田傳沖,陳　星,湛忠宇,盧婉瑩

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098)

水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的流域水系連通方案

田傳沖,陳星,湛忠宇,盧婉瑩

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：以臨海市大田港流域為例,統(tǒng)籌水量水質(zhì)綜合效益,根據(jù)流域地形、各子流域特性、土地利用類型及人口分布等關(guān)鍵因素,利用ArcGIS分析計算流域暴雨水及水質(zhì)管理關(guān)鍵點,再通過徑流分析梳理水系廊道,擬定水系連通方案,最后利用MIKE11構(gòu)建降雨徑流-水動力-水質(zhì)耦合模型,確定基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的最優(yōu)連通方案,進而構(gòu)造雨洪安全及水質(zhì)安全格局。結(jié)果表明:構(gòu)建的一維耦合模型在大田港流域有較好的適用性;最優(yōu)連通方案不僅使流域滿足行洪排澇標準,而且也使斷面水質(zhì)達標率超過90%。

關(guān)鍵詞：水量;水質(zhì);水系連通;耦合模型;大田港流域

河湖水系是水資源的載體,也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,河湖水系及其連通狀況直接影響水資源的格局、水資源承載能力、水資源的可持續(xù)利用、水旱災(zāi)害的風(fēng)險狀況及生態(tài)環(huán)境等[1]。水系連通是國家新時期保障水安全的治水方略,通過調(diào)整、優(yōu)化河湖水系格局,可以改善水資源時空分布不均狀況,提高水資源分布格局與經(jīng)濟社會格局的協(xié)調(diào)性[2]。隨著生活水平的提高,特別是在浙江省提出“五水共治”之后,臨海市對水環(huán)境的要求也越來越高,傳統(tǒng)的主要考慮水量、以行洪排澇為目的水系連通方案已然不能滿足實際需求,水系連通必須要在“推進五水共治、突出治污治澇”的大背景下,同時構(gòu)造雨洪安全格局和水質(zhì)安全格局。筆者以臨海市大田港流域為例,統(tǒng)籌水量水質(zhì)的綜合效益,根據(jù)流域地形、各子流域特性、土地利用類型及人口分布等關(guān)鍵因素,基于ArcGIS分析,計算分析流域暴雨水及水質(zhì)管理關(guān)鍵點,并以此為突破口,利用MIKE11構(gòu)建降雨徑流-水動力-水質(zhì)耦合模型,進而確定基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的流域水系最優(yōu)連通方案,為水系連通的研究提供新思路。

1研究區(qū)概況

大田港流域位于臨海市中北部,流域面積約570 km2,平均坡度為13.3°,主要包括白石溪、兩頭門溪、后湖溪、瑯坑溪、康谷溪、小芝溪、嚴坑溪等水系。利用ArcGIS中的水文分析工具,將研究區(qū)劃分7個子流域(圖1),各子流域?qū)傩越y(tǒng)計見表1。大田港流域三面環(huán)山,地勢中部低四周高,呈“鍋底”形狀;流域上游河短坡陡,集流快、洪水猛,下游地勢低,牛頭山水庫雖然可以調(diào)控部分子流域來水,但由于集雨面積較大且只有大田港閘一個排水通道,又受靈江潮水頂托,故易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

臨海市主城區(qū)主要集中在大田港流域,人口密度大,點源、非點源污染比較嚴重,考核斷面基本全部為劣Ⅴ類斷面,流域面臨的水環(huán)境問題較為嚴峻。

注：①～⑦為子流域編號圖1　大田港流域水系地形及子流域劃分

子流域編號水系名稱水系長度/m子流域面積/km2子流域平均坡度/(°)有無調(diào)控工程①白石溪885034.0718.58無②兩頭門溪1478052.4722.18無③后湖溪735030.6417.28無④瑯坑溪1246057.3117.92無⑤康谷溪976037.0520.29有⑥小芝溪1512064.1018.19有⑦巖坑溪198013.3626.94有

2研究方法與應(yīng)用

2.1暴雨水關(guān)鍵點

暴雨水控制點主要包括兩部分:①指同級徑流交匯點;②河道地勢低洼點,即易發(fā)生洪澇災(zāi)害點。暴雨水關(guān)鍵點是在已確定的暴雨水控制點基礎(chǔ)上進一步篩選的,其確定原則為:上游集水區(qū)面積相對較大且無控制工程,上下游坡度驟減處(多位于山地、平原交會處)。

研究區(qū)暴雨水關(guān)鍵點屬性統(tǒng)計見表2,暴雨水關(guān)鍵點分布見圖2。

表2　暴雨水關(guān)鍵點屬性統(tǒng)計

注：①～⑤為暴雨水關(guān)鍵點編號圖2　暴雨水關(guān)鍵點分布

2.2水質(zhì)管理關(guān)鍵點

水質(zhì)改善需要在確定研究區(qū)水質(zhì)管理關(guān)鍵點的基礎(chǔ)上,加強污染源控制管理,同時考慮水系連通工程,增加補水水源。水質(zhì)管理關(guān)鍵點確定原則為:附近有較多點源、非點源污染的水系河道,人口密度或農(nóng)田所占比例較大的流域出水口,同級徑流交匯點。

研究區(qū)水質(zhì)管理關(guān)鍵點屬性統(tǒng)計見表3,土地利用現(xiàn)狀及水質(zhì)管理關(guān)鍵點分布見圖3。

表3　水質(zhì)管理關(guān)鍵點屬性統(tǒng)計

注：①～⑥為水質(zhì)管理關(guān)鍵點編號圖3　土地利用現(xiàn)狀及水質(zhì)管理關(guān)鍵點分布

2.3擬定水系連通方案

在研究區(qū)暴雨水關(guān)鍵點及水質(zhì)管理關(guān)鍵點分析確定的基礎(chǔ)上,根據(jù)徑流途徑,梳理并新增水系串聯(lián)廊道,首先滿足行洪排澇達標(20年一遇),同時考慮斷面水質(zhì)達標(平水年,水質(zhì)達到Ⅳ類及以上)。先根據(jù)暴雨水關(guān)鍵點確定行洪排澇水系連通方案,在此基礎(chǔ)上,再根據(jù)水質(zhì)管理關(guān)鍵點確定水質(zhì)改善連通方案,考慮到水質(zhì)管理關(guān)鍵點主要集中在主城區(qū),為減輕上游洪水對主城區(qū)的威脅,水質(zhì)改善連通方案要有節(jié)制閘控制。水系連通具體擬訂方案見表4,水系連通布局見圖4。

表4　擬訂方案統(tǒng)計

注：A1—A3；B1—B2為方案編號圖4　水系連通方案布局

2.4模型計算

2.4.1模型介紹

MIKE11是丹麥水利科學(xué)研究所開發(fā)的一維水量水質(zhì)模型,具有人機界面友好、可視化程度高等特點,在很多地區(qū)都已得到廣泛應(yīng)用[3-8],本文主要應(yīng)用其降雨徑流、水動力及對流擴散模塊構(gòu)建耦合模型,進行模擬計算。

a. 降雨徑流模塊。降雨徑流(NAM)模塊是一個由一系列以簡單定量關(guān)系描述的水文循環(huán)中各種陸相特征連接起來的集總參數(shù)的概念性水文模型,模擬自然流域的降雨徑流過程。模塊分4層蓄水體進行流域產(chǎn)匯流模擬計算,分別為融雪蓄水層、地表蓄水層、淺層蓄水層及地下蓄水層。

b. 水動力模塊。水動力模塊(HD)是MIKE11系統(tǒng)的核心程序,基本方程為圣維南方程組,其微分形式為

(1)

式中:Q為流量;x為沿水流方向空間坐標;Bw為調(diào)蓄寬度,指包括灘地在內(nèi)的全部河寬;Z為水位;t為時間坐標;q為旁側(cè)入流流量,入流為正,出流為負;u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為主槽過水斷面面積;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

c. 對流擴散模塊。對流擴散模塊(AD)以對流—擴散方程為基礎(chǔ),該方程同時考慮水環(huán)境中污染物的對流擴散及污染物線性消解過程,其微分形式為

(2)

式中:Ex為縱向分散系數(shù);C為水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω為河道叉點—節(jié)點的水面面積;j為節(jié)點編號;I為與節(jié)點j相連接的河道編號;Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項,可寫為Sc=KdAC,Kd為衰減因子;S為外部的源或匯項。

2.4.2模型建立與率定驗證

a. 河網(wǎng)概化。規(guī)劃區(qū)內(nèi)河道多而復(fù)雜,大部分都屬天然河道。概化時將主要的輸水河道納入計算范圍,將次要的河道和水體根據(jù)等效原理,歸并為單一河道和節(jié)點,使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。對于規(guī)劃區(qū)內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等,其調(diào)蓄作用不可忽視,采用調(diào)蓄不變原則模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用,使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。牛頭山水庫的設(shè)計標準為百年一遇,故對其上游河道不進行概化,只按照牛頭山水庫出流增加流量邊界。研究區(qū)河網(wǎng)概化見圖5。

圖5　大田港流域河網(wǎng)概化

b. 污染源概化。污染源主要分為點源和非點源,其中點源包括排入污水廠的城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)企業(yè)源,非點源包括未接入城市污水管網(wǎng)的城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源、農(nóng)田面源和畜禽源。點源根據(jù)排污口的位置直接加入到概化的河網(wǎng)中;非點源根據(jù)流入的河道分布概化到一定長度的河道中,按完全混合模型進行計算。

c. 模型率定與驗證。根據(jù)研究區(qū)子流域劃分及土地利用現(xiàn)狀構(gòu)建NAM模塊,NAM和HD模塊率定的數(shù)據(jù)采用2005年14號和2007年17號臺風(fēng)洪水的降雨徑流序列,驗證的數(shù)據(jù)采用2003年16號臺風(fēng)洪水的降雨徑流序列。在NAM和HD模塊率定驗證的基礎(chǔ)上,采用2013年臨海市江北城區(qū)3次調(diào)水實驗數(shù)據(jù)對AD模塊進行率定與驗證。

2.4.3設(shè)計暴雨及模擬方案對比

a. 設(shè)計暴雨。大田港流域洪水主要由臺風(fēng)暴雨形成,本文在臨海市臺風(fēng)暴雨資料的基礎(chǔ)上,進行設(shè)計暴雨計算,結(jié)果見表5。設(shè)計暴雨的時程分配采用暴雨衰減指數(shù)法,采用的計算公式為《浙江省短歷時暴雨》中推薦的經(jīng)驗公式:

(3)

式中:Hi為i時段的累計雨量,H1、H6、H24和H72分別為降雨1 h、6 h、24 h和72 h雨量;n1,6、n6,24、n24,72分別為1～6 h時段、6～24 h時段、24～72 h時段的暴雨衰減系數(shù)。

表5　大田港流域設(shè)計暴雨成果

b. 方案對比分析。在20年一遇設(shè)計暴雨情況下,將A1、A2、A3方案分別帶入NAM+HD模塊,進行模擬計算,模擬結(jié)果見表6。由表6可知,只有A3方案滿足實際要求,故選取A3方案。在平水年的情況下,將A3+B1和A3+B2方案分別帶入NAM+HD+AD模塊,進行模擬計算,模擬結(jié)果見表6,由結(jié)果可知A3+B1要優(yōu)于A3+B2方案,最終確定水系連通方案為A3+B1。

表6　方案模擬結(jié)果對比

3結(jié)論

a. 統(tǒng)籌考慮大田港流域地形、土地利用、人口及污染源分布等因素,利用ArcGIS水文分析模塊,分別對比行洪排澇及水質(zhì)標準,確定流域暴雨水及水質(zhì)關(guān)鍵點;在此基礎(chǔ)上,以暴雨水、水質(zhì)管理關(guān)鍵點為突破口,擬定以行洪排澇和改善水環(huán)境為目的導(dǎo)向的水系連通方案。該方法統(tǒng)籌水量水質(zhì)的綜合效益,比傳統(tǒng)的以行洪排澇為目標的水系連通方案,更加符合實際需求。

b. 基于ArcGIS劃分的子流域,根據(jù)土地利用類型,利用MIKE11,建立大田港流域降雨徑流-水動力-水質(zhì)耦合模型,模擬對比分析擬定的水系連通方案,進而確定出最優(yōu)方案。結(jié)果表明:構(gòu)建的一維耦合模型在大田港流域有較好的適用性;最優(yōu)方案不僅使流域滿足行洪排澇標準,而且也使斷面水質(zhì)達標率超過90%;驗證了以暴雨水、水質(zhì)關(guān)鍵點為突破口建立基于水量水質(zhì)系統(tǒng)控制的水系連通方案這一思路的可行性,為水系連通的研究提供了新方法。

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Watershed system connectivity scheme based on water quantity and quality control system

TIAN Chuanchong, CHEN Xing, ZHAN Zhongyu, LU Wanying

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：A case study was conducted in the Datiangang Basin in Linhai City. The comprehensive benefits of water quantity and quality, and the key factors, including the basin’s terrain, the characteristics of sub-basins, the types of land use, and the population distribution were considered in the study. ArcGIS was used to analyze and calculate the key factors of rainstorm and water quality management in the basin, and the water system connectivity scheme was developed through runoff analysis in the Datiangang Basin of Linhai City. The MIKE11 model was used to build the runoff-hydrodynamic-water quality coupling model, and the optimal connectivity scheme based on the water quantity and quality control system was determined, in order to construct the rainstorm and flood safety and water quality safety pattern. The results show that the established one-dimensional coupled model has strong applicability in the Datiangang Basin, and the optimal scheme meets the requirements of flood drainage in the basin and enables the water quality compliance rate to exceed 90%.

Key words：water quantity; water quality; water system connectivity; coupled model; Datiangang Basin

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.007

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51579148)

作者簡介:田傳沖(1989—),男,碩士研究生,研究方向為水文預(yù)報、水系規(guī)劃。E-mail:798924778@qq.com

中圖分類號：TV213

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0030-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)