孙 超,韩伟刚,农晓英,王 慧,王文玉,高泽海

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001;2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048)

随着社会经济的迅速发展和城市化建设的不断加快,水体污染和水资源短缺问题愈发突出,已成为制约社会可持续发展和人民生活水平提高的重要因素。城市景观水体作为现代城市建设的基础设施之一,起着防洪调蓄、维持区域生物多样性、气候微调和景观文娱等功能,是城市经济与生态环境平衡发展的重要标志[1-2]。因此,探索城市河流治理方法、保障城市河流水环境是城市水系高效管理重要研究方向之一。

西安市护城河作为一条人工开挖典型的城市河流,是古代城垣建筑体系的一个重要组成部分。在西安市城市化建设过程中,护城河受到过不同程度的污染,影响到了城市生态环境和居民健康,同时也制约了城市经济和社会的发展[3]。西安市护城河极小的坡降和河道闸坝工程使河流流速极低,死水区与缓流区频繁出现,水体置换时间较长,污染物迁移扩散缓慢,水体复氧能力降低,水体自净能力减弱,造成水质恶化、水体富营养化的问题[4]。由于中国西北干旱半干旱地区水资源短缺、时空差异显著,能够用于提升护城河水体的水资源极为有限,制约着西安市护城河的水环境发展[5]。

针对西安市护城河水环境存在的问题,利用有限的水资源提升水动力,是改善护城河水质的有效途径之一[6-7]。水环境模型是分析水环境问题的有效技术手段,其中MIKE软件和SWAT(Soil &Water Assessment Tool)是模拟河流水质的代表性软件[8-9]。目前的研究主要集中在水质指标空间分布和典型控制断面的指标变化特征方面[10]。水动力模型是通过数值模型模拟分析复杂流场的演进过程,针对不同的需求对研究区进行不同维度的模拟,其中MIKE21与Flow-3D软件,被国内外众多学者用于模拟水流在复杂边界或实际地形上的流动过程[11-12]。鉴于MIKE既能模拟水动力又能模拟水质,可用于构建水动力-水质耦合模型,且模拟结果可视化效果清晰,被广泛用于上游调水对下游库区水质影响、水库联合调度水质状态问题,分析污染物运移扩散规律、水环境容量计算、水质改善方案优化和水生态修复方案优选等方面[13-16],特别是在中小型城市河湖低流速小流量补水模拟方面有着显著的优势[17-20]。

本研究以西安市护城河为研究区,利用MIKE21构建西安市护城河水动力-水质耦合模型,并通过护城河现状水质、水动力监测结果验证所建模型的准确性。设计基于溃坝理论的“缓蓄快放”系统,即在河道某断面处修建闸门,通过闸门将上游小流量缓慢输入的来水积蓄起来,达到一定水量和水头时全开闸门,快速泄放,增大水流流速,置换缓流水体,冲刷底泥、污染物,达到保持水质的效果。通过缓慢蓄水快速泄流的方式解决水资源短缺条件下的水动力提升能力。利用所构建的水动力-水质耦合模型,研究护城河不同来水水质和不同蓄水高度条件下“缓蓄快放”系统对水体流速、水质浓度分布及水体交换特性的影响,以期为水资源短缺地区的城市景观水体水质改善提供参考依据。

1 研究区概况

西安市(107.4°～109.49°E,33.42°～34.45°N)是中国西北地区最大的城市,坐落于秦岭以南的关中平原上,属于温带半湿润大陆性季风气候。西安市夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,年平均降雨量522.4～719.5 mm。西安市护城河全长14.7 km,总库容127万m3[21]。西安市护城河补水水源分别来自大峪水库和北石桥再生水厂。西安护城河以东南城角作为分水岭分为东北线与南西线,河水分别途经东北线与南西线自西北角退水系统进入汉城湖截流涵,再经过漕运明渠流入渭河(图1)。

图1 西安市护城河地理信息

西安护城是古城堡防御体系的一个重要组成部分,为了保持其高墙深壕的历史原貌,护城河全线综合改造规划建设8座拦河坝以壅高水位,护城河改造段各库区上下游最大河道高程差仅为1.65 m,最大比降低于0.06‰。西安市护城河全线综合改造建设的拦河坝在壅高水位的同时,造成水体断面面积较大,致使现状供水条件难以维持护城河水体的自然流态,形成缓流区和死水区。较差的水动力状况致使水体置换时间较长、污染物的迁移扩散缓慢,将加剧水质的恶化。

2 水动力-水质耦合模型构建

2.1 水动力数学模型方程

Mike21FM水动力模型是基于不可压缩的沿水深积分的流体雷诺平均Navier-Stokes方程,该模型包括连续性、动量和密度方程,且服从布辛涅斯克(Boussinesq)和静水压力假设[22-23]。平面二维水流连续方程见式(1):

(1)

平面二维水流的动量方程见式(2)、(3):

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2 水质数学模型方程

MIKE21对流扩散模型假定污染物垂向混合均匀,污染物的浓度只在水平面上发生变化[24]。因此污染物的输移扩散可采用如下二维对流扩散方程。

(7)

S=Qs(Cs-C)

(8)

式中Dx、Dy——x、y方向的扩散系数;C——污染物浓度;F——线性衰减系数;h——水深;u、v——x、y方向上的流速;Qs——源汇项流量;Cs——源汇项污染物质的浓度。

水动力-水质耦合模型的数值求解采用基于单元中心的有限体积法对二维浅水控制方程进行空间离散求解[25]。该方法将空间划分为不重复的控制单元,能够保证水动力模型中水量和动量守恒,模型在时间上的离散方法为显性欧拉法。

2.3 西安市护城河水动力-水质耦合模型

2.3.1网络剖分

西安市护城河南西线,从护城河东南角至西北角共建有4座堤坝,各堤坝的距离及主要参数见表1。本研究设计“缓蓄快放”系统,模拟在4座堤坝上修建不同高度的闸门,以增加水头,并通过快速泄放提升水动力,置换缓流水体,实现水质提升。构建水动力-水质耦合模型时,假定每一段坝的坝前常水位与该段坝顶高程齐平,各段水质以该段采样点监测的水质数据平均值表征。

表1 护城河南西线堤坝参数 单位:m

根据收集到的护城河地形数据图,利用MIKE前处理工具网格生成器,将长约为7 300 m的护城河南西线划分为2 735个三角形网格,包含2 268个节点,导入高程数据文件,并基于剖分后的网格进行插值,得到研究区的地形见图2,局部网格剖分示意见图3。

图2 研究区域地形高程

图3 局部网格的剖分示意

2.3.2模型边界设置

将位于东南城角的补水点的流量定义为上边界,位于护城河西北角的退水口定义为下边界。水位边界为边界条件,其余岸线则定义为陆地边界。研究不考虑降雨、蒸发及风场的作用,在水动力模型的构建中主要涉及干湿水深、涡黏系数、床底糙率、源汇项以及水工建筑物等因素。

3 模型参数校准

3.1 模拟周期与初始条件

模拟时间从2021年3月20日至9月30日,总时间步数为194 d,主时间步长为60 s。本文所建水动力-水质耦合模型,模拟初始水位与流速设置为护城河现场实际测点多次监测的水位与流速数据平均值。水质对流扩散模拟的初始条件为研究区的初始污染物浓度分布情况,首次运行模型时选取历次取样点各污染物指标的平均值作为模型的初始条件。初始值为2021年3月20日实测结果平均值。为了降低模拟结果对初始条件的依赖,提高模拟结果的合理性与准确性,本次模拟采用之前模拟结果为初始条件的热启动方法。

3.2 参数设置

对于干湿判别技术的设计采用模型的预设值,即干水深为0.005 m,淹没水深为0.05 m,湿水深为0.1 m[26-27]。模拟设定Smagorinsky系数为0.28,曼宁系数为0.022 5[28-29]。

模拟选取总氮、总磷、氨氮及高锰酸钾指数作为对流扩散模拟的污染物指标[30-31]。MIKE21对流扩散模块中,研究区扩散系数和降解系数的率定结果表明,扩散系数的取值在某一范围内时,率定精度基本相同,超过这一范围,模拟值与实测值的均方根误差显著增加。降解系数对率定结果较为敏感,降解系数的微小变动都会造成模拟值的波动。在查阅相关文献及对模型多次率定的基础上,最终确定各污染物的扩散系数为0.05 m2/s,总氮、总磷、氨氮、高锰酸钾的降解系数分别为0.02、0.04、0.01、0.05/d。

3.3 模拟结果分析

选取模拟期间建国门及朱雀门的实测水位及流速数据作为验证点,测点水位和流速的模拟值与实测值见图4、5。由图4、5可知,模拟结果的水位及流速与实测值相吻合。为定量分析模型准确性,采用均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和决定系数R2作为模型评价指标[32-33],结果见表2。

表2 水位、流速均方根误差及平均绝对误差

a)建国门

a)建国门

由表2 可知,模拟误差较小,所构建的护城河二维水动力模型能很好地反映研究区的水动力特性,可用于后续的水动力提升模拟。由护城河长期实测水质指标结果可知,总氮、总磷、氨氮及高锰酸钾指数是西安市护城河水质主要超标指标,因此,本文为通过分析这4个指标改善效果来验证所提“缓蓄快放”系统的有效性。图6、7分别为建国门和朱雀门总氮、总磷、氨氮及高锰酸钾指数模拟数值与实测数据的对比结果。

a)总氮

a)总氮

2个水质采样点各水质指标模拟值与实测值的RMSE、MAE和R2见表3。

表3 采样点水质指标均统计结果

由模拟分析结果可知,本研究所构建模型能够良好地模拟水体物质的对流扩散,具有较好的模型精度,可用于后续的水质变化过程模拟。

4 模型应用

4.1 基于水动力的水质改善设计

西安市护城河现状补水水源分别为大峪水库来水和西安市北石桥污水处理厂再生水。大峪水库执行《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。西安市北石桥污水处理厂于2020年4月前,执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准的工艺要求。2020年4—9月执行《陕西省黄河流域污水综合排放标准》A标准的工艺要求。2020年10月至今,主控指标执行《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准对护城河进行补水。因此,根据西安市护城河补水水质历史数据,设计不同的补水水质和坝前水头,研究不同的工况下,通过“缓蓄快放”系统快速泄流对护城河水质与水动力的影响规律,工况设计见表4。

表4 不同模拟工况的设置

工况1为现状蓄水高度,未执行《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准时的补水情况。工况5为现状蓄水高度,执行《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准时的补水情况。

本文考虑水资源的稀缺性和水质改善的有效性,旨在利用现有资源进行补水的条件下实现西安市护城河水质的改善。在同样补水情况下,对于不同的蓄水高度,所需蓄水时间不同。因此,本文以较短的蓄水周期和良好的水质提升能力作为不同工况下“缓蓄快放”系统效果评价标准。

4.2 水质水动力改善效果分析

4.2.1流速特征比较

不同模拟工况下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本稳定时刻,各取样点的流速值见表5。显然,不同蓄水高度对各点的流速值影响显著,不同蓄水高度下各点的流速值存在差异。

表5 不同工况下各取样点流速值 单位:m/s

由表5可知,蓄水0.5 m、蓄水1.0 m及蓄水1.5 m的工况对流速均有所改善,随着蓄水高度的增加,下游各点的流速值均有所增加。蓄水0.5 m时和平门处流速的增长率最大,增长率为58.44%。蓄水1.0 m时和平门处流速的增长率最大为281%,蓄水1.5 m时朱雀门流速增长最大,为蓄水0.5 m时的8.69倍。不同蓄水工况下研究区的流速分布见图8。对比各蓄水工况下的流速分布可知,随着蓄水高度的增加,坝后流速场的分布有明显差异。

a)蓄水0.5 m

蓄水0.5 m时,2号坝处流速为0.02 m/s,为现状工况下流速的2倍。此时2号坝下游100、200、300 m处的流速分别为0.014、0.010、0.008 m/s,对应位置较现状工况下的流速分别增加0.006、0.003、0.003 m/s。蓄水1 m时,2号坝处流速为0.168 m/s,为现状工况下流速的16.8倍。此时2号坝下游约100、200、300 m处的流速分别为0.050、0.020、0.018 m/s,对应位置较现状工况下的流速分别增加0.042、0.013、0.013 m/s。蓄水1.5 m时,坝后流速值大于0.15 m/s的范围增加,大量水体的突然下泄导致局部流速较大,虽然对局部冲刷明显,但对于沿程其他断面流速的改善程度与蓄水1 m工况差异不大。从蓄泄周期以及流速改善程度两方面综合分析认为蓄水1 m,水动力改善效果最佳。

4.2.2水质特征比较

不同模拟工况下,快速泄水后,待上下游水位相等,水流流速基本稳定时刻,各取样点在模拟时段内的总氮平均浓度见表6。从平均浓度而言,采用Ⅴ类水补水条件下,“缓蓄快放”系统对水体总氮浓度的改善效果微弱,随着蓄水高度的增加,总氮浓度呈现微弱减小趋势。图9为Ⅴ类水补水条件下,不同蓄水高度对文昌门和朱雀门附近水体总氮浓度变化曲线。

表6 不同工况下各取样点的总氮平均浓度 单位:mg/L

a)文昌门

由表6可知,相比于采用Ⅴ类水补水,利用Ⅲ类水补水时,总氮浓度显著降低。同样采用Ⅲ类水补水时,总氮浓度随蓄水高度增高而降低。“缓蓄快放”系统对下游水质的改善,随蓄水高度增高而增强。从总氮含量下降速率而言,蓄水高度由0.5 m变化为1.0 m时,总氮含量下降效果最为显著。蓄水高度由1.0 m增加到1.5 m时,通过快速泄流尽管能进一步降低总氮含量,但是相比于蓄水高度由0.5 m变化为1.0 m时,对总氮含量降低比率减弱。图10为Ⅲ类水补水条件下,不同蓄水高度对文昌门和朱雀门附近水体总氮浓度变化曲线。

a)文昌门

由图9、10可知,“缓蓄快放”系统蓄水高度越高,水体置换耗时越短、置换率越高。蓄水高度从0.5 m增高为1.0 m时,水质改善效果最为明显,蓄水高度从1.0 m增高为1.5 m时,通过蓄泄水体来改善水质效果与蓄水高度1.0 m差异不大。针对水资源短缺的西北地区,西安市护城河采用蓄水1.0 m的方案具有较短的蓄泄周期,水龄较小,水体交换能力强,水质提升效果显著。

综合水动力和水质实验结果可知,通过将上游水位蓄高,快速泄水的方式是提高护城河水动力的有效途径。考虑蓄泄周期和流速改善程度,上游水位蓄水1.0 m对水动力改善综合效果最佳。西安市护城河通过使用地表Ⅲ类水作为补水水源时,综合考虑蓄水成本和水质提升效果,明确在蓄水高度1.0 m时对下游水体水质改善效果最佳。因此,西安市护城河采用“缓蓄快放”系统通过将符合地表Ⅲ类水的护城河补水水体蓄高1.0 m,快速泄流能够有效提升护城河水动力,改善护城河水质。

5 结论

本文设计缓蓄快放系统,通过缓慢蓄水快速泄放的方法提升西安市护城河水动力、改善护城河水质。构建了基于MIKE21护城河水动力-水质耦合模型,并通过实测水位、流速及水质数据对所建耦合模型进行率定及验证。通过设置不同的蓄水高度及上游补水水质,模拟了8种方案下的水质、水动力改善效果,探究了缓蓄快放系统不同蓄水高度和不同补水水质共同作用对水体流速和水质关键指标浓度分布影响特性。结果表明:不同蓄水高度对流速影响显著,随着蓄水高度的增加,流速增加明显,不同补水水质对下游水体的水动力无显著影响;补水水质对护城河水质影响显著,随着蓄水高度的增加,“缓蓄快放”系统对水质改善程度先增加后减弱;西安市护城河采用地表Ⅲ类水作为补水水源、蓄水高度1 m工况下,通过“缓蓄快放”系统对护城河水质改善最优。