張 煒,胡 樂,錢啟蒙,劉 鈺

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心,江蘇 南京 210029;3.江蘇省蘇州市相城區(qū)渭塘鎮(zhèn)農(nóng)村工作局,江蘇 蘇州 215134)

污染物在自然水體的遷移轉(zhuǎn)化過程中會(huì)受到水文、流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等各種因素的影響。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在水利水電領(lǐng)域的應(yīng)用,利用數(shù)學(xué)模型對(duì)自然水體輸移、稀釋和降解等過程進(jìn)行模擬研究愈發(fā)成為熱點(diǎn),為水利水電設(shè)計(jì)和管理工作的順利開展提供了技術(shù)支持[1-5]。目前,國際上應(yīng)用較多的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模擬軟件有EFDC[6]、MIKE[7]、FVCOM[8]和Delft3D[9-10]等。

水動(dòng)力水質(zhì)耦合模擬軟件優(yōu)缺點(diǎn)各異,其中Delft3D編程較為簡(jiǎn)便,使用靈活性高,符合研究區(qū)域水環(huán)境模擬精度的要求,Delft3D從20世紀(jì)80年代中期就在水環(huán)境研究與工程中得到應(yīng)用。廖庚強(qiáng)[10]通過應(yīng)用Delft3D建立通化市柳河的水動(dòng)力模型,精準(zhǔn)模擬了橡膠壩運(yùn)行對(duì)河道水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)的影響;陳慶江等[11]通過構(gòu)建上海市青松片區(qū)河道水動(dòng)力數(shù)值模型,模擬了現(xiàn)狀調(diào)度方案與活水暢流優(yōu)化方案的水動(dòng)力結(jié)果,模擬結(jié)果表明活水后片區(qū)水動(dòng)力明顯提升;吳凡杰等[12]通過構(gòu)建寧波市象山港的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,完善了象山港的排污策略;張立杰[13]應(yīng)用Delft3D構(gòu)建了呼倫貝爾市呼倫湖的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,模擬結(jié)果為呼倫湖及其周邊地區(qū)水生態(tài)環(huán)境治理提供了依據(jù);柯慶等[14]在Delft3D軟件基礎(chǔ)上建立了東營市L河的水動(dòng)力水質(zhì)模擬,為L(zhǎng)河流域黑臭水體的科學(xué)治理提供了理論依據(jù);畢瀟偉等[15]基于Delft3D水動(dòng)力模型的建立和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,對(duì)上海市長(zhǎng)興島青草沙水庫水溫對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。Delft3D水動(dòng)力水質(zhì)模塊綜合考慮了水流域存在的物理過程、化學(xué)過程、生物過程相互間的耦合影響,可用于水環(huán)境、水污染、水生態(tài)的水動(dòng)力特性和水質(zhì)變化狀態(tài)分析。

本文基于Delft3D構(gòu)建了蘇州市渭塘鎮(zhèn)平原河道的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,在既定的活水泵站、水質(zhì)凈化設(shè)施選址方案下,論證了部分設(shè)施規(guī)模的合理性,為南方多河流水環(huán)境綜合整治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)涉及蘇州市渭塘鎮(zhèn)19條河(湖),以麗致星河為界分為老鎮(zhèn)片和珍珠湖片,現(xiàn)狀水體流動(dòng)緩慢,日常內(nèi)河無補(bǔ)水來源,大部分河道淤積嚴(yán)重,麗致星河閘、黃家浜閘、烏土涇閘、周家浜閘常年開啟,除外河引水期間外河道水體與圩外河道無水體交換,兩片區(qū)河道因麗致星河閘常年關(guān)閉與圩外河道也無水體交換。

麗致星河以西為老鎮(zhèn)片,面積2.36km2,圩內(nèi)治理河道有10條,總長(zhǎng)8.09km。1號(hào)河、2號(hào)河、3號(hào)河、4號(hào)河均為斷頭浜。麗致星河以東為珍珠湖片,面積2.61km2,主要為住宅和商業(yè)區(qū),圩內(nèi)治理河道有9條,河道總長(zhǎng)9.33km。秧河、河西浜等河道均為斷頭浜。根據(jù)2021年2月、5月和10月共3次水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析,研究區(qū)域河道大多為V類或劣V類,治理目標(biāo)為Ⅳ類,主要超標(biāo)因子是NH3-N、TP,少部分河道超標(biāo)因子為CODMn。圩外河道水質(zhì)較優(yōu),大部分能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

為提升鎮(zhèn)區(qū)河道水質(zhì),活水暢流,新建1～7號(hào)活水泵站、活水推流器和旁路凈化設(shè)施。因鎮(zhèn)區(qū)用地緊張,各新建泵(閘)站選址已定,不再論證。本文主要論證1號(hào)活水泵站、活水推流器、水質(zhì)凈化設(shè)施規(guī)模的合理性。

2 模型構(gòu)建

Delft3D-FLOW水動(dòng)力模塊是Delft3D的核心模塊,可對(duì)污染物存在的平流擴(kuò)散等過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[13]。同時(shí),水動(dòng)力模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)效性也決定了水質(zhì)模型的精度。在水動(dòng)力模型構(gòu)建前,需完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)格繪制和條件輸入等前期工作。

2.1 模擬區(qū)域網(wǎng)格化

模型網(wǎng)格如圖1所示,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)夾角余弦值在0～0.02范圍內(nèi),正交性好。網(wǎng)格劃分情況與鎮(zhèn)區(qū)河道實(shí)際地形較為貼近,符合計(jì)算要求。模型覆蓋鎮(zhèn)區(qū)19條河(湖),東西跨度3km,南北跨度2km,矩形網(wǎng)格尺寸為10m×10m,x方向網(wǎng)格數(shù)299個(gè),y方向網(wǎng)格數(shù)209個(gè)。鎮(zhèn)區(qū)水動(dòng)力模型水下地形見圖2,河道地形數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)離散差值得到,率定和驗(yàn)證的實(shí)測(cè)資料與地形資料的時(shí)間同步。

圖1 鎮(zhèn)區(qū)河道網(wǎng)格劃分

圖2 鎮(zhèn)區(qū)河道水動(dòng)力模型水下地形

2.2 水動(dòng)力模型設(shè)置

2.2.1邊界條件

鎮(zhèn)區(qū)河道分為老鎮(zhèn)片、珍珠湖片兩大片區(qū)。老鎮(zhèn)片邊界設(shè)置于黃家浜,從外河經(jīng)補(bǔ)水泵站引水入老鎮(zhèn)片,引水泵站流量為0.25m3/s,從1號(hào)河排水至渭涇塘,排水泵站流量為0.25m3/s;珍珠湖片邊界設(shè)置于珍珠湖北端,從南雪涇經(jīng)補(bǔ)水泵站引水入珍珠湖,引水泵站流量為0.25m3/s,從趙家浜出水至渭涇塘,排水泵站流量為0.25m3/s。

2.2.2設(shè)施概化

計(jì)算時(shí)圩區(qū)內(nèi)分布的泵站均處于運(yùn)行狀態(tài),與圩外河道僅在邊界引排水處有水體交換,兩片區(qū)河道間因麗致星河上的薄壩常年關(guān)閉,僅通過4號(hào)活水泵站產(chǎn)生水體交換。將泵站概化為模型的源匯項(xiàng),老鎮(zhèn)片擬于1號(hào)河北端設(shè)置1號(hào)活水泵站,抽水至烏土涇,1號(hào)活水泵站流量待定。根據(jù)研究區(qū)域河道區(qū)域水量,可以估算得出1號(hào)活水泵站流量低于1.0m3/s時(shí),區(qū)域水體難以流動(dòng),從流量分別為1.00、1.50、2.00m3/s這3種工況中擇優(yōu)選用。珍珠湖片于趙家西浜、趙家浜分別設(shè)置2、3組活水推流器,將推流器概化為源匯項(xiàng),從流量分別為0.2、0.4m3/s這2種工況中擇優(yōu)選用。凈化設(shè)施凈化出水分別經(jīng)1號(hào)、2號(hào)提升泵站出水。在模型中麗致星河處設(shè)置1道無限高的薄壩將2個(gè)片區(qū)隔開。模型邊界條件、源匯項(xiàng)概化見圖3與表1。

表1 模型源匯項(xiàng)設(shè)置

圖3 模型邊界條件、源匯項(xiàng)與測(cè)點(diǎn)設(shè)置

2.2.3參數(shù)設(shè)置

模型垂向分層為1,計(jì)算步長(zhǎng)為1min,輸出間隔時(shí)間為60min,重力加速度為9.81m/s2,水體密度為1000kg/m3,曼寧系數(shù)為0.024,水平紊動(dòng)黏性系數(shù)為5m2/s,河流進(jìn)出口邊界均為流量邊界,干濕判定的位置為在網(wǎng)格的中心和邊界同時(shí)判定。

2.3 水質(zhì)模型

在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,利用Delft3D-WAQ水質(zhì)模塊構(gòu)建了鎮(zhèn)區(qū)河道水質(zhì)模型,對(duì)鎮(zhèn)區(qū)河道污染物的擴(kuò)散消減過程進(jìn)行分析。模型中各項(xiàng)物質(zhì)隨水流遷移擴(kuò)散,完成生物和化學(xué)循環(huán)。主要模擬指標(biāo)為CODMn、NH3-N和TP。水質(zhì)過程包括氧氣-可生化需氧量、氮和磷循環(huán),其中NH3-N是水環(huán)境系統(tǒng)中重要的水質(zhì)變量之一,是判斷流域內(nèi)水體污染情況的重要指標(biāo),也是研究論證重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

水質(zhì)模型將旁路凈化設(shè)施概化為源匯項(xiàng)輸入模型,其中老鎮(zhèn)片的建新旁路凈化設(shè)施連通1號(hào)提升泵站,珍珠湖片的鉆石旁路凈化設(shè)施連通2號(hào)提升泵站,其對(duì)水動(dòng)力的影響不再論證,僅論證對(duì)水質(zhì)的影響。

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性,采用2021年的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算時(shí)間為2021年10月1—30日,計(jì)算步長(zhǎng)為1min,輸出間隔時(shí)間為60min。水位模擬誤差在4.2～8.3cm之間,15個(gè)站點(diǎn)平均水位誤差為6.8cm。

水質(zhì)驗(yàn)證資料測(cè)量時(shí)間為2021年10月,測(cè)點(diǎn)分布見圖3,測(cè)點(diǎn)覆蓋了研究區(qū)域內(nèi)15條河道。大部分河道的率定結(jié)果較好,實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較吻合,能反映鎮(zhèn)區(qū)水體的大概情況。采用相對(duì)誤差、均方根誤差驗(yàn)證模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的吻合程度(表2),通過均方根誤差能夠較為直觀地反映模型精度,均方根誤差值越小,模型精度越高。由水質(zhì)模型得出CODMn、NH3-N、TP質(zhì)量濃度的平均均方根誤差分別為0.8893、0.3104、0.0409,各指標(biāo)均方根誤差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.28、0.16、0.02。鎮(zhèn)區(qū)15條河道水質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差、均方根誤差均在合理范圍內(nèi),數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果吻合度較高,具有較高的水質(zhì)模擬精度。

表2 水質(zhì)模型誤差分析

此外,根據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)分析,老鎮(zhèn)片區(qū)加權(quán)平均水體的CODMn、NH3-N、TP質(zhì)量濃度分別為6.50、0.32、0.5mg/L,鉆石旁路凈化設(shè)施出水的CODMn、NH3-N、TP質(zhì)量濃度分別為25.0、1.0、0.2mg/L。

4 結(jié)果與分析

4.1 水動(dòng)力模擬

通過Delft3D-FLOW水動(dòng)力模塊計(jì)算老鎮(zhèn)片水動(dòng)力情況,利用QuickPlot、Matlab出圖并統(tǒng)計(jì)流速數(shù)據(jù)。對(duì)不同工況下的水動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以確定1號(hào)活水泵站、活水推流器的規(guī)模。

4.1.1老鎮(zhèn)片1號(hào)活水泵站流量分析

考慮到老鎮(zhèn)片河道斷面尺寸和區(qū)域水量,老鎮(zhèn)片區(qū)選擇了工程前和1號(hào)活水泵站流量1.0、1.5、2.0m3/s這4種工況進(jìn)行模擬,各工況下水動(dòng)力結(jié)果見圖4和圖5。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),4種工況下的水深幾乎不變。老鎮(zhèn)片水深為2.5～4.0m,珍珠湖水深為1.5～2.5m。

圖4 老鎮(zhèn)片區(qū)1號(hào)活水泵站不同工況下的水深模擬結(jié)果

圖5 老鎮(zhèn)片區(qū)1號(hào)活水泵站不同工況下的流場(chǎng)模擬結(jié)果

流場(chǎng)變化較為明顯,工程前由于鎮(zhèn)區(qū)河道與外界無水體交換,斷頭浜較多,河道流速極為緩慢;工程后老鎮(zhèn)片1號(hào)活水泵站流量為1.0m3/s時(shí),流速控制在0.01～0.06m/s,最大值控制在0.22m/s,對(duì)河道的沖刷較小,烏土涇、1號(hào)河的流速穩(wěn)定在0.005～0.045m/s,水動(dòng)力模擬結(jié)果較為理想,活水效果均衡。隨著1號(hào)活水泵站流量的加大,工況2老鎮(zhèn)片會(huì)在橫浜產(chǎn)生0.06m/s的大流速;當(dāng)1號(hào)活水泵站流量增加至2.0m3/s時(shí),烏土涇西段由于補(bǔ)水流量大,導(dǎo)致流速較高,1號(hào)河流速達(dá)0.45m/s,橫浜流速達(dá)0.09m/s,流速分布不均衡對(duì)橫浜沖刷較強(qiáng),影響邊坡穩(wěn)定。經(jīng)模擬分析,老鎮(zhèn)片工況1的動(dòng)力結(jié)果較為理想,確定1號(hào)活水泵站流量為1.0m3/s。

4.1.2珍珠湖活水推流器感應(yīng)流量分析

確定1號(hào)活水泵站流量為1.0m3/s后,在珍珠湖片選取2種工況:工況1每組活水推流器流量為0.2m3/s,工況2每組活水推流器流量為0.4m3/s。2種工況下水深結(jié)果幾乎一致。流場(chǎng)方面,由于湖面較大,工況1每組0.2m3/s的流量不足以推動(dòng)珍珠湖南趙家浜與趙家西浜的水體循環(huán),趙家西浜的最大流速僅有0.005m/s;工況2活水推流器每組感應(yīng)流量增加至0.4m3/s,此時(shí)湖面流速仍然較低,但趙家西浜、財(cái)富樓河、趙家浜等已有較為明顯的流速,趙家西浜最大流速達(dá)0.02m/s,財(cái)富樓河最大流速達(dá)0.018m/s,趙家浜最大流速達(dá)0.03m/s。因此,珍珠湖片工況2的水動(dòng)力模擬結(jié)果較為理想,活水效果好,如圖6、圖7所示。最終經(jīng)過模擬分析確定每組活水推流器感應(yīng)流量為0.4m3/s。

圖6 珍珠湖片活水推流器不同工況下的水深模擬結(jié)果

4.2 水質(zhì)模擬

設(shè)計(jì)2種水質(zhì)模型工況,分別為旁路凈化設(shè)施規(guī)模1萬m3/d和2萬m3/d。根據(jù)模擬結(jié)果,河道CODMn質(zhì)量濃度穩(wěn)定在30mg/L以下,NH3-N穩(wěn)定在1.5mg/L以下,TP穩(wěn)定在0.3mg/L以下,達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ地表水的要求。各指標(biāo)質(zhì)量濃度場(chǎng)變化分布見圖8～10,不同工況下河道水質(zhì)情況見表3。

圖8 CODMn質(zhì)量濃度場(chǎng)變化分布

旁路凈化設(shè)施規(guī)模在1萬m3/d時(shí),老鎮(zhèn)片原CODMn質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重的1號(hào)河、2號(hào)河、3號(hào)河、4號(hào)河、鴨連浜和橫浜CODMn質(zhì)量濃度均有所降低,但仍然不能全部降低到30mg/L以下,其中3號(hào)河超標(biāo)仍然嚴(yán)重。原NH3-N質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重的老鎮(zhèn)片水域,NH3-N質(zhì)量濃度超標(biāo)仍然嚴(yán)重,老鎮(zhèn)片大部分河道仍為劣Ⅴ類。原TP超標(biāo)的1號(hào)河,TP指標(biāo)有所下降,但仍達(dá)不到準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。由此得出,工況1的模擬結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期的水質(zhì)目標(biāo)。

旁路凈化設(shè)施規(guī)模為2萬m3/d時(shí),老鎮(zhèn)片原CODMn質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重的1號(hào)河、2號(hào)河、3號(hào)河、4號(hào)河、鴨連浜和橫浜通過1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泵站的活水輸送,提升了水體流動(dòng)速度,同時(shí)建新旁路控制輸出的優(yōu)質(zhì)水質(zhì)也在不斷改善河道水質(zhì)。黃家浜從外河的元和塘引水,污染物被降解和稀釋,水質(zhì)較好,幾乎能達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。烏土涇西段由于1號(hào)泵站的活水輸送,動(dòng)力較好,主要水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于東段。老鎮(zhèn)片由于控源截污不徹底,原NH3-N質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重,水體富營養(yǎng)化污染,自凈能力差,植物營養(yǎng)物質(zhì)過剩,易暴發(fā)藍(lán)藻等。NH3-N污染得到有效控制。老鎮(zhèn)片原1號(hào)河和麗致星河TP質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重,通過活水輸送與旁路控制,1號(hào)河與麗致星河的TP污染得到有效控制,能達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

珍珠湖片整體水質(zhì)優(yōu)于老鎮(zhèn)片。方案實(shí)施后,原CODMn污染嚴(yán)重的財(cái)富樓河,通過6號(hào)泵站的活水輸送得到有效控制;原CODMn污染嚴(yán)重的河北浜,通過鉆石旁路凈化設(shè)施的清水輸送,CODMn污染得到有效緩解;珍珠湖片85%的水域CODMn質(zhì)量濃度在25mg/L以下。原CODMn質(zhì)量濃度超標(biāo)的周家浜,通過活水輸送與旁路控制,污染得到有效控制,CODMn質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10mg/L以下,達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述,旁路凈化設(shè)施規(guī)模為1萬m3/d時(shí)未能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),而規(guī)模為2萬m3/d時(shí)的水質(zhì)模擬結(jié)果更好,水質(zhì)全面達(dá)標(biāo),故兩處水污染旁路控制設(shè)施規(guī)模選用2萬m3/d。

5 結(jié) 論

a.本文建立了蘇州市渭塘鎮(zhèn)河道的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,該模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好,模型在該地區(qū)適用。

b.根據(jù)既定的活水引水選址方案,論證了設(shè)施規(guī)模的合理性,分析評(píng)估了方案的活水暢流、水質(zhì)提升效果,老鎮(zhèn)片工況1即1號(hào)活水泵站流量為1.0m3/s時(shí)的水動(dòng)力模擬結(jié)果較為理想,珍珠湖片每組活水推流器感應(yīng)流量為0.4m3/s時(shí)的水動(dòng)力模擬結(jié)果較為理想,活水效果好。經(jīng)過規(guī)模為2萬m3/d的旁路凈化設(shè)施處理后,各測(cè)點(diǎn)水質(zhì)有明顯的改善,河道水質(zhì)可以達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

c.本文分析了既定活水引水選址方案下不同活水規(guī)模對(duì)研究區(qū)域水動(dòng)力的影響,可為區(qū)域河道活水暢流提供參考;分析了不同凈化規(guī)模對(duì)研究區(qū)域水質(zhì)的影響,表明活水泵站與旁路凈化設(shè)施是改善研究區(qū)域水質(zhì)的有效途徑。