李　曉,唐洪武,王玲玲,胡孜軍,焦　創(chuàng)

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京　210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京　210098)

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平原河網(wǎng)地區(qū)閘泵群聯(lián)合調(diào)度水環(huán)境模擬

李曉1,2,唐洪武1,2,王玲玲1,2,胡孜軍1,2,焦創(chuàng)1,2

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京210098)

平原河網(wǎng);水動力-水質(zhì)模型;閘泵聯(lián)合調(diào)度;污染源計算;水環(huán)境;數(shù)值模擬

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢平坦,水網(wǎng)交錯,城市集中,人口和產(chǎn)業(yè)集聚程度較高。隨著城市化進程的加速和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展,這些地區(qū)的污染負荷增大,水質(zhì)惡化嚴重,成為困擾城市可持續(xù)發(fā)展的主要問題[1]。由于平原河網(wǎng)地區(qū)閘泵等水工調(diào)控工程眾多,通過合理的閘泵聯(lián)合調(diào)度可以控制河道的水動力[2],從而改善水質(zhì)[3-4]。因此,建立河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型,模擬閘泵聯(lián)合調(diào)度下平原河網(wǎng)的水質(zhì)演變過程,探索改善水環(huán)境的閘泵聯(lián)合調(diào)度方式,對于平原河網(wǎng)地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

針對平原河網(wǎng)地區(qū)的水環(huán)境問題,Hwang等[5]建立了適用于Seonakdong河的河流水質(zhì)模型,研究改善水質(zhì)的最佳閘門操作方法;劉遠書等[6]研究了優(yōu)化的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案對工程截污導流效果的影響;胡堯文[7]構(gòu)建了杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)水量水質(zhì)模型,在引排水工程中運用閘門調(diào)度的方式改善水環(huán)境;江濤等[8]模擬分析了枯水期沙口、石啃閘泵聯(lián)合引水情景下佛山水道的水質(zhì)改善效果,探討了閘泵聯(lián)合引水對水質(zhì)的影響及其相應的水動力學問題;張永勇等[9]將閘壩水量水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度模型嵌入SWAT 模型中,從流域尺度上探討了閘壩水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模式。上述研究中都運用了閘泵調(diào)度的方法改善水質(zhì),以點源方式考慮集中排放污水,但對面源的模擬方法少有深入討論;對河網(wǎng)內(nèi)部密布的閘泵工程及其調(diào)度原則大多做概化處理,難以精細考慮各工程的作用與影響;閘泵的調(diào)度目標一般只考慮總引水量和引水時間的變化,較少考慮河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部的水位、水質(zhì)狀況進行動態(tài)綜合調(diào)控,因此河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)值模型的計算精度將會受到較大影響。

筆者依托蘇州城市中心區(qū)復雜河網(wǎng),建立河網(wǎng)一維水動力-水質(zhì)數(shù)值模型,分類考慮點源和面源的分布以及河網(wǎng)內(nèi)部全部閘泵工程的調(diào)控作用,進行閘泵的動態(tài)調(diào)控。通過模擬結(jié)果獲得了區(qū)域水環(huán)境分布與演變規(guī)律,提出改善水環(huán)境的閘泵調(diào)度方式,并驗證了其合理性及實用性。

1　模 型 建 立

1.1控制方程與數(shù)值方法

一維水動力模型的控制方程是圣維南方程組[10],由連續(xù)方程和動量方程組成。

連續(xù)方程:

(1)

動量方程:

(2)

式中:x——空間坐標,m;t——時間坐標,s;A——過水斷面面積,m2;Q——斷面流量,m3/s;h——水位,m;q——旁側(cè)入流流量,m3/s;K——流量模數(shù),m3/s;g——重力加速度,m/s2。

河網(wǎng)水環(huán)境模型的控制方程為一維對流擴散方程,其基本假定:物質(zhì)在斷面上完全混合;物質(zhì)守恒或符合一級反應動力學(即線性衰減);符合Fick擴散定律,即擴散與濃度梯度成正比。一維對流擴散方程為

(3)

式中:C——質(zhì)量濃度,mg/L;D——縱向擴散系數(shù),m2/s;C2——源或匯質(zhì)量濃度,mg/L;Kp——線性衰減系數(shù),1/d。

圖1　河網(wǎng)概化結(jié)果及水工調(diào)控工程分布Fig. 1　Generalization results of river network and distribution of hydraulic projects

水動力模型的控制方程采用Abbott六點中心隱式差分格式[11]進行離散,該離散格式按順序交替計算水位或流量。對流擴散方程采用時間和空間中心隱式差分格式進行離散,其穩(wěn)定條件是Courant數(shù)小于1,因此模型計算時間步長取30 s,空間步長取70～500 m不等。方程的求解方法采用“追趕法”。

1.2河網(wǎng)的概化

本文依托蘇州城市中心區(qū)建立數(shù)值模型。模擬區(qū)域東部以常臺高速公路附近的控水建筑物為界,西側(cè)和南側(cè)以大運河為界,北側(cè)以滬寧高速公路附近的控水建筑物為界,總面積約70 km2。依托上述公路和運河,形成相對獨立的計算區(qū)域,區(qū)域與外部環(huán)境以19個樞紐相連接。以該區(qū)域80條河道(包括斷頭浜)組成的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及45項水工調(diào)控工程如圖1所示。

1.3污染源的處理

污染源分點源和面源。點源包括工業(yè)污染點源和污水處理廠點源, 模型中對面源污染進行了定量模擬。該區(qū)域面源主要考慮未經(jīng)污水處理廠處理的超額生活污水的排放,采用式(4)～(6)進行估算。

(4)

(5)

(6)

1.4內(nèi)邊界的處理

在水動力計算過程中,堰、閘作為內(nèi)邊界一般根據(jù)閘上閘下2個節(jié)點的水位差來計算過閘流量Q。閘上下游節(jié)點之間的河段在計算過程中要進行特殊處理,由水流連續(xù)性條件式(7)和閘門出流公式(8),聯(lián)合河網(wǎng)方程組隱式求解。

(7)

(8)

式中:Qa、Qb——閘上和閘下節(jié)點的流量,m3/s;σs——閘孔淹沒出流系數(shù);μ——閘孔自由出流流量系數(shù);e——閘孔開度,m;b——閘門寬度,m;H0——斷面總水頭,m;ε——閘門側(cè)向收縮系數(shù)。

1.5模型參數(shù)的選取

1.6定解條件

2　模 型 驗 證

表1　水工調(diào)控工程調(diào)度方案1詳情Table 1　Details of operation scheme using hydraulic projects (Scenario one)

注:未標注的為全天全開

圖2　 2014年銀杏橋CODMn驗證結(jié)果Fig. 2　Validation results of CODMn concentration at Yinxing Bridge

圖3　2014年來鳳橋驗證結(jié)果Fig. 3　 Validation results of -N concentration at Laifeng Bridge

3　蘇州城市中心區(qū)水質(zhì)變化規(guī)律

3.1設計調(diào)度方案(方案1)下的水質(zhì)變化規(guī)律

圖4　1988年各站點水質(zhì)變化Fig. 4　Fluctuation of water quality at each site in 1988

圖5　枯水期質(zhì)量濃度平面分布Fig. 5　Plane distribution of -N concentration in dry season

圖6　豐水期質(zhì)量濃度平面分布Fig. 6　Plane distribution of -N concentration in wet season

3.2枯水期水質(zhì)改善方案研究

表2　水質(zhì)改善調(diào)度方案(方案2)詳情Table 2　Details of operation scheme for water quality improvement (Scenario two)

注:A15、B1、B4、B5、B10、B11、B12全天全開,其他閘門調(diào)度方式不變。

4　結(jié)　　論

a. 建立了蘇州城市中心區(qū)一維河網(wǎng)水環(huán)境模型,考慮河網(wǎng)內(nèi)部全部閘泵等水工調(diào)控工程的調(diào)度,對污染源進行了詳細處理,考慮了超額生活污水的排放。根據(jù)實際調(diào)度規(guī)則結(jié)合實測水質(zhì)資料對模型進行了驗證,結(jié)果表明模型具有較好的模擬精度,可應用于該地區(qū)的水動力與水質(zhì)模擬。

圖7　1988年枯水期不同調(diào)度方案下的-N質(zhì)量濃度Fig. 7　Concentration of -N in dry season of 1988 under different operation schemes

d. 本文方法可應用于其他平原河網(wǎng)地區(qū),所建模型可為平原河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)度決策提供支持。

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Simulation of water environment under joint operation of gates and pumps in plain river network area

LI Xiao1, 2, TANG Hongwu1, 2, WANG Lingling1, 2, HU Zijun1, 2, JIAO Chuang1, 2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

plain river network; hydrodynamic and water quality model; joint operation of gates and pumps; calculation of pollution sources; water environment; numerical simulation

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.003

2016-03-15

國家自然科學基金(51239003,51309085);水利部重大公益性行業(yè)科研專項 (201501007，201201017)

李曉(1992—),女,河南洛陽人,碩士研究生,主要從事水力學數(shù)值模擬研究。E-mail:1058607687@qq.com

王玲玲，教授。E-mail:706584934@qq.com

TV675;X143

A

1000-1980(2016)05-0393-07