范興業(yè)洪光雨張翠紅 束德方

基于MAKE11模型的連云港市東部城區(qū)調(diào)水水質(zhì)模擬

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東部城區(qū)是連云港市國際性海濱城市建設(shè)的主要區(qū)域，城區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水面面積較大，河道、水庫等水體質(zhì)量是當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)的關(guān)鍵因素，在水資源總量有限的條件下，研究如何通過水資源優(yōu)化調(diào)度來改善水體水質(zhì)，營造優(yōu)美和諧的水生態(tài)環(huán)境，有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

一、研究區(qū)域概況

1.主要水體

連云港市東部城區(qū)研究區(qū)域范圍總面積約90.35km2，常水位下水面面積約6.64km2，水面率約7.35%。區(qū)域內(nèi)河道自南向北主要有東鹽河、排淡河、大浦付河等7條河道，常水位水體面積約2.95km2；自西向東主要有開泰支河、開泰河、曹圩河等10條河道，常水位水體面積約為0.03km2；湖庫水體勝利湖及周邊水體面積3.40km2，昌圩湖水體面積0.26km2。現(xiàn)有主要水利工程有新城閘、西墅閘、元寶港閘、公興港閘、大浦付閘等。

2.區(qū)域水體水質(zhì)現(xiàn)狀及調(diào)水情況

區(qū)域內(nèi)排水實行雨污分流，工業(yè)及生活污水進(jìn)污水處理廠達(dá)標(biāo)處理后入海，不進(jìn)入內(nèi)河、湖泊。主要污染源為初期雨水過后帶來的面源污染，大部分河庫現(xiàn)狀水質(zhì)一般在Ⅲ-Ⅳ類水左右，主要超標(biāo)項目為COD、NH3-N；排淡河、大浦付河等區(qū)域邊界河道受區(qū)域外污水匯入影響，水質(zhì)較差，一般在劣Ⅴ類，主要超標(biāo)項目為COD、NH3-N、PHENOL。

東鹽河經(jīng)區(qū)域外的玉帶河與市區(qū)飲用水源地薔薇河相連，薔薇河水質(zhì)相對較好，現(xiàn)狀條件下，可以從薔薇河經(jīng)東鹽河調(diào)水補(bǔ)充區(qū)域內(nèi)生態(tài)用水需求，但該調(diào)水線較長，容易受城區(qū)污水匯入的影響，且受其上游電廠閘規(guī)模及玉帶河航運所限，調(diào)水需分時段進(jìn)行，調(diào)水流量有限，不宜超過30m3/s。此外，該區(qū)域臨近新沭河下游，三洋港擋潮閘投入使用后，三洋港閘上形成一平原水庫，為該區(qū)域生態(tài)調(diào)水創(chuàng)造了良好條件，利用新沭河下游棄水可適當(dāng)提高調(diào)水流量至50 m3/s。因此，可以在不同的水利工況下，研究從東鹽河、從新沭河生態(tài)調(diào)水的不同效果，以制定出最佳的實施方案。

二、基于DHI-MAKE11模型的水體質(zhì)量管控措施模擬

連云港東部城區(qū)河網(wǎng)較密，水動力復(fù)雜。本文利用DHI-MIKE11模型分析區(qū)域河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)在研究區(qū)域水質(zhì)惡化情況下，研究如何利用水利工程調(diào)水沖污，達(dá)到用水量最小、區(qū)域水體水質(zhì)改善效果最佳的目標(biāo)。

1.DHI-MIKE11簡介

DHI-MIKE11水環(huán)境模型軟件是丹麥水利研究院（Danish Hydraulic Institute，DHI）的水環(huán)境模擬綜合軟件。該軟件可以通過MIKE11 HD（河網(wǎng)水動力模型）動態(tài)模擬河流及其水動力，通過MIKE11 SO（水工聯(lián)合調(diào)度模型）自行定義操作規(guī)則來模擬閘、堰、泵等水工結(jié)構(gòu)物的運行，通過MIKE11 AD（對流擴(kuò)散模型）對污染物在河道中的對流和擴(kuò)散進(jìn)行計算、分析，模擬出區(qū)域水資源調(diào)度對河道水質(zhì)的影響，從而幫助決策者制定最優(yōu)的水利工程調(diào)度方案，實現(xiàn)改善區(qū)域河道水環(huán)境的目標(biāo)。

2.研究方法

本文以COD為代表水質(zhì)指標(biāo)，假設(shè)區(qū)域內(nèi)勝利湖、入海水道等主要水體初始水質(zhì)為劣Ⅴ類（COD含量50mg/L），以東鹽河、新沭河（COD含量20mg/L）為兩個不同的調(diào)水水源，在不同的調(diào)水流量、不同的區(qū)域出水口（新城閘、西墅閘）條件下，研究提出區(qū)域水體水質(zhì)得到有效改善（勝利湖及其周邊水體COD含量降為30mg/L）時最優(yōu)的工程與非工程措施。

3.模擬過程

（1）從東鹽河調(diào)水，假設(shè)不同工況下的模擬成果

①設(shè)定不同出水口下的生態(tài)補(bǔ)水效果

假設(shè)從東鹽河調(diào)水流量20m3/s，新城閘、西墅閘兩個出水口同時排水，勝利湖及周邊水體水質(zhì)得到有效改善時，所需調(diào)水水量約1676萬m3，在單開啟西墅閘的情況下，所需調(diào)水水量約1237.7萬m3。因此，根據(jù)模型分析成果，調(diào)水沖污時應(yīng)只開西墅閘，對于新城閘閘上部分河段，待勝利湖及周邊水體水質(zhì)改善時，微開一下即可。

②設(shè)定不同入流量下的生態(tài)補(bǔ)水效果

假設(shè)由東鹽河調(diào)水，設(shè)定不同的入流量，在單開啟西墅閘的情況下，勝利湖及周邊水體水質(zhì)得到有效改善時，調(diào)水歷時、所需水量見表1。根據(jù)模擬結(jié)果可知，小流量常態(tài)化調(diào)水對改善研究區(qū)域水質(zhì)更為有利，但小流量沖污時間太長。

③改善水體質(zhì)量的水利工程措施分析

A方案：設(shè)定東鹽河調(diào)水流量20m3/s，只開西墅閘，根據(jù)模擬結(jié)果分析，玉竹河、昌圩河、玉竹河和程圩河連接河道為水動力死水區(qū)；大浦付河有一段盲河無法得到水力沖污；其他河道水動力良好、沖污效果較好。

B方案：根據(jù)A方案成果，在玉竹河與程圩河連接河道加1.0m3/s水泵，根據(jù)模擬結(jié)果分析，由于抽水從銀珠河回流至程圩河，玉竹河、昌圩河下段沖污效果仍然不佳。

C方案：根據(jù)A、B方案成果，在玉竹河與程圩河連接河道加1.0m3/s水泵，同時在銀珠河入程圩河處加閘，其他條件不變，根據(jù)模擬結(jié)果分析，程圩河入排淡河口處極少部分沖污效果略顯不佳，其他河道效果良好。

表1 單開啟西墅閘情況下，不同入流量對應(yīng)的水質(zhì)改善所需時間、水量

表2 新沭河上段引水組合內(nèi)部水利工程措施后，不同入流量對應(yīng)的水質(zhì)改善所需時間、水量

（2）從新沭河調(diào)水，不同引水工程生態(tài)補(bǔ)水效果分析

新沭河從大浦閘至三洋港擋潮閘長約12.5km，從何處引水可以取得區(qū)域內(nèi)水體沖污的最佳效果需要研究，現(xiàn)假定從新沭河上段、中段、下段引水，分析其沖污效果。

①從新沭河上、中、下段引水沖污效果對比分析

A方案：從新沭河上段引水，在大浦閘北新建引水工程，設(shè)由新沭河調(diào)入20m3/s，只開西墅閘，在勝利湖及周邊水體水質(zhì)得到改善時，根據(jù)模型分析，與從東鹽河調(diào)水的A方案相比，死水區(qū)增加了程圩河上段。新沭河上段現(xiàn)狀沒有引水口，該方案需在大浦閘北側(cè)新建穿堤涵洞及穿大浦河排水專道地涵。

B方案：從新沭河中段公興港閘引水，其他條件不變，根據(jù)模型分析，與從東鹽河調(diào)水的A方案相比，死水區(qū)增加了曹圩河與曹圩湖及開泰河上部一部分，與新沭河上段調(diào)水相比，減少了程圩河上段死水區(qū)，增加了幾乎整條曹圩河與曹圩湖及開泰河上部一部分水動力死水區(qū)，其沖污效果明顯不如從新沭河上段引水。該方案需新建穿大浦河排水專道地涵。

C方案：從新沭河下段元寶港閘引水，其他條件不變，根據(jù)模型分析，與從東鹽河調(diào)水的A方案相比，死水區(qū)增加了開泰河上部及墅港河上部，與新沭河上段調(diào)水相比，減少了程圩河上段死水區(qū)，增加了開泰河上部及墅港河上部，其沖污效果好于中段公興港閘引水，不如從新沭河上段引水。該方案仍需新建穿大浦河排水專道地涵。

②從新沭河上段引水與區(qū)域內(nèi)部水利工程措施的組合分析

根據(jù)已有研究結(jié)果可知，從新沭河引水，A方案引水效果最好，但研究區(qū)域仍有水動力死水區(qū)，需要增加水利工程措施來改善其水動力條件。假定在程圩河南口、連接河道、銀珠河入程圩河處設(shè)2.0m3/s閘門，根據(jù)模型成果，區(qū)域內(nèi)水體除墅港河中段有一少部分水質(zhì)改善較差外，總體水體質(zhì)量改善良好。

假定調(diào)水流量分別為 20 m3/s、50m3/s，在勝利湖及周邊水體得到改善時，其不同入流量對應(yīng)的水質(zhì)改善所需時間、水量見表2，由此可見，該條件下，用水總量相差不大，入流量增大沖污時間大為減少，說明在新沭河水量豐富有棄水情況下可以用較大流量引水沖污，水體改善時間段、效果好。

三、研究成果

DHI-MAKE11水動力、水工聯(lián)合調(diào)度及對流擴(kuò)散模型研究結(jié)論如下：

（1）東部城區(qū)的水資源調(diào)度補(bǔ)充生態(tài)用水時，應(yīng)只開西墅閘，對于新城閘閘上部分河段，待勝利湖及周邊水體水質(zhì)改善時，微開一下新城閘即可解決。

（2）大浦付河為區(qū)域水資源調(diào)度沖污盲河段，其水質(zhì)改善措施建議采用水生動植物凈化該河段水質(zhì)。

（3）從東鹽河調(diào)水沖污時（在水量水質(zhì)滿足的情況下），在玉竹河與程圩河連接河道加水泵，同時在銀珠河入程圩河處加閘，區(qū)域水體質(zhì)量改善效果較好。但是，受到調(diào)水流量、調(diào)水時間、調(diào)水線路長等因素的制約，該調(diào)水線路可靠性較低。

（4）在新沭河上段大浦閘北新建引水工程，在程圩河南口、連接河道、銀珠河入程圩河處設(shè)置閘門，區(qū)域調(diào)水沖污效果最好（不考慮投資），用水量最小。小流量沖污相比大流量沖污用水量差別不大，在新沭河棄水量豐富的情況下，可以用較大流量引水沖污，可大幅度縮短水體質(zhì)量改善時間

（作者單位：1.連云港市水利局222004 2.江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 222004）