徐喬婷，程 健，強(qiáng) 超，嚴(yán)春華

(江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 研究區(qū)概況

薔薇河位于江蘇省連云港市中部，流域面積為1143.85 km2，屬于沂沭泗水系沂北地區(qū)。薔薇河全長97 km，多年平均水位為2.5 m，年徑流量約6.7億m3。

連云港市內(nèi)薔薇河截水河道主要為龍梁河、石安河和薔北截水溝，其中龍梁河、石安河分別截去東海縣西、中部50 m和18 m等高線以上的洪水；薔北截水溝為規(guī)劃沿5 m等高線的截水溝，又稱淮沭新河，由于該工程未完全按規(guī)劃實(shí)施，5～18 m等高線之間的洪水入薔北截水溝后仍匯入薔薇河，來水水質(zhì)存在污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)市域范圍內(nèi)薔薇河沿線工農(nóng)業(yè)及生活污染形勢嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響連云港市區(qū)用水安全。

2 模型建立

通過構(gòu)建研究區(qū)域一維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，尋求薔薇河流域合理的水系連通方案，解決水質(zhì)安全問題。采用丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列軟件，應(yīng)用降雨徑流(NAM)、水動(dòng)力(HD)及對流擴(kuò)散模塊(AD)耦合構(gòu)建流域水文、水動(dòng)力及水質(zhì)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

NAM模型模擬流域內(nèi)的降雨徑流過程，產(chǎn)生的徑流作為旁側(cè)入流進(jìn)入到HD模型的河網(wǎng)中，AD模塊以HD模塊的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，主要用于模擬可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)在水體中的對流擴(kuò)散過程。MIKE11模型能夠很好地模擬水生態(tài)和水流環(huán)境，友好的人機(jī)界面和高度的可視化使其得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。

2.1 模型構(gòu)建

薔薇河流域北至新沭河、南至薔薇河樞紐、西至石安河、東至薔薇河，河網(wǎng)主要概化為石安河、新沭河、薔薇河、民主河、馬河、薔北截水溝、魯蘭河、白魯干渠、烏龍河、磨山河共計(jì)10條河道。見圖1。

圖1 河網(wǎng)概化

2.1.2 工程調(diào)度規(guī)則概化

根據(jù)《三洋港擋潮閘調(diào)度方案》《臨洪管理處工程控制運(yùn)用及調(diào)度方案》，本次東站自排閘閘上控制水位2.5 m，臨洪閘、烏龍河自排閘閘上控制水位2.0 m，當(dāng)閘上水位高于控制水位，且閘上水位高于閘下水位，開閘排澇，否則關(guān)閘；當(dāng)東站自排閘、烏龍河調(diào)度閘閘上水位高于3.0 m，且閘上水位低于閘下水位不能自排時(shí)，分別開啟臨洪東站、西站。

2.1.3 污染源概化

基于2011年全省污染源普查結(jié)果，并于2017年核實(shí)各數(shù)據(jù)資料，薔薇河流域污染源主要有工業(yè)污染、城鎮(zhèn)生活污染以及農(nóng)村面源污染，主要污染物為COD，因此本研究區(qū)域污染物質(zhì)主要考慮COD，其他河網(wǎng)污染物質(zhì)不做詳細(xì)模擬。工業(yè)污染主要是點(diǎn)源污染，依據(jù)企業(yè)排污口的位置將排污量、污染物濃度等進(jìn)行概化并加入河網(wǎng)相應(yīng)位置；城鎮(zhèn)、農(nóng)村面源污染根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查資料并參照研究區(qū)土地利用圖進(jìn)行概化并加入各河段，采用完全混合模型進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 模型率定

2.2.1 定解條件和參數(shù)選取

(1)定解條件。 一維河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的定解條件包括初始條件和邊界條件。

初始條件：河道蓄水控制水位均為1.5～1.8 m，本次河網(wǎng)初始水位為1.8 m，所有閘門處于全關(guān)狀態(tài)。

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邊界條件：上游邊界取河道上游端點(diǎn)處流量過程；下游邊界取外海潮位或設(shè)計(jì)潮型；內(nèi)部邊界利用實(shí)測或設(shè)計(jì)降雨過程，將水文計(jì)算的小區(qū)域產(chǎn)匯流計(jì)算成果耦合到一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型中。

(2)糙率選取。 本次根據(jù)沂北地區(qū)河道實(shí)際情況結(jié)合以往規(guī)劃設(shè)計(jì)資料和經(jīng)驗(yàn)值初步確定糙率，通過試算進(jìn)行率定分析，確定新沭河段太平莊閘下灘面糙率取0.0350，泓道糙率為0.0225；其他區(qū)域骨干河道設(shè)計(jì)糙率取泓道為0.0225、灘面為0.0300。

2.2.2 水文參數(shù)獲取

由于研究區(qū)域薔薇河流域內(nèi)各河道匯水范圍出口無水文站點(diǎn)，缺少實(shí)測水位流量數(shù)據(jù)。本文采用水文比擬法，選取青口河黑林站上游流域(山東省境內(nèi))作為參證流域，黑林站作為流域出口，選取洙邊、黑林、汪子頭以及臨沭等4站作為流域內(nèi)降水代表站。以2015—2020年主汛期(6月1日—9月30日)作為率定時(shí)段。

除2018年外其余年份黑林站流量過程模擬值與實(shí)測值的吻合度較高，水文計(jì)算成果基本能反應(yīng)黑林站以上流域降雨徑流物理特性，滿足計(jì)算要求。根據(jù)率定結(jié)果，將參證流域水文參數(shù)移植至薔薇河流域各河道匯水范圍降雨徑流模型。

2.2.3 水動(dòng)力參數(shù)率定

選取薔薇河流域石梁河站、小許莊站、臨洪閘站2017年7月17—30日逐日實(shí)測流量過程作為模型上邊界，下邊界采用連云港站實(shí)測潮位過程，區(qū)間匯流采用同期降雨、蒸發(fā)等實(shí)測數(shù)據(jù)資料，采用薔薇河流域NAM降雨產(chǎn)匯流模型分別計(jì)算流域內(nèi)各匯水區(qū)的產(chǎn)匯流過程，作為水動(dòng)力模型區(qū)間匯流邊界條件。

選用小許莊站、臨洪閘站作為率定站點(diǎn)，對比分析率定站點(diǎn)實(shí)測和模擬水位，水位模擬對比結(jié)果見圖2。

圖2 薔薇河2017年小許莊站、臨洪閘實(shí)測值與計(jì)算值對比

根據(jù)對比結(jié)果最大水位差<0.1 m，水位漲落趨勢一致，基本滿足計(jì)算精度要求，參數(shù)設(shè)置合理，模型可以準(zhǔn)確模擬薔薇河流域洪水過程和水力計(jì)算。

2.2.4 水質(zhì)模型率定

基于已通過率定和驗(yàn)證的水動(dòng)力模型，選取2017年7月8日—8月5日為水質(zhì)模型率定時(shí)段，采用同期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為邊界條件以及率定站點(diǎn)的對比分析數(shù)據(jù)，率定水質(zhì)模型的主要參數(shù)，分析結(jié)果見表1和圖3。

表1 主要指標(biāo)計(jì)算均值與實(shí)測均值對比

圖3 各支流河口COD濃度計(jì)算值與實(shí)測值對比

根據(jù)表1和圖3可知，薔薇河干流COD的實(shí)測值與計(jì)算值變化趨勢基本一致，均值相對誤差<6%。整體來說水質(zhì)模擬效果較好。存在部分誤差的主要原因，一是降雨徑流模擬存在偏差，二是面源污染難以定位?？傮w而言，薔薇河流域主要水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測與模擬值處于同一數(shù)量級(jí)，變化趨勢基本一致，基本能夠代表水質(zhì)指標(biāo)在河流中的對流擴(kuò)散過程，能夠達(dá)到研究要求。污染物降解系數(shù)取值為0.048/d。

3 方案擬定

為保證連云港市區(qū)飲用水源地的水質(zhì)，進(jìn)一步提升薔薇河流域水質(zhì)水環(huán)境，逐步實(shí)現(xiàn)水系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局，依據(jù)流域現(xiàn)狀，按照區(qū)域高低分排規(guī)劃布局，根據(jù)薔薇河飲用水源地水質(zhì)保護(hù)要求以及現(xiàn)場查勘和沿線地形、水利工程等實(shí)際情況，擬定三種水系連通方案。具體方案擬定見表2。

表2 水系連通方案措施

4 水系連通方案對水質(zhì)的影響分析

基于率定的研究區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，選取2017年7月17—29日為研究時(shí)段，分析三種不同水系連通方案薔薇河干流污染物濃度變化情況。海州水廠和茅口水廠為連云港市主要供給水廠，因此將其納入重要評(píng)估節(jié)點(diǎn)。不同連通方案海州水廠和茅口水廠污染物濃度變化過程見圖4，薔薇河干流主要節(jié)點(diǎn)污染物平均濃度現(xiàn)值及減少值見表3。

表3 水系連通各方案COD污染物相對現(xiàn)狀改善成果

圖4 海州水廠、茅口水廠不同方案COD濃度變化過程

由模型計(jì)算結(jié)果可知，三個(gè)方案均能使薔薇河干流主要污染物濃度有不同程度減小，其中方案一通過高橋河和葉蕩大溝截取薔北截水溝上游區(qū)域來水入魯蘭河，薔北截水溝口以下河段水質(zhì)有了一定的改善，污染物平均濃度減少超過20%。

方案二在方案一的基礎(chǔ)上關(guān)閉民主河閘、馬河閘，將民主河和馬河上游區(qū)域來水調(diào)入薔北截水溝再經(jīng)魯蘭河外排，民主河口以下河段水質(zhì)有了進(jìn)一步改善，民主河口至薔北截水溝口污染物平均濃度減少超過15%，薔北截水溝口以下河段污染物平均濃度減少約40%，海州和茅口水廠取水口河段水質(zhì)得到進(jìn)一步改善。

方案三基于方案二，針對薔薇河上游來水水質(zhì)存在污染風(fēng)險(xiǎn)情況，在黃泥河與友誼河交匯處新建攔河堰引污水入薔北截水溝，薔薇河干流全線水質(zhì)改善，民主河口以上河段污染物平均濃度減少超過10%，民主河口至薔北截水溝口污染物平均濃度減少超過30%，薔北截水溝口以下河段污染物平均濃度減少接近50%，海州和茅口水廠取水口河段水質(zhì)進(jìn)一步改善。

綜上所述，各水系連通方案都使薔薇河干流污染物濃度有了不同程度的減少，其中方案三對水質(zhì)的改善效果最為明顯，薔薇河全線水質(zhì)都得到提升，海州和茅口水廠取水口河段污染物濃度減少接近50%。

5 結(jié) 論

(1)研究構(gòu)建了薔薇河流域降雨徑流-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，通過參數(shù)率定、模型驗(yàn)證，基本能夠反映研究區(qū)水文水動(dòng)力和水質(zhì)物理特性，滿足研究要求。

(2)薔薇河流域的面源污染是連云港市飲用水源地的主要污染源，主要污染物為COD。實(shí)施不同水系連通方案均能使薔薇河干流主要污染物濃度有不同程度減小，河道水質(zhì)得到改善，方案三改善效果最為明顯，能使連云港市區(qū)的飲用水源安全得到進(jìn)一步保障，但具體方案實(shí)施還需分析研究薔薇河流域防洪除澇要求。