周 飛，徐 飛，湛忠宇

（江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210008）

0 引言

引調(diào)水是快速改善河網(wǎng)水質(zhì)的有效途徑，它通過“以動(dòng)制靜、以豐補(bǔ)枯”的方式增強(qiáng)水體流動(dòng)性和增加水環(huán)境容量，從而達(dá)到改善水質(zhì)的目的。 該方法的實(shí)踐應(yīng)用較多，且效果明顯，尤其是在我國東部平原河網(wǎng)地區(qū)。 不同調(diào)度方案對水質(zhì)的改善效果不盡相同。目前， 諸多研究在采用河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬不同調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，再通過水質(zhì)評價(jià)計(jì)算，選出環(huán)境效益最佳的調(diào)水引流方案。 夏琨等采用MIKE11模型建立了秦淮河引調(diào)水一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型， 以氨氮濃度為水質(zhì)改善特征指標(biāo)， 運(yùn)用模型對6 個(gè)典型斷面水質(zhì)改善效果進(jìn)行模擬與計(jì)算， 選出了最佳的引調(diào)水方案［1］。 周鵬程等以深圳市原水系統(tǒng)多水庫聯(lián)合調(diào)度為例，應(yīng)用多參數(shù)最優(yōu)化估值模型對調(diào)度效果進(jìn)行了模擬分析，從而為城市原水系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)控提供了參考［2－3］。 宋子奇等將生態(tài)與經(jīng)濟(jì)并重的能值分析法應(yīng)用于浙東引水工程，繼而對工程沿線地區(qū)的生態(tài)效益進(jìn)行量化分析［4］。 張永勇等建立了遺傳算法和閘壩調(diào)度耦合的SWAT 模型， 并將其應(yīng)用于北京市溫榆河流域水污染整治工程［5］。 潘泓哲等建立了太湖流域走馬塘東南片一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，通過構(gòu)建環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合的評價(jià)體系，研究了不同引調(diào)水方案對區(qū)域水環(huán)境的改善效果［6］。

太倉市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，工業(yè)企業(yè)較多，水環(huán)境現(xiàn)狀不盡理想， 但其地處江尾海頭， 引調(diào)水水量、水質(zhì)能夠得到保障，所以可以通過控制閘站調(diào)度引外河水改善城區(qū)水質(zhì)。 筆者試通過建立河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究不同調(diào)水方案的運(yùn)行效果，以期得到調(diào)水引流的最佳方案。

1 研究區(qū)概況

太倉市位于蘇州市東北部，長江口南岸，地處北緯31°22＇～31°44＇、東經(jīng)120°58＇～121°20＇，市域總面積為822.926 km2，其中長江水域面積為173.89 km2，約占總面積的五分之一。 城區(qū)位于市域的南部，地勢平坦，屬于平原河網(wǎng)地區(qū)，水系縱橫，并以東城河—通城河為界，大體分老城區(qū)、新城區(qū)兩片。 橫向的新瀏河、致和塘、城北河、東長春河—?jiǎng)⒓液雍涂v向的鹽鐵塘、大半涇河、婁江河、十八塘構(gòu)成城區(qū)骨干河網(wǎng)，其中新瀏河為區(qū)域性通江引排河道。 老城區(qū)內(nèi)部河道直接與鹽鐵塘連通，通過閘站控制與新瀏河、城北河連通。新城區(qū)外圍建有防洪包圍圈，外圍河道通過閘站與內(nèi)部河道相連。 太倉市水系現(xiàn)狀詳見圖1。

圖1 太倉市現(xiàn)狀水系圖Fig.1 Current water system of Taicang City

2 研究方法

2.1 模型構(gòu)建

為了確定研究區(qū)內(nèi)主要河道的水量模型參數(shù)和水質(zhì)降解參數(shù)，筆者模擬太倉市主城區(qū)調(diào)水期間涉及的各主要河道沿程水量、水質(zhì)的連續(xù)變化過程，建立了一維水量水質(zhì)耦合模型［7－9］。 其中，河網(wǎng)非穩(wěn)態(tài)水量采用節(jié)點(diǎn)—河道模型，通過加入漫灘和旁側(cè)入流形式的圣維南方程組求解，具體表達(dá)式如式（1）所示。

式中：Q 為河流流量，m3／s；x 為沿水流方向的空間坐標(biāo)，m；BW為調(diào)蓄寬度，m；Z 為河道水位，m；t 為時(shí)間坐標(biāo)，s；q 為支流入流流量（流入為正，流出為負(fù)），m3／s；u 為斷面平均流速，m／s；g 為重力加速度，m／s2；A 為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2；B 為主流斷面寬度，m；n 為河道糙率；R 為水力半徑，m。

水質(zhì)模型采用污染物對流擴(kuò)散方程， 其表達(dá)式如式（2）和式（3）所示［10－11］。

式中：Q 為河道流量，m3／s；Z 為河道水位，m；A為河道面積，m2；Ex為縱向分散系數(shù)；C 為水流輸送的物質(zhì)濃度，mg／L；Ω 為河道叉點(diǎn)－節(jié)點(diǎn)的水面面積，m2；j 為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；I 為與節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的河道編號(hào)；Sc為與輸送物質(zhì)濃度相關(guān)的衰減項(xiàng)；Kd為衰減因子；S 為外部的源匯項(xiàng)。

太倉主城區(qū)河網(wǎng)主要以城北河、通城河、東城河、致和塘、團(tuán)結(jié)河、東長春河、相公河、大半涇、劉家河、李家河、小半涇、婁江河等為骨干河道，本研究將其概化成255 個(gè)節(jié)點(diǎn)、55 條河道，具體如圖2 所示。

2.2 模型率定與驗(yàn)證

根據(jù)模型的概化結(jié)果，選取通城河閘站（1＃）、大半涇北閘站（2＃）、東城河北閘站（3＃）、婁江河北閘站（4＃）、大半涇閘站（11＃）、團(tuán)結(jié)河閘站（12＃）、東長春河與鹽鐵塘交界斷面（13＃）、致和塘與鹽鐵塘交界斷面（14＃）、北城河閘站（23＃）等9 個(gè)斷面作為邊界斷面。將各斷面各時(shí)段的水位、 流量和水質(zhì)實(shí)測值設(shè)為模型邊界條件。 在水量計(jì)算中，除了13＃、14＃、23＃斷面的邊界條件為水位條件， 其他各斷面的邊界條件均為流量條件。

根據(jù)某一天野外同步監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)對水動(dòng)力模型進(jìn)行率定驗(yàn)證， 模型計(jì)算值和實(shí)測值對比結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可以看出，各斷面計(jì)算值與實(shí)測值的平均相對誤差小于20%。 因此，該模型可較好地模擬太倉城區(qū)河網(wǎng)流量變化過程。 河道糙率值為0.02～0.04。

根據(jù)水質(zhì)模型計(jì)算的各斷面COD 和氨氮濃度與實(shí)測值的對比結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 可以看出，各斷面的COD、氨氮濃度模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差均小于20%，模型模擬結(jié)果較好。COD和氨氮水質(zhì)降解系數(shù)分別為0.08～0.10 d－1、0.05～0.08 d－1。

3 引調(diào)水方案比選

3.1 可選方案

平原河網(wǎng)區(qū)河道縱橫交錯(cuò)，水體流態(tài)復(fù)雜，可實(shí)施的調(diào)水方案組合較多， 不同調(diào)水方案的調(diào)水效果及成本各不相同。太倉主城區(qū)范圍內(nèi)僅致和塘、東城春河與外河鹽鐵塘相連通， 其他內(nèi)部河道與外圍河道交接處都有閘站控制。 根據(jù)閘站現(xiàn)有泵站狀況制訂模擬方案，具體如表1 所示。

調(diào)度方案總引排量/（m3/s）各閘站引排量/（m3/s）東城北河閘站北城河閘站1 12 0 0 0 0 6 0 2 4 0 2 13 -4 -4 0 0 0 -3 -2 1 0 3 12 0 0 0 0 6 0 2 4 1 4 13 -4 -4 0 0 0 -3 -2 1 1 5 10 0 0 0 0 4 0 2 4 0 6 8 0 0 0 0 2 0 2 4 0 7 12 0 0 0 2 6 0 0 4 0 8 12 0 0 0 4 4 0 0 4 0婁江北河閘站八佰涇閘站婁江河閘站大半涇閘站大半涇北閘站通城河閘站團(tuán)結(jié)河閘站

3.2 水質(zhì)評價(jià)方法

本文用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法計(jì)算城區(qū)水質(zhì)的污染程度，從而進(jìn)一步對水質(zhì)改善效果進(jìn)行對比分析。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)由整數(shù)位、小數(shù)點(diǎn)及其后三位或四位小數(shù)構(gòu)成［12－13］，如 Iwq＝a1.a2a3a4。 其中，Iwq為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)；a1為綜合水質(zhì)級別， 可參考表2 確定；a2為綜合水質(zhì)在該級別水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，a1.a2由式（4）確定；a3為參與綜合水質(zhì)評價(jià)的單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的指標(biāo)個(gè)數(shù)；a4為水質(zhì)類別與水質(zhì)目標(biāo)的關(guān)系。 若水質(zhì)類別好于或達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，則a4＝0；若水質(zhì)類別差于水質(zhì)目標(biāo)且a2不為0，則a4＝a1-b（b 為目標(biāo)水質(zhì)類別）；若水質(zhì)類別差于水質(zhì)目標(biāo)且a2為0，則a4=a1-b-1。

式中：n 為水質(zhì)評價(jià)中水質(zhì)單指標(biāo)的個(gè)數(shù)；S1，S2，…，Sn分別為第1，2，…，n 個(gè)單因子水質(zhì)指數(shù)。

指數(shù)范圍 評價(jià)級別1.0≤X≤2.0 Ⅰ類2.07.0 劣Ⅴ類、黑臭

調(diào)度方案 總流量/（m3/s） 8# 13# 15# 17# 21# 24#現(xiàn)狀 - 5.863 6.013 6.264 6.264 5.613 5.914 6.013 1 12 5.712 5.311 5.912 5.812 5.411 5.612 5.628 2 13 5.211 5.411 5.111 5.411 5.311 5.411 5.311 3 12 5.311 5.311 4.811 5.011 5.211 5.512 5.195 4 13 5.512 5.411 5.311 5.512 5.411 5.411 5.428 5 10 5.612 5.211 5.011 5.211 5.311 5.612 5.328 6 8 5.612 5.211 5.211 5.411 5.311 5.612 5.395 7 12 5.512 5.111 5.011 5.111 5.211 5.512 5.245 8 12 5.612 5.211 5.211 5.211 5.311 5.612 5.361各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù) 平均

3.3 引調(diào)水方案比選

通過對各斷面水樣水質(zhì)評價(jià)可知，8＃、13＃、15＃、17＃、21＃、24＃斷面為城區(qū)水質(zhì)較差的6 個(gè)斷面，本文選用此6 個(gè)斷面調(diào)水后水質(zhì)改善程度的平均值作為方案改善效果的評價(jià)依據(jù)。 各斷面綜合水質(zhì)級別評價(jià)結(jié)果如表3 所示。 為使經(jīng)濟(jì)效益最大化，筆者綜合各方案的調(diào)水流量，計(jì)算其單位流量水質(zhì)污染改善程度，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

由表3 和表4 可知，方案3 對城區(qū)整體水質(zhì)改善效果最好， 調(diào)水后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改善程度為13.6%；方案6 次之，調(diào)水后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改善程度為12.2%；方案1 對城區(qū)水質(zhì)改善效果最差，調(diào)水后的綜合水質(zhì)改善程度僅為6.4%。單位流量對城區(qū)整體水質(zhì)改善效果最好的是方案6， 改善程度為1.3%；方案3、方案5、方案7 改善效果次之，單位流量水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改善程度為1.1%；方案4 對城區(qū)的水質(zhì)改善效果最差，故得出方案6 為最優(yōu)調(diào)水方案。

調(diào)度方案 各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改善程度/% 平均/%8# 13# 15# 17# 21# 24#0.2 1.0 0.5 0.6 0.3 2 0.9 0.8 1.4 1.0 0.4 3 0.8 1.0 1.9 1.7 0.6 4 0.5 0.8 1.2 0.9 0.3 5 0.4 1.3 2.0 1.7 0.5 6 0.5 1.7 2.1 1.7 0.7 7 0.5 1.3 1.7 1.5 0.6 8 0.4 1.1 1.4 1.4 0.4 1 0.4 0.7 0.6 0.7 0.5 0.6 0.6 0.4 0.5 0.9 1.1 0.7 1.1 1.3 1.1 0.9

4 結(jié)語

平原區(qū)河網(wǎng)水體受特殊的地理?xiàng)l件和社會(huì)環(huán)境影響，水污染問題日益嚴(yán)重，如今已經(jīng)嚴(yán)重制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。 本文以江蘇省太倉市為研究對象，建立了一維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，并通過野外原型調(diào)水實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行了參數(shù)率定， 得到河道糙率為0.02～0.04，COD 水質(zhì)降解系數(shù)為0.08～0.10 d－1，氨氮水質(zhì)降解系數(shù)為0.05～0.08 d－1。 在此基礎(chǔ)上，選取現(xiàn)狀水質(zhì)最差的6 個(gè)斷面作為評價(jià)斷面， 采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法對引調(diào)水前后水質(zhì)進(jìn)行對比分析，得出方案3 對水質(zhì)綜合改善效果最佳。最后，通過計(jì)算分析單位流量水質(zhì)改善程度，得出方案6 為最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)的調(diào)水方案， 其單位流量水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改善程度為1.3%。

[責(zé)任編輯 楊明慶]