董 亮，俞芳琴，刘 俊，周 宏，花 培

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 南京市浦口区水务局，南京 211800)

0 引 言

我国太湖流域河道密布，城区河网流速缓慢，部分城区河道处于滞留状态。随着经济快速发展，区域城市化率迅速提高，大量污水排入河道，城区河道水污染问题日益严重。河道流动性差、自净能力差，加之外部污染大量排入导致水环境恶化，水环境治理迫在眉睫。控源截污是改善城市河道水环境的最根本措施，但实施难度很大。调水引流是改善平原河网水污染问题最为快捷和经济可行的技术方法[1,2]。早在20世纪60年代，为改善东京隅田川水环境质量，日本在疏浚基础上从荒川引入清水，极大程度地改善了隅田川的水质[3]。2000年杭州市实施钱塘江引水入城工程，将钱塘江水引入西湖，河道水环境得到明显改善[4]。近年来，太湖流域以引江济太调水试验为代表，产生了太湖流域水环境整治的新理念[5]。苏州市建设自流活水工程引水到古城区，增加城内河道水量，大大提高了环城河水体的流动性，改善了水环境[6]。童朝峰[7]等通过外秦淮河一维河网模型分析了引水方式、引水规模和闸控方式对水质的影响；李大勇等[8]建立感潮河网数学模型，对调水改善张家港地区水环境进行了研究。本文针对强人工条件下的圩区内城市地区河网，通过选取太湖流域锡澄片主城区为研究区域，建立水动力水质耦合模型，选取多种沿江枢纽、内河闸站调度方式为研究对象，探求多种活水方案下主城区河网水体流动性和水环境的改善效果，对城区平原河网进行科学有效的水系调度提供参考。

1 研究方法

平原河网地区的复杂河网结构是研究水体运移规律的一大难题，需借助数学工具构建水动力水质耦合模型模拟其变化。本研究借助水文水质资料，结合区域的水文、防洪特征及水环境特性，构建一维水动力水质耦合模型，模拟并分析不同活水方案。

1.1 计算模型

MIKE11模型是模拟一维水流的国际化工程软件，经过大量工程实践验证被证明适用于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算[9]。对计算区域内的河网及水工建筑物采用MIKE11的水动力(HD)模块、水工建筑物模块进行概化，结合水质(AD)模块建立锡澄片主城区河网水动力水质耦合模型。水动力模型以质量和动量守恒定律为基础，基本原理为Saint-Venant微分方程[10]，以流量、水位和流速为研究对象，考虑旁侧入流，形成方程组：

(1)

(2)

式中：x、t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为过流流量；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

式(1)以Abbott六点中心有限隐式差分格式离散，添加连接条件，形成河道方程，计算以传统的双扫描法求解。在水工建筑物模块中结合区域的实际情况，对闸、泵、江边枢纽等建筑物概化，设置合理的控制规则。模型可通过不同的调度方案和优先级自动控制调整水工建筑物的运行[11]。

AD模块以HD模块生成的水动力条件为基础，采用对流扩散方程计算[12]：

(3)

式中：ρ为污染物质量浓度；D为纵向扩散系数；K为线性衰减系数；ρ2为源汇项的质量浓度。

1.2 评价方法

为了科学评价分析畅流活水对主城区河网水环境的改善效果，根据锡澄片主城区河道现状污染物超标情况，选取NH3-N为评价因子，根据五个城区监测断面的污染物浓度下降率评价河道水质改善程度，污染物浓度下降率计算公式如下：

(4)

式中：R为污染物浓度下降率；C0为引水前污染物浓度；Ci为引水后第i天污染物浓度。R值可以反应引水前后污染物浓度的下降程度。

2 模型与方案设定

2.1 活水需求分析

锡澄片位于太湖流域武澄锡虞区，南濒太湖、北临长江、东至望虞河、西以澡港河和武进港为界，属典型的平原河网区。河港纵横交叉，沟塘密布，水系交错相连。在经济快速发展的同时，区域水环境急剧恶化；为满足引江济太等工程的需要，区域河道设控情况日益增多，水体自然流动性遭受破坏，面临严峻考验。锡澄片主城区位于运东大包围防洪圩区内，污染排量大，河网流动性差。根据《2016年无锡市水资源公报》，在主城区的五个监测断面：严埭、万安桥、清名桥、东亭西桥和冷渎港中，劣Ⅴ类断面占80%，仅有严埭断面为Ⅳ类水，水污染严重。主城区排污量大，控源截污难度高，难以在短时间内显著降低污染物入河量，畅流活水是改善主城区河道水环境的可行措施。主城区潜在可利用的水源为长江、江南运河和太湖，主要有北兴塘、九里河、伯渎港等河道，是本文主要的研究区域。

2.2 模型构建

2.2.1 计算范围及概化

考虑到模拟计算的边界需相对稳定且保证水系的完整，对江南运河以北、锡澄运河以东、望虞河以西的锡澄片骨干河网进行概化。北以长江为潮位边界控制，概化沿江水利枢纽、内河控制闸及枢纽。基本不起输水作用的河道，按调蓄水面处理[13]。涉及活水的主要水工建筑物有：白屈港抽水站、白屈港沿线控制闸、严埭港枢纽、北兴塘枢纽、九里河枢纽、伯渎港枢纽、利民桥枢纽、仙蠡桥枢纽。模拟计算范围及评价区域见图1。

概化的污染源主要分为点源和非点源，其中点源为2016年污水处理厂和直排工业企业源；非点源包括未接入城市污水管网的城镇生活源、农村生活源、农田面源和畜禽源，根据《2017年无锡统计年鉴》中人口、耕地面积及养殖数据推算得出。点源根据排污口的位置加入到概化的河网中；非点源根据流入的河道分布概化到一定长度的河道中，按完全混合模型进行计算。河网及可控水工建筑物概化图见图2。

2.2.2 参数率定与验证

模型边界选取2012年11-12月长江潮位及江南运河实测水位，以计算区域内无锡站、甘露站、青旸站实测水位率定，率定得到的河道糙率取值范围为0.025～0.028。选择2014年1月各站实测水位进行验证。采用枯水期沿江及内河闸站实际常规调度工况。验证的结果显示，无锡站、甘露站、青旸站水位平均误差分别为1.2、1.0、6.0 cm，且计算水位变化过程与实测较为符合。

根据2016年无锡市水质评价结果，氨氮为锡澄片主城区主要污染物，故本研究取氨氮降解系数为率定指标。根据《太湖流域水环境容量计算与“十三五”规划方案治理目标及污染总量分配研究专题报告》中武澄锡虞区河网水质模型率定参数，取计算区域氨氮降解系数为0.06/d。根据模型率定结果，验证计算区域内2016年1-3月各监测断面的水质平均值。验证结果显示，计算范围内25个监测断面(包括评价范围内的5个监测断面)水质指标相对误差均小于15%。整体率定结果可以反应研究区的水动力水质状况，模型参数选取基本可靠。

图1 锡澄片主城区示意图

图2 河网与可控水工建筑物概化图

2.3 模拟方案

锡澄片北接长江，南临太湖，有江南运河从中部经过。其中，运河水质常年为Ⅳ～Ⅴ类水，不宜用作活水水源。太湖可利用水量较少，且受蓝藻等问题影响，质量不能长期保证。长江(大通站)多年平均流量为2.83 万m3/s，水量充沛，且长江锡澄段水质一般为Ⅱ～Ⅲ类水，是较为优质的水源。以长江为水源向主城区引水需经过江阴市，然而江阴市纵向水系不发达，通向主城区的纵向河道仅有锡澄运河、白屈港。锡澄运河为通航河段，不宜设控，活水效果难以保证。白屈港北端设有抽水站，且东、西两侧河道基本设控，南接主城区，可作为活水的主要通道，退水进入江南运河。

为研究不同规模的活水方案对主城区水体流动性和水质的改善效果，本文结合研究区实际，经白屈港引长江水至主城区河网。保持白屈港沿线引水格局基本不变，从主城区活水规模和周边枢纽控制方式角度，制定相应的计算方案评估活水对主城区内河道监测断面的改善效果。

根据锡澄片现有水利枢纽、闸站设置状况及常用运行方案，选取不同流量规模和分配模式，制定模拟方案见表1，模拟时长为20 d。

3 结果与分析

结合表1计算，得到连续2周活水期间主城区监测断面氨氮质量浓度变化过程。计算显示，模拟期间各计算点氨氮质量浓度逐渐趋于定值，在第10天之前均可达到稳定值。各方案停止后3～4 d，断面氨氮质量浓度均基本恢复活水前的水平。选取研究区域内5个监测断面第10天零时氨氮质量浓度值见表2，对应的断面流速见表3。

结合表2，计算各断面氨氮浓度下降率见图3。

由表2、表3可以看出：方案0为现状条件下的对照方案，在不开启城区周围闸站时，河道水体几乎无流动，断面平均氨氮质量浓度为3.60 mg/L，劣Ⅴ类断面占比100.0%。从方案1至方案3，活水强度逐渐加大，水量分配更加均匀。

表1 调度方案 m3/s

注：负值表示排水。

表2 第10天监测断面氨氮质量浓度 mg/L

图3 断面氨氮质量浓度下降率

方案1主城区的活水流量共30 m3/s，断面平均氨氮质量浓度由3.60 mg/L下降至1.84 mg/L，各断面均出现一定的流动性，但部分断面流动性较低。在5个监测断面中，劣Ⅴ类断面1个，Ⅴ类断面2个，Ⅳ类断面1个，Ⅲ类断面1个，各断面氨氮浓度下降率分别为33.3%、52.9%、52.3%、53.5%、46.1%。

方案2主城区的活水流量共60 m3/s，断面平均氨氮质量浓度由3.60 mg/L下降至1.16 mg/L，改善效果进一步提升，但提升幅度明显小于方案1，基本消除监测断面的流速缓慢状态。在5个监测断面中，劣V类断面0个，V类断面1个，Ⅳ类断面3个，Ⅲ类断面1个，各断面氨氮浓度下降率分别为46.2%、56.3%、62.3%、66.1%、79.4%。

方案3主城区的活水流量共80 m3/s，断面平均氨氮质量浓度由3.60 mg/L下降至1.13 mg/L，各断面改善效果基本与方案2持平，增加的流量对水环境的作用不明显。严埭断面流速达0.47 m/s。在5个监测断面中，劣V类断面0个，Ⅴ类断面1个，Ⅳ类断面3个，Ⅲ类断面1个，各断面氨氮浓度下降率分别为53.8%、55.0%、62.5%、68.5%、79.1%。

方案1～3从活水流量及分配的角度，通过阶梯式增加城区活水流量，得到不同活水程度下断面氨氮浓度的长期改善情况。从模拟结果看，方案1向东侧九里河、伯渎港分别分配15 m3/s时，各断面氨氮浓度下降率均高于30.0%，且侧断面下降率更高。方案2向东、西两侧均匀分配时，各断面氨氮浓度下降率提升至46.2%以上，西侧冷渎港断面的氨氮浓度下降率显著提升，但整体提升程度明显弱于方案1。方案3各断面氨氮质量浓度基本与方案2持平，且增加的活水流量并没有明显的效果，引水口附近严埭断面流速过大，有冲刷风险。考虑投入产出的效率，方案3明显超过了主城区活水的需求。

4 结 论

(1)利用MIKE11构建太湖流域锡澄片锡澄运河以东区域河网水动力水环境数学模型，基于实测水量水质数据对模型率定和验证，得到研究区内河道糙率为0.025～0.028、氨氮降解系数为0.06 /d，验证结果表明模型计算值与实测值较好吻合，可用于模拟计算范围内河网水质水量的变化过程。

(2)研究基于一维水动力水质耦合模型，对太湖流域锡澄片主城区的畅流活水方案的水动力、水环境效果进行了模拟。结合实际条件、活水流量及水量分配3个方面因素设置了4种方案，发现合理配置畅流活水措施可有效改善城区水体滞留问题，提升河网的水体的流动性，改善水环境，活水水量应结合实际需求均匀分配；超过一定水量后，随着流量的增加，河道流动性继续提升，但部分河道有冲刷风险，且河道水环境的改善提升很小。这种关系可用于指导锡澄片活水方案的优化。

(3)太湖流域锡澄片主城区河网污染物排 放入河量较大，虽活水方案提升主城区河网水动力和水环境的效果显著，但维持时间短，需配合控源截污、疏浚清淤、加强水系连通等手段共同解决河网水体滞留和环境问题。

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