发布时间：2021-09-29所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：针对城市化发展给平原河网地区带来的水动力不足与水质恶化问题，以宁波市主城区海曙区为研究区，探究引清活水对河网水环境的改善效果。利用MIKE11构建一维水量水质耦合模型，模拟不同引水规模、引水口门布局及引水时段下流速变化及污染物NH3-N和COD的
摘要：针对城市化发展给平原河网地区带来的水动力不足与水质恶化问题，以宁波市主城区———海曙区为研究区，探究引清活水对河网水环境的改善效果。利用MIKE11构建一维水量水质耦合模型，模拟不同引水规模、引水口门布局及引水时段下流速变化及污染物NH3-N和COD的改善情况，分析不同方案的活水效果。结果表明，引清活水可改善河网水环境，改善效果与引水规模、引水口门布局及引水时段均有关;综合水动力与水质的改善情况，当引水规模为27m3/s，以洪水湾节制闸、高桥泵站、邵家渡翻水站及沿山导流河节制闸联合调度引水，对河网进行间断活水时，海曙区水环境得到较大改善。
关键词：平原河网;引清活水;水质水量耦合模型;水环境;宁波市主城区
1概况
海曙区位于宁波市中心区域，地处鄞西平原，整体地势西高东低，东临奉化江，北濒余姚江，在三江口汇合为甬江，西部、南部为四明山脉，两江与山脉之间为平原，平原区域有河网481条，总长度为770.59km，水域面积约为1327×104m2。区内河道水力坡降较小，不良的水动力条件和城市化所带来的污染使当地水环境愈加恶化。根据海曙区2018年各月水质报告，丰、平、枯期劣Ⅴ类水占比为40%～55%。其中，中塘河和西塘河在丰、平、枯期均为劣Ⅴ类河流，是活水工程的重点治理对象。姚江干流和上游水库是海曙区重要的调水水源，在现状情况下，海曙区主要通过高桥翻水站和洪水湾节制闸从姚江及上游水库引水进入海曙平原腹地，姚江下游的保丰闸及奉化江沿线的行春碶和屠家堰作为研究区主要退水口门。但在此种情况下，区域内水环境改善效果并不十分理想，需考虑增加引水量，开辟新的引清通道，以有效改善海曙区水环境。因此，考虑沿山导流河节制闸、规划新建的邵家渡翻水站和五江口翻水站作为新增引水口门，进一步完善海曙区引水工程的联合调度，并设置12个水动力及水质评价断面。研究区水系、水工建筑物及监测断面见图1。构建一维水量水质耦合模型，基于引水规模、引水口门布局及引水时段拟定多种活水方案，探究不同方案下的海曙区水动力及水质改善情况，以期为海曙区的引配水调度提供根据。
2一维水量水质耦合模型构建
2.1基本方程
综合考虑海曙区水文特征和水环境特性，选取适用于平原河网地区一维非稳定流计算的MIKE11模型模拟分析研究区水量水质耦合情况[1]，可采用水动力(HD)模块和水质(AD)模块。水动力模块在圣维南方程组基础上以Abbott六点中心格式插分来求解[2]，圣维南方程组包括连续方程(质量守恒定律)和动量方程(牛顿第二定律)
2.2模型构建
海曙区的河网概化主要包括河道概化和水工建筑物设置两个方面，河道概化主要包括西塘河、中塘河、前塘河等47条骨干河道，河网内部的村镇级河道、池塘等根据水面率，作为调蓄水面输入模型，水工建筑物主要包括高桥泵站、邵家渡翻水站、五江口翻水站、沿山导流河节制闸、洪水湾节制闸、保丰闸、行春碶和屠家堰等引退水口门。河道及可控水工建筑物概化见图2。
另外，在模型中也需概化污染源，污染源主要分点源和面源两部分，其中点源包括排入污水厂的城镇生活源和工业企业源，面源主要包括未接入城镇污水管网的城镇、农村生活源、农田面源和畜禽源。点源根据排污口的位置直接添加到概化的河网中;面源根据2018年宁波市海曙区统计年鉴提供的人口、耕地、养殖数据进行估算，均匀概化到一定长度的河道中。
2.3模型率定与验证
模型的边界条件采用2018年12月中旬姚江、奉化江实测的潮位资料，以研究区域内有实测水位数据的望春、集士港等6个站实测水位率定，率定得到的各河段糙率为0.025～0.035。选择2018年12月下旬各站水位进行验证，各站的计算结果与实测值的平均相对误差在0.1m以内，且模型的计算水位变化与实测值较为一致。
根据海曙区2018年各月份水质评价报告，选取海曙区的主要污染物COD和NH3-N为率定指标，经过率定，得到COD的降解系数为0.12/d，NH3-N的降解系数为0.07/d。选取2018年12月下旬监测断面的实测水质数据进行验证，结果显示研究区域的各监测断面的COD和NH3-N相对误差均小于15%，模型参数基本合理，可反映出海曙区河网的水质变化过程。
3活水方案拟定
结合区域水系及水利工程实际情况，从引水规模、引水口门布局及引水时段(分间断引水和持续引水)三个角度拟定活水方案。方案0、1、2可对比研究增大引水规模对海曙区水环境改善产生的影响;方案2、3、4可针对引水口门的布局比选出较优的水利工程联合调度方案;方案5则在引水规模与引水口门布局已确定的基础上研究不同引水时段对活水效益的影响。活水方案的具体设计见表1。
4活水方案效果评估
4.1各活水方案结果
通过MIKE11数值模拟各活水方案，得到各方案下研究区的流速、NH3-N和COD的浓度情况。各方案下研究区的平均流速及流速分配情况见表2，污染物平均浓度及改善情况见表3，污染物浓度的具体分布情况见表4。
4.2结果分析
由表2～4可知，当海曙区以方案0的调度规则进行引水调度时，NH3-N的平均浓度为2.17mg/L，劣Ⅴ类断面占比42%，平均流速v≥0.1m/s的断面占比仅有17%，区域水质与水动力情况均较差。以方案1～5进行引水调度时，海曙区水环境均有所改善，因引水规模、引水口门布局、引水时段的不同，其改善效果有所差别，其中方案3对水环境的改善效果最好。
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方案1在方案0的基础上新增了一条引清通道，由沿山导流河节制闸引水入海曙区腹地，研究区水体流动性与水质总体上改善明显。断面平均流速提高了38%，但仍有25%的断面流速小于0.05m/s，NH3-N的改善率为26.3%，COD的改善率为10.9%。在进一步增加引水量后，方案2对海曙区水环境又有所提升，断面平均流速达到0.10m/s，仅有护城河断面为劣V类断面。比较方案0、1、2，方案1的断面平均流速比方案0提升了38%，但方案2的断面流速比方案1只提升18%。方案1中的NH3-N和COD比方案0分别改善了26.3%、10.9%，但方案2中的NH3-N和COD比方案1仅改善了15.6%、2.2%。随着引水量的增加，活水方案对水环境的改善程度在提升，但其对水环境起到的改善效率在降低。
除引水规模外，引水口门的布局同样是活水效果的影响因素，因此另设方案3、4以比选出更优的引水布局。方案2中，新增的12m3/s引水量以洪水湾闸站作为唯一引水口门时，水环境总体改善明显，但对跃进河等东北部河流影响不大。方案3以沿山导流河节制闸和邵家渡翻水站各自引6m3/s水时，水动力及水质的改善效果最佳，平均流速v≥0.1m/s的断面占42%，劣Ⅴ类断面全部消除。在方案4中又增设五江口翻水站，但水动力和水质的整体改善程度比方案3有所下降。这是由于海曙区本身水力坡降较小，来水路径过多会相互阻碍，造成局部河段流向不定，河道污染物转移受阻，从而削弱引水对水环境的改善效果。
当引水规模为27m3/s，引水布局相同时，分析不同时段引水的改善效果，即比选方案3、5的优劣。方案5的断面平均流速与方案3相同，但v≥0.1m/s的断面占比相比方案3减少了9%，因此方案5的水动力改善效果略劣于方案3。以方案5进行持续引水时，污染物NH3-N和COD的改善程度相比于方案3也略有降低，且未消除所有劣V类断面，护城河断面仍为劣V类。因此，在引水规模与引水口门布局相同的基础上，选择0：00～8：00、12：00～20：00作为引水时段进行间断引水时，海曙区的活水效果较好。
4.3最终方案推荐
因引水规模、引水口门的布局及引水时段的不同导致各方案惠及的区域与水环境改善程度各有不同。方案3的引水布局使得海曙区水环境质量较差的中部与东北部河流均能得到改善，不仅在某局部区域更在全区有效改善了水环境。由表2可知，方案3的断面平均流速为0.109m/s，平均流速v≥0.1m/s的断面占42%，断面平均流速及流速在区域内的分配情况同时达到了最优。在水质改善方面，污染物平均浓度为各方案中最低值，整体上达到Ⅳ类水的标准。由表4可知，方案3中有33%的断面水质达到Ⅲ类水，50%的断面达到Ⅳ类水，17%的断面达到Ⅴ类水，所有劣Ⅴ类断面已被消除。
综合考虑引水规模、引水口门的布局及引水时段3个因素，从水动力和水质的改善角度进行分析，以方案3的调度方式进行活水时，活水效益最好，因此推荐方案3为最终的活水方案。
5结论
a.利用MIKE11构建海曙区水量水质耦合模型，对6种方案进行模拟，发现引水规模、引水口门的布局及引水时段均会影响河网水动力和水质;增加引水量对水环境的改善有一定效果，但随着引水量的持续增大，其改善效率在降低;引水口门的布局及引水时段均会影响活水效益，海曙区新增的12m3/s引水量以沿山导流河节制闸和邵家渡翻水站作为引水口门进行间断活水时的活水效果最好，对其他平原河网地区的此类问题有一定指导意义。b.本文所做研究主要基于常规情况，未考虑特殊气候条件、突发水污染事件等情况，未来需进一步优化不同时期活水方案。——论文作者：汪惠1，曾磊2，刘俊1，尹文昊1
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