陈 凯，郑世威，彭小情，赵鹏轩，李宥霖，李小宁

(1.南京慧水软件科技有限公司，江苏 南京 210036；2.海盈生态环境研究院(南京)有限公司，江苏 南京 210009；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；4.江苏大学环境与安全工程学院(应急管理学院)，江苏 镇江 212013)

0 引言

针对我国当前存在的水环境质量差、水生态受损重、环境隐患多等问题，国务院于2015年颁布了《水污染防治行动计划》(以下简称“计划”)以切实加大水污染防治力度，保障国家水安全[1]。《计划》力求通过10个方面的措施，使得2030年时七大重点流域水质优良比例达到75%以上，地级及以上城市建成区黑臭水体基本得到消除[2-3]。城市水环境是城市生态系统中最活跃、影响最广泛的要素，是城市居民健康生活的必需品，是产业生产中不可替代的重要资源。城市河流水系是部分物种和生物流动的载体，承担着保持自然环境生态平衡、调节微气候等多项生态功能，还为居民提供旅游与休闲娱乐场[4]。目前，我国城市水体污染严重，流经城市的河段普遍受到污染，严重威胁人民群众身体健康，虽然一些地方已经采取不同措施，开始城市水环境治理，也取得了阶段性成效，但城市河段水环境状况仍非常严峻。因此，我国城市水环境仍存在众多问题，亟需开展水质监测和提升策略研究以确保达到治理的目标[5]。

针对河道国控断面水质及断面生态流量问题，国内外众多学者也都对此有着较为深入的研究，并取得了一系列成果[6-8]。鲍琨[9]等通过建立控制断面水质与其上游的概化排污口污染源之间的响应关系，得出断面水质达标时各概化排污口的削减量；孙卫红[10]等基于不均匀系数的水环境容量计算方法，对广东鉴江非感潮河流进行了研究；朱晓娟[11]通过对松花江干流水质污染现状及污染源的分析，提出了松花江干流环境容量优化配置方案。李晓瑛[12]等对长江口徐六泾国控断面2014—2018年的数据进行分析后选择氨氮、总氮、总磷等6项水质因子数据来评估水质情况，并构建了BP神经网络模型来预测徐六泾国控断面的水质达标比例。王雪峰[13]以大连市登沙河流域为研究对象，利用QUAL2K水质模型模拟氨氮和总磷的迁移转化过程并基于国控断面水质目标反推了上游监测断面的管控标准。高亚洲[14]等研究了春节初期雨水对珠江流域某国控断面水质的影响规律并系统梳理了初期雨水防控的要点，为保证国控断面水质全年均值达标提供了依据。刘萌斐[15]等系统分析了长江江苏段某国控断面水质影响主要因素，从水利调度、控源截污、生态修复、稳定达标四方面提出了水质达标方案为平原闸控区河网国控断面水质达标提供借鉴。

国控断面水质影响因素分析和水质达标方案制定仍然是我国水环境保护建设和发展的迫切需求。然而，目前诸多研究侧重水质不达标成因分析、达标对策研究等，仍然缺少基于主要影响因子分析、模型模拟、方案评估的全方位系统化研究[2]。因此，通过收集研究区域内水文水质资料分析得出国控断面水质关键影响因子，基于太湖流域模型建立研究区的平原河网水量水质模型并进行率定验证，从水体有序流动的理念出发，结合区域内工程调度现状提出工程联合调度方案并进行评估优选，对改善区域水环境、满足国控断面达标要求具有重要的意义。

1 研究方法

基于团队自主研发的太湖流域模型构建了研究区域的水文-水动力-水质数学模型对不同设计方案效果进行评估。太湖流域模型是以太湖流域为原型案例构建的包含山丘区、平原区、城镇区的多要素、多尺度、多过程水循环精细化模型。经过40多年的发展，已形成完善的模型理论与架构体系，能解决复杂下垫面水循环、水质、泥沙问题[7]。本文以镇江市运粮河新河桥国控断面水质达标为目标，以金山湖和周边河网为研究区域构建其水文-水动力-水质模型。通过对不同配水方案的计算与分析，为运粮河最小稳定流量分析、金山湖引水流量规模论证、闸泵工程调度方案制定、调水引流控制水位确定以及配水方案效果影响研究等方面提供技术支撑。

1.1 太湖流域模型原理

1.1.1水量模型

(1)零维湖泊模型

对于金山湖这类水面，水流行为的影响主要表现在水量交换，动量交换可以忽略。反映水量交换的指标主要是水位，水位的变化遵循水量平衡原理，即流入湖区的净水量等于水体内的蓄量增量，计算公式如下：

(1)

式中，Q—时段内的入流量，m3/s；Z—零维湖泊调蓄单元水位，m；AZ—随水位变化的零维湖泊面积，m2；t—时间，s。

模型中对该方程进行差分离散求解。

(2)一维河道模型

在太湖流域模型中，通过公式(2)描述河道一维水流运动：

(2)

式中，q—旁侧入流，m3/s；Q—河道断面流量，m3/s；A—过水面积，m2；B、Z—河宽和水位，m；VX—旁侧入流流速在水流方向上的分量，m/s，一般可以近似为零。K—流量模数，反映河道的实际过流能力；α—动量校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数。

太湖流域模型中，对上述方程组采用四点线性隐式格式进行离散后求解。

(3)闸泵工程模拟

在太湖流域模型中，堰上的水流可分为自由出流、淹没出流两种流态，不同流态采用不同的公式来计算。公式(3)为自由出流计算方法，公式(4)为淹没出流情景时计算方法。堰、闸、泵不同联系，采用公式与宽顶堰的水力学公式相似，求解采用局部线性化离散出流量与上下游水位的线性关系或非线性迭代方法求解。

(3)

(4)

式中，B—堰宽；Zd—堰顶高程；Z1—堰上水位；Z2—堰下水位；H0、hs—水位差，H0=Z1-Zd，hs=Z2-Zd，m；m—自由出流系数，取值范围为0.325～0.385；φm—淹没出流系数，一般小于1.0。

1.1.2水质模型

(1)零维湖泊水质模型

在水量模型中，将金山湖等湖泊概化为一个零维调蓄节点，所采用的水质模型通用方程如下：

(5)

式中，C—某种水质指标的浓度，mg/L；V—调蓄节点水体体积，m3；S—某种水质指标的生化反应项，g/(m3·d)；Sw—某种水质指标的外部源汇项，g/s。

(2)河网一维水质模型

与河网一维水量模型相对应的一维水质模型通用方程如下：

(6)

式中，A—断面面积，m2；C—某种水质指标的浓度，mg/L；t—时间，s；Ex—纵向分散系数，m2/s；U—断面平均流速，m/s；S—某种水质指标的生化反应项，g/(m3·d)；Sw—某种水质指标的外部源汇项，g/s。

1.2 研究区域概况与模型构建

金山湖片区总面积为176.3km2，该区域地形总体上呈南高北低，由南部山丘区逐渐向北部沿江倾斜。区域内降雨量年内分布不均，主要集中在6—9月。运粮河干河共有3个水质监测断面，其中，新河桥为国控断面和水功能区监测断面、永庆桥为省控断面、戴家门桥为水功能区监测断面，各断面的水质监测数据如图1所示。

图1 断面各水质指标监测数据

通过收集2016年1月—2017年12月期间的断面水质监测数据，发现新河桥监测断面水质状况极不稳定，统计分析氨氮、总磷、高锰酸盐3个监测指标后，发现断面超标频次较多，超标率达到70%。其中戴家门桥监测断面2016年3月的氨氮最高浓度值达到6.5mg/L，因此，将氨氮作为主要的超标因子。

收集研究区域内的河道断面、湖泊地形资料并进行模型要素处理后，针对水利工程进行概化，基于太湖流域模型构建金山湖及周边河湖的水量-水质耦合模型，构建模型范围如图2所示。

图2 金山湖及周边河网耦合模型范围

研究中构建的金山湖片区水量-水质模型主要包括：3个湖泊零维模型，分别为金山湖、塔影湖和小金山湖；36条一维河道模型；14座闸泵水利工程；3个模型边界，分别为南京站、镇江站和江阴站潮位边界以及4个排口。由于研究区域内收集的13个运粮河闸以东排口和99个高新区内排口大部分为雨水排口且在支流上，因此模型中概化了运粮河干流的4个直排口。根据排口区域、区域内常住人口以及当量污染计算得出排污量平均到4个直排口中，具体数值见表1。

表1 排口浓度值统计表

收集镇江站1956—2018年共50年长江潮位资料，通过对最高、最低、平均潮位进行统计分析后，选用2014年长江潮位资料作为本次金山湖引水方案计算年型。长江流域水资源保护局重点断面水质监测资料显示，长江下游大通到徐六泾段的水质情况良好，其中，2017年全年至2018年4月均能达到Ⅲ类以上，研究中将2017年1月至2018年4月作为模拟时间。分析金山湖2008—2018年水质监测资料发现高锰酸盐指数与氨氮浓度明显下降，其中自2010年起，氨氮水质类别由劣Ⅴ类好转为Ⅲ类，近3年已接近Ⅱ类标准值，氨氮平均值为0.5mg/L。

1.3 断面水量-水质达标需求分析

研究基于太湖流域模型构建的水量-水质模型模拟新河桥断面水质来分析计算维持新河桥断面水质达标最小流量。分析镇江市环保局提供的运粮河新河桥国控断面24h监测数据，发现新河桥断面7月监测水质最差，超标频次最多，氨氮浓度超标值均值为3.81mg/L，属于劣Ⅴ类。因此，选取7月氨氮超标值的均值作为新河桥断面稳定流量计算的初始水质条件。在不同恒定流量条件下，当给定金山湖水质为Ⅱ类到Ⅲ类的平均情况时(氨氮0.75mg/L)，模拟得到的新河桥断面水质改善情况如图3(a)所示。

图3 新河桥稳定流量下水量-水质达标情况分析

由图3(a)可知，当给定恒定流量0.5m3/s和1m3/s时，新河桥断面的水质有所改善，但是并不能达到Ⅲ类水质标准；当流量增大到2m3/s时，新河桥监测断面氨氮浓度降到了1mg/L，达到了Ⅲ类水标准。综上，新河桥断面维持有序流动推荐稳定流量为2m3/s。

在维持河道生态健康的过程中通常会将河流多年平均流量的10%～30%作为生态基流。分析发现运粮河新河桥水质断面不达标，且变化剧烈的原因主要是由于大量闸泵的运行影响了水体的连通性。研究中模拟了2014年实测潮位下金山湖片区水体的自然流动情况，发现运粮河新河桥断面全年平均净流量为9.4m3/s，平均流量约为0.94～2.82m3/s，如图3(b)所示。因此，维持新河桥断面2m3/s的稳定流量也符合运粮河生态基流的需求。

1.4 方案制定

调度方案在金山湖运粮河调度方案的基础上进行设计，保证新河桥断面水质达标所需最小流量2m3/s。维持运粮河水体至东向西单向流动，在长江潮位较高时，金山湖引航道充分引水，采用引航道闸充分自引、焦南闸控制引排，保障对运粮河充分配水。

在防洪控制条件下，设计5套引配水方案，见表2，维持运粮河水体至东向西单向流动。其中以现行闸泵运行现状为基础的方案3个，以充分引水且充分配水为目标的方案2个，方案一的设计详情如图4所示。

图4 运粮河引配水方案一设计示意图

2 结果与讨论

2.1 模型率定验证

(1)水量模型率定验证

选择实测资料对金山湖引航道闸流量进行率定验证，率定成果见表3。由表3可见，模型计算成果与实测成果比较吻合，误差控制在合理范围，相关参数可用于水量方案计算。

表3 引航道闸实测水位流量资料验定结果

(2)水质模型率定

在水量模型基础上构建污染负荷模型，对河网水质进行了模拟，针对新河桥和戴家门桥各水质指标月平均指标进行了率定验证。率定成果与实测成果对比见表4，误差控制在10%以内，总体误差可控。

表4 运粮河干流监测断面水质率定结果 单位：mg/L

同时针对有连续性实测水质监测数据的新河桥断面，模型进行了过程性率定验证，以氨氮指标为例，率定验证结果如图5所示。对比分析图5可看出，新河桥断面氨氮指标总体趋势一致，峰值误差控制在10%以内，相关参数可用于下一步方案计算。

图5 新河桥断面氨氮指标率定验证

2.2 自引方案效果分析

基于太湖流域模型构建的金山湖水量-水质模型，并模拟2014年实测潮位模拟情景，其中不同方案金山湖的引水量和运粮河的配水量的模拟结果见表5、如图6—7所示。

表5 各方案计算结果比选表

图6 引航道闸不同方案引水量分析

图6为引航道闸在不同工况下的引水量过程对比，由图6可知，方案一(焦南闸5m排水)引航道日均引水流量最大可达116.92m3/s，在可引期间平均引水流量为59m3/s；方案二(焦南闸5.5m排水)最大流量约100m3/s，日均引水约43m3/s；方案三(焦南闸5.8m排水)最大流量约65m3/s，日均引水约30m3/s；方案四(焦南闸关闭)最大流量约48m3/s，日均引水约20m3/s；方案五(焦南闸引水)最大流量约40m3/s，日均引水约17m3/s。

图7为运粮河闸在不同工况下的引水量过程对比，由图7可知，方案一(焦南闸5m排水)运粮河闸日均引水流量最大可达11.44m3/s，日均引水为3m3/s；方案二(焦南闸5.5m排水)最大流量约38m3/s，日均引水约19m3/s；方案三(焦南闸5.8m排水)最大流量约40m3/s，日均引水约23m3/s；方案四(焦南闸关闭)最大流量约30m3/s，日均引水约11m3/s；方案五(焦南闸引水)最大流量约28m3/s，日均引水约11m3/s。

图7 运粮河闸不同方案引水量分析

从各方案计算结果对比分析可知，方案一和方案二虽然引水流量较大，但是河道配水情况较小；方案四和方案五河道配水能力较大，但是金山湖引水量较小。综合比选方案三在保证河道配水较充分的同时，也增大了金山湖的引水量，提高了金山湖的流动性。

2.3 泵引方案效果分析

泵引方案统计分析见表6，结果可知，除了方案一在引水天数有较大的差异外，其他4种方案无明显差别，方案一由于泵引天数较多，因此采用泵站引水同时也会需要一定的经济投入。

表6 引航道无法自排或长江高潮位情况统计分析

综上所述，考虑到金山湖自身水体的流动性，建议方案三作为新河桥国控断面水质达标推荐方案，具体闸泵控制运行见表7。

表7 闸泵控制运行表

3 结论

本文基于太湖流域模型构建了镇江市运粮河新河桥国控断面水量-水质耦合模型，并进行了率定和验证，分析了研究区域水质断面浓度超标影响因素；论证了运粮河最小稳定流量、金山湖引水流量规模；对比不同的闸泵工程联合调度方案的效果并确定了调水引流控制水位和推荐方案，相关结论及建议如下：

(1)新河桥监测断面总体水质较差，断面水质情况与降雨关系密切，水质超标频次多，主要超标因子氨氮；建议工程调度以防洪安全为前提，水环境调度为常态模式，采用方案三即引航道闸充分自引、焦南闸控制排水，泵引补充，科学配水，满足新河桥最小稳定流量2m3/s要求的同时，同步提升周边河网水质。

(2)通过对闸泵的控制尽量维持河流天然状态，该方式相比于工程措施更经济可行同时可同步提升水景观效果，具体经济效益可作进一步研究。

(3)建议尽快补齐新河桥断面以上城市基础设施短板，落实维持运粮河有序流动的保障措施。