王为攀，王胜艳

(1.江苏省泰州引江河管理处，江苏泰州 225321；2.江苏省水文水资源勘测局泰州分局，江苏泰州 225300)



太湖数字流域系统在阳澄湖地区的研究和应用

王为攀1，王胜艳2*

(1.江苏省泰州引江河管理处，江苏泰州 225321；2.江苏省水文水资源勘测局泰州分局，江苏泰州 225300)

基于太湖数字流域系统建立了阳澄湖地区一维河网模型，选取研究范围内38个监测断面的水位水质实测资料对模型进行率定，得到河道参数范围：糙率0.020～0.025，CODCr降解系数0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系数0.07～0.29 d-1，TP综合沉降系数0.05～0.10 d-1，模型拟合结果较好。应用建立的一维河网模型计算阳澄湖地区污染物削减前后的断面水质浓度，结果显示，太湖数字流域系统可定量地进行阳澄湖地区水环境质量的模拟和预测。

太湖数字流域系统；阳澄湖地区；河网模型；率定

太湖数字流域系统是在太湖流域研究较为深入的水动力水质数学模型。水动力水质数学模型是指污染物在水环境中因物理、化学、生物作用而发生变化的规律及影响因素之间相互关系的数学描述，既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具[1]。合理地应用水质模型，可定量地进行水环境的模拟和预测，计算水环境容量，并制定水污染总量控制方案和控制规划，实施水环境目标管理等。它的研究和发展涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题，很大程度上取决于污染物在水环境中迁移、转化和归宿研究的不断深入，以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高[2]。

此次研究对象为苏州市阳澄湖地区，该区域位于太湖流域，其中阳澄湖是苏州市重要饮用水源之一，担负着苏州市区、昆山市以及沿湖乡镇近百万人的饮用水的供给任务。随着经济的快速发展和城市化进程的推进，阳澄湖地区水体水质不断恶化。为了保护阳澄湖地区水环境，保障苏州饮用水源水质安全，必须加强对阳澄湖地区的水环境整治及水体水质的研究。该次研究地域范围为《苏州市阳澄湖水源水质保护条例》中规定的阳澄湖一级、二级及准保护区的范围，总面积465 km2。笔者基于太湖数字流域系统，将阳澄湖概化为零维调蓄节点，构建阳澄湖地区一维河网模型并进行率定验证，对阳澄湖地区污染物削减前后的主要交界河道断面的水质变化情况进行分析，为水环境治理的可行性提供科学的依据。

1 基于太湖数字流域系统的阳澄湖地区一维河网模型的建立

1.1 太湖数字流域系统太湖数字流域系统由污染负荷模型和河网湖泊相耦合的水量水质模型组成，覆盖太湖全流域。该系统利用数据库和GIS等技术构建数字流域系统平台，将太湖流域数字化，将水动力水质数值模拟技术应用于预测流域河网水量水质的动态变化，研究改善流域水量和水质的工程调度方案，制定水污染总量控制规划和水资源综合规划等可操作性水污染治理方案，帮助决策者选择最优的污染源控制及其水环境治理方案[3-5]。

河海大学王船海教授开发了太湖数字流域系统并进行了水量模型的率定和验证；南京水利科学院水文水资源研究所开发研制了该系统的降雨径流模型；河海大学环境科学研究所建立了污染负荷模型、湖区水质模型以及河网水质模型并进行了水质模型的率定和验证[6-7]。系统中水量和水质模型耦合联算，采用控制体积法进行数值离散。阳澄湖地区为河网地区，因此采用一维河网模型。

1.2 一维河网模型

1.2.1水量模型。太湖数字流域系统中一维河网水量模型的基本方程包括河道连续方程、动力方程及节点方程。

连续方程：

(1)

动力方程：

(2)

节点方程：

(3)

式中，Q，Z为流量及水位；B，BT为主河道水面宽及包括仅起调蓄作用附加宽度的水面宽；A，R，U，n为过水面积、水力半径、流速及糙率；qL为单位河长的旁侧入流量；Qi,j，Zi,j为汇集于同一节点j的各河道断面流量及水位；Ω为节点的水面面积；j为节点编号；i为与节点j相连接的河道编号；N为与河道交叉点相连接的河道数。

1.2.2水质模型。河网水质模型主要用于研究平原河网污染物的运移转化规律，水质模型的基本方程如下。扩散方程：

(4)

节点支点平衡方程：

(5)

式中,C为水质浓度值；Qp为污染源的排放速率；Ex为纵向分散系数；K为污染物降解系数；其他符号同上。

1.3 河流湖泊的概化由于计算工作量及资料等方面的限制，太湖数字流域系统中计算时所采用的河流、湖泊不可能与真实的完全一致，必须进行概化。概化的原则：主要的骨干河道必须作为单独的概化河道；次要河道按照等效原理进行合并；概化河道系统必须能模拟全流域的输水能力；概化河道、湖泊系统必须能模拟全流域的蓄水能力；陆域宽度中的水面率是模拟湖泊的调蓄作用；较大的湖泊(即太湖)用网格概化，概化后的湖泊可作二维或三维流场计算；中等大小的湖泊概化为零维调蓄节点；小的湖泊和塘坝作为面上调蓄水面处理，即零维非调蓄节点。按上述原则进行概化，太湖数字流域系统中概化河道为1 329条，断面数为3 838个，节点中调蓄节点为60个，无调蓄节点为899个，控制建筑物为118个，流量边界为24个，水位边界为70个。太湖数字流域系统中太湖流域平原河网、湖泊概化见图1，阳澄湖地区河网、湖泊概化见图2。

2 模型的率定

2.1 计算条件

2.1.1计算年型的确定。经对太湖地区各年水文变量结果综合分析比选可知，2000年基础资料条件较好，且2000年流域降水频率为63.8%，属平偏枯年份，具有一定的代表性，故河网模型选取2000年作为计算年。

2.1.2水文设计条件。初始水位采用计算起始时刻控制断面的实测水位，同时设定阳澄湖保护区上游控制区望虞河沿线东岸闸门为关闭状态，其余闸门为开启状态。

2.1.3水质设计条件。采用太湖流域2000年控制断面的水文水质情况及区域污染源资料为边界条件。因为模型采用的是2000年的污染源，因此根据现有的污染源调查分布密度，补充了原有污染源。

2.2 率定方法和结果太湖数字流域系统包含众多的参数，这些参数描述了流域水体的理化和生物过程，参数的正确与否将关系到模型模拟水质在水体中的演化特征好坏。该研究根据实测资料对阳澄湖地区河网主要参数河道糙率和降解系数进行率定。采用建立的阳澄湖地区一维河网模型，对阳澄湖地区河道进行水位、水质模拟计算。选取研究范围内38个监测断面的水文水质实测资料进行率定，得到阳澄湖地区河道的参数范围：河道糙率0.020～0.025，CODCr降解系数0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系数0.07～0.25 d-1，TP综合沉降系数0.05～0.10 d-1。模型模拟结果经实测资料检验，水位相对误差均<10%，各代表断面水位实测点紧靠计算过程线，吻合程度较高，拟合情况较为满意；水质指标CODCr、NH3-N和TP浓度相对误差均<20%，计算过程线总体趋势与实测值基本吻合，拟合情况较为满意。

3 应用

太湖数字流域系统可以描述和估算由工业污染、农业污染、生活污染以及畜禽养殖等不同污染源产生的污染量，经过自然削减和人为整治后进入概化河网的污染物质数量。阳澄湖地区保护区范围为西至元和塘，东至张家港，南到娄江的水域及其所围绕的三角地区内，设计该区域污染物按40%削减率进行削减。应用构建好的模型计算阳澄湖地区主要交界河道元和塘、张家港和娄江的监测断面的水质浓度，并根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行评价。污染物削减实施前CODCr达到Ⅲ类水质的断面占55.6%，实施后达到100.0%；污染物削减实施前NH3-N达到Ⅲ类水质的断面占33.3%，实施后达到66.7%；污染物削减实施前TP达到Ⅲ类水的断面占66.7%，实施后仍为66.7%，但水质浓度有所改善。由计算结果可见，CODCr、TN和TP水质有明显提高，污染物的削减对阳澄湖地区水功能有明显改善，基本能达到Ⅲ～Ⅳ类水质标准，水环境有所改善(表1)。

表1 污染物削减后代表断面水质计算结果和评价 mg/L

4 结语

笔者基于太湖数字流域系统，根据阳澄湖地区的实际情况，建立了阳澄湖地区一维河网模型，并通过实测数据进行模型的率定，得到河道的参数：糙率0.020～0.025，CODCr降解系数0.1～0.3 d-1，NH3-N降解系数0.07～0.29 d-1，TP综合沉降系数0.05～0.10 d-1，率定结果较好。应用河网模型计算阳澄湖地区污染物削减前后主要交界河道监测断面的CODCr、NH3-N及TP的水质变化情况并进行了评价，河道水质基本能达到Ⅲ～Ⅳ类水质标准，水环境有所改善。结果显示，太湖数字流域系统可以定量地进行阳澄湖水环境质量的模拟和预测。而如何应用太湖数字流域系统制定水污染总量控制方案以及实施水环境目标管理等将在今后作进一步研究。

[1] 傅国伟，程声通.水污染控制规划[M].北京：清华大学出版社，1985:1-20.

[2] 谢永明.环境水质模型概论[M].北京：中国科学技术出版社，1996:25-36.

[3] 姚琪，吴浩云，王鹏.太湖流域河网水体污染物迁移转化规律研究[R].河海大学，水利部太湖流域管理局，2006:1-10.

[4] 徐爱兰，姚琪，王鹏.太湖流域水资源综合规划数模研究——水质模型的建立与率定[J].四川环境，2006，25(13):67-72.

[5] 徐爱兰，姚琪，王鹏，等.基于太湖数字流域系统的水质模型参数灵敏度分析[J].水利科技与经济，2007，13(1)：17-19.

[6] 丁训静，姚琪，阮晓红.太湖流域污染负荷模型研究[J].水科学进展，2003，14(2):189-192.

[7] 丁训静，姚琪，毛永根.太湖流域水质模拟研究[J].水资源保护，1998(4):10-14.

Research and Application of Digital Valley System of Taihu Basin in Yangcheng Area

WANG Wei-pan1, WANG Sheng-yan2*

(1. Taizhou Yinjiang Canal Administration of Jiangsu Province, Taizhou, Jiangsu 225321; 2. Taizhou Branch of Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Taizhou, Jiangsu 225300)

The paper establishes one-dimension water-quantity and water-quality mathematical model for the water network of Yangcheng area, based on digital valley system of Taihu Basin. Observed water level and water quality dates of 38 representatives have been employed for the determination and verification of various parameters used in the model. The channel roughness is 0.020-0.025.The degradation factors of CODCr, NH3-N and TP are 0.1-0.3, 0.07-0.29, 0.05-0.10 d-1. The model simulation results present well.Calculation of pollutants concentration of water quality before and after the reduction using river network model shows that the digital valley system of Taihu Basin provides scientific evidence of modeling and prediction of water aulity of Yangcheng area.

Digital valley system of Taihu Basin; Yangcheng area; River network model; Calibration

王为攀(1987-),男,江苏徐州人,助理工程师，从事水利工程管理方面的研究。*通讯作者,工程师,硕士，从事水环境数值模拟方面的研究。

2014-12-03

S 181.3;TV 142

A

0517-6611(2015)02-240-03