

2.2 自引方案效果分析

基于太湖流域模型構建的金山湖水量-水質模型，并模擬2014年實測潮位模擬情景，其中不同方案金山湖的引水量和運糧河的配水量的模擬結果見表5、如圖6—7所示。

表5 各方案計算結果比選表

圖6 引航道閘不同方案引水量分析

圖6為引航道閘在不同工況下的引水量過程對比，由圖6可知，方案一(焦南閘5m排水)引航道日均引水流量最大可達116.92m3/s，在可引期間平均引水流量為59m3/s；方案二(焦南閘5.5m排水)最大流量約100m3/s，日均引水約43m3/s；方案三(焦南閘5.8m排水)最大流量約65m3/s，日均引水約30m3/s；方案四(焦南閘關閉)最大流量約48m3/s，日均引水約20m3/s；方案五(焦南閘引水)最大流量約40m3/s，日均引水約17m3/s。

圖7為運糧河閘在不同工況下的引水量過程對比，由圖7可知，方案一(焦南閘5m排水)運糧河閘日均引水流量最大可達11.44m3/s，日均引水為3m3/s；方案二(焦南閘5.5m排水)最大流量約38m3/s，日均引水約19m3/s；方案三(焦南閘5.8m排水)最大流量約40m3/s，日均引水約23m3/s；方案四(焦南閘關閉)最大流量約30m3/s，日均引水約11m3/s；方案五(焦南閘引水)最大流量約28m3/s，日均引水約11m3/s。

圖7 運糧河閘不同方案引水量分析

從各方案計算結果對比分析可知，方案一和方案二雖然引水流量較大，但是河道配水情況較??；方案四和方案五河道配水能力較大，但是金山湖引水量較小。綜合比選方案三在保證河道配水較充分的同時，也增大了金山湖的引水量，提高了金山湖的流動性。

2.3 泵引方案效果分析

泵引方案統計分析見表6，結果可知，除了方案一在引水天數有較大的差異外，其他4種方案無明顯差別，方案一由于泵引天數較多，因此采用泵站引水同時也會需要一定的經濟投入。

表6 引航道無法自排或長江高潮位情況統計分析

綜上所述，考慮到金山湖自身水體的流動性，建議方案三作為新河橋國控斷面水質達標推薦方案，具體閘泵控制運行見表7。

表7 閘泵控制運行表

3 結論

本文基于太湖流域模型構建了鎮江市運糧河新河橋國控斷面水量-水質耦合模型，并進行了率定和驗證，分析了研究區域水質斷面濃度超標影響因素；論證了運糧河最小穩定流量、金山湖引水流量規模；對比不同的閘泵工程聯合調度方案的效果并確定了調水引流控制水位和推薦方案，相關結論及建議如下：

(1)新河橋監測斷面總體水質較差，斷面水質情況與降雨關系密切，水質超標頻次多，主要超標因子氨氮；建議工程調度以防洪安全為前提，水環境調度為常態模式，采用方案三即引航道閘充分自引、焦南閘控制排水，泵引補充，科學配水，滿足新河橋最小穩定流量2m3/s要求的同時，同步提升周邊河網水質。

(2)通過對閘泵的控制盡量維持河流天然狀態，該方式相比于工程措施更經濟可行同時可同步提升水景觀效果，具體經濟效益可作進一步研究。

(3)建議盡快補齊新河橋斷面以上城市基礎設施短板，落實維持運糧河有序流動的保障措施。