常 露， 柳 瑩， 周 敏， 李小韻， 李冰如

(1.無錫市水資源管理處， 江蘇 無錫 214031； 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局， 江蘇 鎮(zhèn)江 214028；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局無錫分局， 江蘇 無錫 212031； 4.無錫市太湖閘站工程管理處， 江蘇 無錫 214100)

無錫北枕長江，南濱太湖，江湖之間成片平原、圩區(qū)、河道縱橫交錯(cuò)，湖蕩、洼地密布，水系十分發(fā)達(dá)，素有“江南水鄉(xiāng)”美稱，長江、太湖是境內(nèi)河網(wǎng)水資源的重要補(bǔ)給源。無錫社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，取排水量大，水體水質(zhì)受到人類活動(dòng)污染。全市自2007年以來通過調(diào)水引流、控源截污、河湖清淤、生態(tài)修復(fù)等一系列治水措施，水體污染得到有效遏制，河湖水質(zhì)得到明顯改善，但如何量化評(píng)估水質(zhì)的改變是急需研究的問題。

本文以梁溪河為例，通過收集研究區(qū)域水文及水質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建水文-水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，基于MIKE11模型，建立適用于研究區(qū)域的水量水質(zhì)耦合模擬模型[1-2]，并基于上述基礎(chǔ)資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，通過設(shè)置不同的調(diào)水引流情景，量化分析其對(duì)大運(yùn)河水質(zhì)的影響，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1 研究區(qū)域概況

梁溪河是無錫梁溪區(qū)與濱湖區(qū)境內(nèi)的一條2級(jí)河道，河道寬度為30～50 m，是一條南北走向的主干河道，其最北端與京杭大運(yùn)河交匯，向南至罵蠡港河口，連通蠡湖、太湖，全長約8 km。梁溪河是無錫市區(qū)的引排水通道，入太湖口建有犢山防洪控制工程、梅梁湖泵站等引排水工程。罵蠡港、西新河、東新河、小渲河等與梁溪河連通，有閘控制，關(guān)閉狀態(tài)居多。

2 梁溪河水質(zhì)水量耦合模型的構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)概化及控制邊界

梁溪河—大運(yùn)河區(qū)域河網(wǎng)密布，水系發(fā)達(dá)，有錫澄運(yùn)河連通長江，有罵蠡港、徐來河等支流交錯(cuò)。以梁溪河—大運(yùn)河為研究區(qū)域，選擇其入流或出流河流的水位站或流量站作為控制邊界，選定青旸站水位為邊界，洛社站、望亭站、大渲河泵站及梅梁湖泵站流量為邊界，以計(jì)算區(qū)域內(nèi)水位水量演進(jìn)過程[3]。梁溪河區(qū)域河網(wǎng)概化及邊界選定見圖2。

圖2 梁溪河區(qū)域河網(wǎng)概化及邊界選定

2.2 模型參數(shù)率定

選用大運(yùn)河洛社站和梁溪河犢山閘站2013年的實(shí)測(cè)水位資料模型水動(dòng)力版塊的糙率進(jìn)行率定，選用梁溪河犢山閘站2013年的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料，基于模型水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散版塊的綜合衰減系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行率定。模型初始值的選取：水動(dòng)力參數(shù)糙率參考美國霍爾頓編制的糙率表[3-4]，水質(zhì)參數(shù)參考《河流中污染物衰減系數(shù)影響因素分析》取經(jīng)驗(yàn)值。水位數(shù)據(jù)采用黃海高程，模型自動(dòng)測(cè)算得到混合系數(shù)Kmix。參數(shù)率定結(jié)果見表1.

洛社站和犢山閘站水位的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值平均誤差分別為0.03 m、0.04 m，平均相對(duì)誤差分別為1.99%、2.9%，水位計(jì)算過程線與實(shí)測(cè)過程線擬合較好。犢山閘站CODMn、TN、NH3-N、TP質(zhì)量濃度的平均誤差分別為0.01 mg/L、0.05 mg/L、0.06 mg/L、0.01 mg/L，平均相對(duì)誤差分別為1.2%、0.6%、14.4%、7.1%，CODMn、TN、NH3-N、TP質(zhì)量濃度計(jì)算過程線與實(shí)測(cè)過程線總體擬合較好。

2.3 模型驗(yàn)證

選取梁溪河區(qū)域局部河網(wǎng)水系為對(duì)象，對(duì)模型的水動(dòng)力及水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，仙蠡橋南設(shè)為水位邊界，梅梁湖泵站和大渲河泵站設(shè)為流量邊界，其余支流設(shè)為閉邊界(閘門常關(guān))。選取犢山閘下2014年實(shí)測(cè)水位和水質(zhì)資料，對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和對(duì)流擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 模型參數(shù)率定值

犢山閘下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均誤差為0.002 m，平均相對(duì)誤差0.15%，水位計(jì)算過程與實(shí)測(cè)過程擬合較好。犢山閘下的CODMn、TN、NH3-N、TP質(zhì)量濃度的平均誤差分別為0.22 mg/L、0.19 mg/L、0.11 mg/L、0.01 mg/L，平均相對(duì)誤差分別為3.7%、8.4%、22.2%、4.9%，CODMn、TN、NH3-N、TP質(zhì)量濃度計(jì)算過程線與實(shí)測(cè)過程線總體擬合相似。驗(yàn)證結(jié)果表明率定的參數(shù)總體是合適的，該模型可應(yīng)用于梁溪河—大運(yùn)河的水位水質(zhì)模擬。

3 調(diào)水引流對(duì)大運(yùn)河水質(zhì)影響分析

梁溪河-大運(yùn)河區(qū)域水流方向(圖3)為：大運(yùn)河上游入流(洛社站流量)、梁溪河入流(梅梁湖泵站、大渲河泵站流量)，大運(yùn)河下游出流(望亭站流量)。本文以梁溪河入流2013年月均引流量為基準(zhǔn)，假設(shè)了增加25%、增加50%、減少25%、減少50%共4種不同引流量的調(diào)水情況，通過模型計(jì)算出4種情景下模擬水質(zhì)，與基準(zhǔn)引流量的實(shí)測(cè)水質(zhì)進(jìn)行比較，從而量化分析調(diào)水引流對(duì)梁溪河和大運(yùn)河水質(zhì)的影響。洛社站流量和水質(zhì)濃度、梅梁湖泵站水質(zhì)邊界、青旸站流量閉邊界、望亭站流量開邊界，均取用2013年月均值。

圖3 設(shè)計(jì)工況水流路線

利用率定好的模型分別對(duì)4個(gè)情景下大運(yùn)河金城大橋及五七大橋處的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算模擬，并將其與基準(zhǔn)情形下的實(shí)測(cè)月均水質(zhì)進(jìn)行比較(表2)，分析水質(zhì)指標(biāo)(CODMn、NH3-N、TN和TP)月均值變化情況。

從表2可以看出：梁溪河引流量增加25%時(shí)，大運(yùn)河金城大橋和五七大橋處的CODMn、TN、NH3-N和TP質(zhì)量濃度較基準(zhǔn)情景均有下降，金城大橋處分別下降了0.69%、5.39%、10.19%、4.3%，五七大橋處分別下降了0.60%、4.44%、9.25%、4.36%；梁溪河引流量增加50%時(shí)，大運(yùn)河金城大橋和五七大橋處的CODMn、TN、NH3-N和TP濃度較基準(zhǔn)情景下降明顯，金城大橋處分別下降了1.25%、9.84%、18.32%、7.86%，五七大橋處分別下降了1.11%、8.5%、17.07%、7.86%；梁溪河引流量減少25%時(shí)，大運(yùn)河金城大橋和五七大橋處的CODMn、TN、氨氮和TP質(zhì)量濃度較基準(zhǔn)情景有所上升，金城橋站分別上升了0.91%、6.87%、13.45%、6.14%，五七大橋站分別上升了0.75%、5.25%、11.70%、6.02%；梁溪河引流量減少50%時(shí)，大運(yùn)河金城大橋和五七大橋處的CODMn、TN、氨氮和TP質(zhì)量濃度較基準(zhǔn)情景上升幅度較明顯，金城橋站分別上升了2.23%、16.65%、32.72%、14.79%，五七大橋站分別上升了1.85%、12.49%、27.88%、14.62%。TN、NH3-N和TP較CODMn對(duì)調(diào)水引流的變幅更大，敏感性較高，即增加調(diào)水引流量可有效降低水體中TN、NH3-N和TP的質(zhì)量濃度，但對(duì)CODMn效果有限。

表2 4種情景下大運(yùn)河金城大橋、五七大橋處水質(zhì)變化

4 結(jié) 論

自2007年太湖水危機(jī)后，無錫市大力實(shí)施一系列河湖治理工程，水質(zhì)總體得到有效改善，調(diào)水引流已成為改善水質(zhì)不可或缺的重要措施。但調(diào)水引流之后水質(zhì)改善程度仍需要水文、水環(huán)境部門定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，若找到一種適用于無錫河網(wǎng)地區(qū)的水質(zhì)模型，能較準(zhǔn)確地模擬沿程水質(zhì)變化情況，科學(xué)量化水質(zhì)改善程度，則可為調(diào)水工作提供有力技術(shù)依據(jù)。本文以梁溪河—大運(yùn)河區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，因地制宜構(gòu)建了基于MIKE11水量—水質(zhì)模型，選用2013—2014年相關(guān)河道、閘站的水文水質(zhì)實(shí)測(cè)資料，對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)率定與驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該模型可應(yīng)用于梁溪河—大運(yùn)河水量水質(zhì)模擬。在模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了在現(xiàn)狀基準(zhǔn)增加25%、增加50%、減少25%、減少50%調(diào)水量的4種調(diào)水引流情景，比較模型模擬出的水質(zhì)狀況(CODMn、NH3-N、TN、TP質(zhì)量濃度)與實(shí)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì)，量化調(diào)水引流對(duì)水質(zhì)的影響，結(jié)果表明：調(diào)水引流量增加的情況下，大運(yùn)河金城大橋及五七大橋處TN、NH3-N和TP下降較明顯，CODMn小幅下降；調(diào)水引流量減少，TN、氨氮和TP上升較明顯，CODMn小幅上升。由此可見，調(diào)水引流對(duì)研究區(qū)域水質(zhì)持續(xù)改善效果較為明顯。