方浩川，許仁義，錢睿智，汪凌翔

(1.揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009; 2.江蘇水文水資源勘測局揚州分局，江蘇 揚州 225000)

1 概 述

江蘇省揚州市通南地區(qū)位于長江下游沿江地區(qū)，地勢平緩，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，年平均降水量為1 031 mm，但水文條件十分復(fù)雜，地表徑流在空間和時間上分配很不均衡，具體表現(xiàn)為南部徑流多于北部，豐水期降水值在年降水量中占了很大比重，而且由于許多河流河床都比較窄，城區(qū)實際往外(長江及周邊河流)排水口較少，水流常常被堵在城區(qū)，排水效果不是很完善，導(dǎo)致在汛期常?？赡馨l(fā)生洪澇災(zāi)害。在水質(zhì)問題上，由于近些年揚州城市發(fā)展較為迅速，且在水污染整治問題上有所欠缺，導(dǎo)致水污染問題日益嚴重[1]。本文基于一維非恒定水流流動基本方程組及一維污染物對流-擴散方程，建立了揚州通南地區(qū)城市河網(wǎng)一維水量水質(zhì)模型[2]，模型采用隱格式[3]進行數(shù)值求解，從而模擬出水流過程及污染物輸運擴散過程，為以后改善該地區(qū)的水質(zhì)以及水生態(tài)打下了基礎(chǔ)。

2 水量水質(zhì)模型

2.1 水量模型

水流在平底、棱柱形明渠中一維非恒定流動的基本方程組—圣維南方程組[2]：

(1)

(2)

式中：A為過水面積，m2；Q為斷面流量，m3/s；Z為水位，m；α為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；qL為旁側(cè)入流，m2/s，入流為正，出流為負；vx為入流沿水流方向的速度，m/s。

2.2 水質(zhì)模型

河網(wǎng)對流污染物輸移問題的基本方程[4]為

(3)

式中：Ex為縱向分散系數(shù)；C為水流輸送的物質(zhì)濃度；Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項，Sc=KdAC，Kd為衰減因子；S為外部的源或匯項。

3 模型建立與驗證

3.1 河網(wǎng)概化

本實驗是對江蘇揚州邵伯湖供水區(qū)通南地區(qū)所屬河流進行河網(wǎng)水動力及水質(zhì)數(shù)值模擬，其具體包括邵仙引河、老通揚運河、小涵河、顧圩河、白塔河、灰糞港、向陽河、紅旗河八大主要河流，以及邵仙閘洞、宜陵地涵、通江閘、河口閘四大主要水利工程建筑物。根據(jù)通南地區(qū)各河流河床斷面數(shù)據(jù)及過水情況分析，為符合工程計算要求，概化出揚州市通南地區(qū)河網(wǎng)平面圖見圖1。

圖1 揚州通南地區(qū)河網(wǎng)概化圖

3.2 斷面概化

數(shù)模過程根據(jù)實測斷面資料，選用等腰梯形斷面布置。

3.3 邊界條件

根據(jù)2016年5月30—31日揚州市通南地區(qū)各個測量點實測資料，以及流域內(nèi)各水工建筑物工作情況，得出該段時間內(nèi)除通江閘為關(guān)閉外，其余閘門都正常過流。水流從邵仙閘洞入流，途徑老通揚運河，連小涵河與顧圩河，經(jīng)宜陵地涵與白塔河相通，最后經(jīng)小涵河、顧圩河及河口閘向外排出。結(jié)合河網(wǎng)邊界條件給定條件，設(shè)定邵仙引河上游為流量進口邊界，顧圩河、小涵河、河口閘給定水位出口邊界。

3.4 時間、空間步長

由于天然河道河床高程沿著縱向不斷變化，所以在構(gòu)建數(shù)值模型時在空間步長的選擇上需要貼合真實地形的需求。理論上而言，模型計算的時間、空間步長越小，計算結(jié)果的誤差就會越小，但相對的產(chǎn)生的計算量就會變大，若時間和空間步長過大，容易產(chǎn)生過大的數(shù)值坦化，無法精確反映真實情況，因此權(quán)衡效率及誤差是步長選擇的根本。因此根據(jù)河網(wǎng)各河道斷面實測數(shù)據(jù)，采用空間步長為800～1 500 m，時間步長則為200 s。

3.5 初始條件

模型的初始條件包括流量、水位及水質(zhì)情況，設(shè)定初始條件的意義就是為了能更貼近真實河流水流情況，使模型開始計算時水流流速、水位及污染物濃度情況能與實際情況一致，使計算結(jié)果精確度更高，本次模擬水流上下游邊界條件均采用31日10 h實測數(shù)據(jù)，內(nèi)部水流情況為給定流速為零，水位統(tǒng)一為3.6 m，各污染物濃度給定其一個均值情況，并以在該邊界條件下模型正常運行4 d之后，待其流速、水位情況基本達到穩(wěn)定之后各河段水動力及水質(zhì)情況為后續(xù)模型計算的初始條件[5]。

3.6 模型率定及驗證

3.6.1 參數(shù)率定

本次模型選用2016年5月30—31日通南地區(qū)水文站實測資料進行模型參數(shù)率定，通過反復(fù)調(diào)整河床糙率數(shù)值以達到水位及流量計算值能與實測值盡量吻合，并根據(jù)查閱揚州市水質(zhì)情況資料，在模型中加入點污染源，使得監(jiān)測點的模型水質(zhì)計算值更加貼合實測值。通過調(diào)整，得到各河流參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)率定結(jié)果

3.6.2 計算結(jié)果

并根據(jù)2016年10月24—25日的實測值進行模型驗證，驗證結(jié)果如下：表2～3為河網(wǎng)內(nèi)部各測量點水位及流量驗證對比結(jié)果；表4～7為河網(wǎng)內(nèi)部各測量點TN、TP、NH3-N及CODMn質(zhì)量濃度驗證對比結(jié)果。

表2 模型水位模擬與實測對比 單位:m

表3 模型流量模擬與實測對比 單位:m3/s

表4 模型TN質(zhì)量濃度模擬與實測對比 單位:mg/L

表5 模型TP質(zhì)量濃度模擬與實測對比 單位:mg/L

表6 模型NH3-N質(zhì)量濃度模擬與實測對比 單位:mg/L

表7 模型CODMn質(zhì)量濃度模擬與實測對比 單位:mg/L

圖3 宜陵處TN質(zhì)量濃度計算與實測對比

通過觀察表2～7或圖 2～3可以發(fā)現(xiàn)，水位與流量的實測值與計算值曲線都較為接近，具體有所偏差原因可能是由于地下水及周邊細小支流影響，但計算結(jié)果還是保證了在誤差允許的范圍內(nèi)。在污染物濃度表現(xiàn)上，由于揚州水系支流十分發(fā)達，大部分工廠，房屋都是建在河流旁邊，所以每天不同時刻都會有不定量的工業(yè)污水、生活污水排入河中，而這一部分的排入點污染濃度是無法精確到每一個時刻的，只能取一個近似的平均值，所以在計算結(jié)果上，相較于實測值的某時刻的突然變化，污染物濃度曲線所表現(xiàn)的就比較平緩，但也保證了計算值并沒有超過實測值的2倍和1/2間的范圍，且變化趨勢也較為統(tǒng)一。模型率定結(jié)果表明，模型參數(shù)選取合理，所建立的模型能夠模擬東區(qū)河道內(nèi)的水流運動情況及水質(zhì)變化，為改善東區(qū)水動力條件及水環(huán)境改善提供了技術(shù)支撐。

圖2 宜陵處流量、水位計算與實測對比

4 結(jié) 論

本文通過對揚州市通南地區(qū)河網(wǎng)水動力及水環(huán)境經(jīng)行數(shù)值模擬，建立了通南地區(qū)水動力-水環(huán)境河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，通過實測水文資料對模型進行了率定，并經(jīng)水文站實測值與計算值驗證對比情況可知，本模型無論在水位、流量及水質(zhì)計算上都與實測值貼合程度都較好，計算結(jié)果有較好的精確度。因此，該模型能夠用于分析在不同水資源調(diào)度情況下?lián)P州內(nèi)部河網(wǎng)水動力條件的情況和水質(zhì)情況。且根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，邵伯湖供水去揚州通南地區(qū)河網(wǎng)水流從邵仙河引入后，絕大部分都從小涵河及顧圩河流出，其河網(wǎng)中部及南部地區(qū)水流流速都較慢，而且由于河流斷面都較為狹窄，所以在該閘門控制現(xiàn)狀下，如遇到大規(guī)模降雨會有洪澇災(zāi)害的可能。