何 健，馮勝男，韓幸燁

（1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024）

1 概 述

江蘇省沿江城市河網(wǎng)受水閘調(diào)控和污染排放的影響，河網(wǎng)水動力不足和水質(zhì)欠佳直接影響生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定［1-3］，保障河網(wǎng)生態(tài)需水已成為江蘇沿江城市生態(tài)文明建設(shè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，因此，亟需開展閘泵調(diào)度對城市河網(wǎng)水動力水質(zhì)改善效果的研究。然而，目前國內(nèi)外針對水利工程的生態(tài)調(diào)度研究多集中在水庫的生態(tài)調(diào)度上，即在水庫及其下游生態(tài)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上利用水庫的調(diào)蓄能力，在保證水庫原有目標(biāo)實現(xiàn)的前提下對河道流量進行生態(tài)調(diào)度［4］。Wan等［5］提出了一種具有動態(tài)鄰域拓?fù)涞母倪M算法，進行水電站生態(tài)運行中河流生態(tài)用水需求計算研究，構(gòu)建了水電站生態(tài)用水需求調(diào)度模式。于世偉［6］通過繪制生態(tài)運行圖，制定運行規(guī)則，對滿足白洋淀環(huán)境需水量的水庫生態(tài)運行方式進行研究，建立了基于運行圖的生態(tài)運行模式，在優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，建立了最優(yōu)生態(tài)運行模式。Tian等［7］根據(jù)河口魚類的生態(tài)需求和近年來小浪底水庫的實際運作提出了小浪底水庫生態(tài)調(diào)度方案。王學(xué)斌等［8］構(gòu)建考慮生態(tài)的水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，探究水庫的生態(tài)效益。Steinschneider等［9］提出了一種大尺度優(yōu)化調(diào)度模型，在大流域水庫群多目標(biāo)調(diào)度問題上探討水庫協(xié)調(diào)管理措施對生態(tài)效益的貢獻。王海霞［10］以碧流河水庫為研究對象，在構(gòu)建考慮生態(tài)目標(biāo)的水庫引水與供水聯(lián)合調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，對決策方案進行了優(yōu)選。水庫生態(tài)調(diào)度研究雖然對城市河網(wǎng)閘泵的生態(tài)調(diào)度有一定的參考價值，但兩者無論是在調(diào)度目標(biāo)還是運行規(guī)則方面都有著很大的差別。鑒于揚州市具有其獨特的連接邵伯湖、古運河、長江的河網(wǎng)系統(tǒng)，本文選擇揚州市為研究區(qū)域，運用MIKE11 軟件建立水動力水質(zhì)模型，設(shè)置不同的主城區(qū)河網(wǎng)水閘調(diào)度方案，在綜合不同方案的水動力、水質(zhì)改善效果的基礎(chǔ)上，確定揚州市主城區(qū)河網(wǎng)水動力水質(zhì)改善效果最佳的閘泵調(diào)度方案。

2 研究區(qū)概況

揚州市地處江蘇省中部，長江北岸，水系主要分布在儀征市、廣陵區(qū)和邗江區(qū)，河道縱橫交錯，主要河流包括古運河、大運河、儀揚河、沿山河等。揚州主城區(qū)內(nèi)城河均為人工開挖河道，河水主要通過古運河引入大運河河水獲得補充，內(nèi)城河河道狹窄，河床淺，流量小，水體自凈能力較差，大多內(nèi)河受到嚴(yán)格的水閘控制，內(nèi)河水系與外水系不連通，客水較少，水流流速緩慢，甚至滯留，局部河段水動力較差，在現(xiàn)狀條件下，主城區(qū)河流大多處于靜止?fàn)顟B(tài)。

揚州市有眾多水利工程，其中廣陵區(qū)、邗江區(qū)區(qū)域內(nèi)引水主要依靠揚州閘，排水口較多，包括瓜洲閘、太平閘、萬福閘等。區(qū)內(nèi)為解決內(nèi)澇，進行水資源調(diào)度，建有眾多水閘和泵站，包括儀揚河?xùn)|閘、平山堂泵站、沿山河西閘等。

3 模型的建立

3.1 模型構(gòu)建

本文采用MIKE11 軟件［11-12］構(gòu)建水動力-水質(zhì)模型，水動力模塊由Saint-Venant 方程組［13］組成，利用Abbott-Ionescu 六點隱式差分格式［14］離散方程組，水質(zhì)模塊構(gòu)建采用一維對流擴散方程，并通過時空中心隱式方法離散［15］。研究區(qū)河網(wǎng)概化為33條河道，總河長182.06 km。模型中楊莊河、二道河末端過水?dāng)嗝娓鶕?jù)設(shè)計底寬和設(shè)計邊坡采用梯形斷面進行概化，其余河道采用實測大斷面資料進行處理。

水動力和水質(zhì)模型的時間步長選取15 s，存儲時間步長選取1 d，空間步長選取200 m。目前，揚州主城區(qū)河網(wǎng)的水位整體在5 m 左右，而主城區(qū)西側(cè)沿山河、新城河等水位相對較高。因此設(shè)置新城河初始水位5.4 m，沿山河初始水位7.3 m，其余河道初始水位5 m，初始流量設(shè)置為0 m3/s。

水動力模塊計算過程中各水動力邊界與河道的對應(yīng)關(guān)系見表1。污染源的設(shè)置參考《揚州市沿江區(qū)域重點河湖水質(zhì)改善提升方案項目報告》，將污染源進行概化，按照實測污染物濃度或處理后的恒定值設(shè)置排放量，具體設(shè)置見表2。

表1 研究區(qū)水動力邊界

表2 研究區(qū)水質(zhì)邊界

根據(jù)經(jīng)驗，古運河糙率初值設(shè)置為0.024，其余河道糙率初值設(shè)置為0.030。擴散系數(shù)（D）計算式為

式中：V為流速，m/s；a和b為系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置系數(shù)a和b的初值分別為300.0和2.0。

衰減系數(shù)初值設(shè)置為0.1/d，并采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為初始條件，初始氨氮質(zhì)量濃度取1.0 mg/L。

3.2 模型的率定和驗證

3.2.1 水動力模型率定和驗證

分別采用2018 年和2019 年揚州閘下、黃金壩閘下、平山堂閘下和新城河閘下4 個代表站的逐日水位過程，進行水動力模塊的率定和驗證。率定完成后得到古運河河道糙率為0.023，其余河道糙率為0.028，與正常河道的糙率取值范圍相符，率定的各站點月水位均值計算誤差在-0.15～0.22 m。水位驗證模擬結(jié)果見圖1，驗證期模型計算的月均水位過程與實測過程總體擬合較好，各站點月水位均值計算誤差為-0.15～0.29 m，計算誤差小于6.76%，結(jié)果表明，水動力模型中的參數(shù)選取合理，能夠較好地模擬水位變化過程。

圖1 水動力模塊斷面水位驗證

3.2.2 水質(zhì)模型率定和驗證

選取三灣、黨校橋、大虹橋和大東門橋4個水質(zhì)代表站的監(jiān)測數(shù)據(jù)用于率定、驗證水質(zhì)模塊，本文采用氨氮作為主要研究對象。采用2018 年1—12月的逐月氨氮質(zhì)量濃度過程進行水質(zhì)模塊的率定，率定后得到的系數(shù)a和b取值分別為300.0和2.0，衰減系數(shù)為0.11/d。不同站點的驗證成果見圖2。

計算可得水質(zhì)模型驗證成果相對誤差分別為：大虹橋120.43%、大東門橋68.63%、三灣-22.94%、黨校橋342.14%。由水質(zhì)模塊的率定和驗證成果可知，水質(zhì)模型計算結(jié)果滿足精度要求，能夠較好模擬控制斷面污染物濃度變化情況。

4 效果分析

4.1 水閘運行方案設(shè)置

目前，研究區(qū)域內(nèi)分布有黃金壩閘站、高橋閘、便宜門閘、安墩閘、新城河閘和江陽路節(jié)制閘等10座規(guī)模不等的閘站。設(shè)置方案0為主城區(qū)水閘白天的現(xiàn)狀運行方案。設(shè)置方案1 模擬主城區(qū)河網(wǎng)“東引南排”水流路線對于河網(wǎng)水動力和水質(zhì)的改善效果。在現(xiàn)狀調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，便宜門閘、高橋閘以及黃金壩水閘全部開啟引水，使古運河河水分3 路連續(xù)向西流動進入內(nèi)部河道，一路通過黃金壩流經(jīng)邗溝并進入瘦西湖、保障河湖區(qū)，另一路經(jīng)漕河高橋閘進入二道河，其余流量通過護城河流經(jīng)小秦淮河、二道河并最終回到古運河，整體上形成“東引南排”的水流路線。另外，考慮到新城河河道水位偏高等因素，因此關(guān)閉與之連接的念泗河閘以及引潮河泵站，減少新城河受污染水體對河網(wǎng)其余河道水質(zhì)的沖擊。

黃金壩閘站和平山堂泵站是主城區(qū)河網(wǎng)的關(guān)鍵水利工程，其調(diào)度運行方式直接影響著邗溝-保障湖-瘦西湖-沿山河水體流動和污染物遷移。在不改變方案1“東引南排”水流路線的前提下，調(diào)整黃金壩閘站和平山堂泵站的引水量，設(shè)置方案1 至方案5，分析不同引水流量對于主城區(qū)河道水動力、水質(zhì)的影響。各調(diào)控方案中閘門的調(diào)度方式如下。

方案0：黃金壩閘站9 m3/s，平山堂泵站5 m3/s，引潮河活水泵站0.4 m3/s，便宜門閘關(guān)閉，高橋閘關(guān)閉，念泗閘全開，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開；方案1：黃金壩閘站9 m3/s，平山堂泵站5 m3/s，引潮河活水泵站關(guān)閉，便宜門閘全開，高橋閘全開，念泗閘關(guān)閉，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開；方案2：黃金壩閘站4.5 m3/s，平山堂泵站5 m3/s，引潮河活水泵站關(guān)閉，便宜門閘全開，高橋閘全開，念泗閘關(guān)閉，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開；方案3：黃金壩閘站4.5 m3/s，平山堂泵站2.5 m3/s，引潮河活水泵站關(guān)閉，便宜門閘全開，高橋閘全開，念泗閘關(guān)閉，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開；方案4：黃金壩閘站9 m3/s，平山堂泵站7.5 m3/s，引潮河活水泵站關(guān)閉，便宜門閘全開，高橋閘全開，念泗閘關(guān)閉，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開；方案5：黃金壩閘站9 m3/s，平山堂泵站2.5 m3/s，引潮河活水泵站關(guān)閉，便宜門閘全開，高橋閘全開，念泗閘關(guān)閉，鈔關(guān)閘、安墩閘、新城河閘、江陽路節(jié)制閘全開。

4.2 河網(wǎng)水動力改善效果分析

揚州市主城區(qū)河道整體流速不大，水體流動緩慢，因此對于最優(yōu)調(diào)度方案的選取應(yīng)當(dāng)提高河道流速為標(biāo)準(zhǔn)。選取研究區(qū)2019 年2 月為典型月進行河網(wǎng)水動力改善效果分析?，F(xiàn)狀調(diào)度方式下，邗溝受黃金壩閘站引水影響，流速達0.23 m/s，二道河、沿山河、新城河、蒿草河流速超過0.25 m/s。受高橋閘和便宜門閘關(guān)閉的影響，漕河、護城河和小秦淮河流速為0，瘦西湖和保障河流速不足0.1 m/s。

引潮河泵站關(guān)閉后，楊莊河流速減小至0。方案1，護城河出現(xiàn)倒流，流速為-0.16 m/s，新城河流速增約為0.05 m/s。方案2，黃金壩閘站引水量減小，漕河流速增大0.15 m/s，護城河流速增大0.1 m/s，邗溝、二道河流速分別減小0.10 m/s 和0.07 m/s，其余河道流速變化不明顯。方案3，沿山河、邗溝流速分別減小0.18 m/s、0.10 m/s，漕河流速增大0.1 m/s，其余河道流速變化不明顯。方案4，漕河流速增大0.1m/s，新城河、沿山河流速均增大0.05 m/s，其余河道流速變化不明顯。方案5，沿山河和漕河流速分別增大0.18 m/s 和0.11 m/s，護城河出現(xiàn)倒流，流速為-0.15 m/s，其余河道流速變化不明顯。

綜合各方案對主要河道流速的改善效果可見，通過開啟高橋閘和便宜門閘可一定程度上改善漕河和護城河水動力條件（方案2、方案3 和方案4），改變黃金壩閘站和平山堂泵站的引水量對于瘦西湖和保障河的水動力條件改善不明顯，但對于邗溝、沿山河、漕河和護城河流速影響較大。對比各方案下主要河道流速的變化情況，以水動力改善為目標(biāo)的調(diào)控方案應(yīng)選擇方案4。

4.3 河網(wǎng)水質(zhì)改善效果分析

選取研究區(qū)2019 年2 月為典型月進行河網(wǎng)水質(zhì)改善效果分析。利用揚州市主城區(qū)河網(wǎng)的水動力-水質(zhì)耦合模型對不同水閘調(diào)度方案進行模擬，現(xiàn)狀調(diào)度方式下，除二道河、新城河、楊莊河、蒿草河部分河段外，其余河道氨氮質(zhì)量濃度能夠達標(biāo)。

方案1，引潮河泵站關(guān)閉后，楊莊河氨氮質(zhì)量濃度降低0.90 mg/L，其余河道氨氮質(zhì)量濃度變化不明顯。方案2，邗溝氨氮質(zhì)量濃度升高0.55 mg/L，漕河、護城河和楊莊河氨氮質(zhì)量濃度分別降低0.46 mg/L、0.54 mg/L和0.93 mg/L，其余河道氨氮質(zhì)量濃度變化不明顯。方案3，邗溝河和新城河氨氮質(zhì)量濃度分別升高0.55 mg/L 和0.63 mg/L，漕河、護城河、楊莊河氨氮質(zhì)量濃度分別降低0.45 mg/L、0.13 mg/L 和0.80 mg/L，其余河道氨氮質(zhì)量濃度變化不明顯。方案4，楊莊河氨氮質(zhì)量濃度降低1.02 mg/L，護城河、漕河、新城河、沿山河氨氮質(zhì)量濃度有小幅度降低，其余河道氨氮質(zhì)量濃度變化不明顯。方案5，楊莊河、護城河氨氮質(zhì)量濃度分別降低0.99 mg/L和0.15 mg/L，新城河氨氮質(zhì)量濃度升高0.45 mg/L。

綜合各方案對主要河道氨氮質(zhì)量濃度的改善效果可見，改變水流方式可使楊莊河、漕河、護城河氨氮質(zhì)量濃度有不同程度的降低，減小黃金壩閘站和平山堂泵站會使得邗溝、新城河等河道氨氮質(zhì)量濃度升高。對比不同方案主要河道氨氮質(zhì)量濃度的改善效果，最終確定方案4為最優(yōu)方案。

5 結(jié) 語

本文構(gòu)建了揚州市主城區(qū)水動力-水質(zhì)耦合模型，并基于2018 年和2019 年實測月均水位資料和水質(zhì)資料對所建模型進行率定和驗證。選取研究區(qū)2019 年2 月為典型月，使用構(gòu)建的水動力-水質(zhì)耦合模型模擬分析不同調(diào)控方案對研究區(qū)河網(wǎng)的水動力和水質(zhì)改善效果，為揚州市主城區(qū)河網(wǎng)水動力水質(zhì)改善提供科學(xué)依據(jù)。

（1）構(gòu)建的水動力-水質(zhì)耦合模型的模擬結(jié)果合理可靠，模擬效果較好，能夠用于揚州市主城區(qū)河網(wǎng)的水動力和水質(zhì)模擬。

（2）通過調(diào)整水流路線和泵站引水量可使主城區(qū)河網(wǎng)水動力有不同程度的改善，但對于河道水質(zhì)改善效果有限，部分河道仍需要結(jié)合控源截污措施從根本上控制河道氨氮質(zhì)量濃度。

（3）當(dāng)揚州閘引水83 m3/s，黃金壩閘站引水9 m3/s，平山堂泵站引水7.5 m3/s，關(guān)閉念泗閘和引潮河活水泵站，其余閘門保持開啟，此時總體水動力水質(zhì)改善效果最佳。