南京河西水系水動(dòng)力模型的建立與應(yīng)用

這條河流為人類提供了各種生態(tài)服務(wù)功能，但城市化對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的改善有很大影響。隨著城市化進(jìn)程的加劇,排水體制的改革、截污工程的實(shí)施,使得城市內(nèi)河的水量急劇減少;在點(diǎn)源污染得到有效管理控制的大背景下,非點(diǎn)源污染降雨徑流己成為造成城市地表水環(huán)境污染的主要原因。城市內(nèi)河水質(zhì)的恢復(fù)和綜合治理工作包括治理和削減污染源、底泥的環(huán)保疏浚、污染水體原位就地修復(fù)技術(shù)以及引清沖污等。引清沖污不僅補(bǔ)給了河道水量,激活城市內(nèi)河水體,提高河道的水環(huán)境自凈能力,而且使污染物得到稀釋,可以在短期內(nèi)使水質(zhì)明顯提高。1河西水系河流水質(zhì)現(xiàn)狀河西新城區(qū)位于南京市的西南面秦淮新河以北、外秦淮河南河以西、長(zhǎng)江岸以東,面積93km2。經(jīng)過(guò)近幾年的建設(shè)發(fā)展,河西北部建成了交通便利、商貿(mào)發(fā)達(dá)的新區(qū)。隨著南京城區(qū)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,河西人口逐年增加,加劇了面源污染對(duì)河道水質(zhì)的影響。河西地區(qū)緊鄰長(zhǎng)江,過(guò)境水資源量達(dá)9335億m3,目前長(zhǎng)江為III類水,秦淮河為V類水,河西水系為劣V類水。根據(jù)南京市鼓樓區(qū)水環(huán)境規(guī)劃,河西水系的水質(zhì)不劣于Ⅳ類?？梢砸L(zhǎng)江水沖洗南京河西地區(qū)的河道。河西地區(qū)現(xiàn)有八條河道,見(jiàn)表1。2采樣點(diǎn)采樣及環(huán)境監(jiān)測(cè)城市面源污染主要由降雨徑流形成,其受到以下因素的影響:降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨歷時(shí)、城市土地利用類型、大氣污染狀況、地表清掃狀況等。城市土地利用類型對(duì)城市降雨徑流污染存在很大的差別,因此在研究城市路面徑流污染時(shí)按照功能區(qū)進(jìn)行采樣分析。本課題選擇了鼓樓區(qū)內(nèi)典型居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通繁華區(qū)等3種主要土地利用類型區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析。商業(yè)區(qū)徑流采樣點(diǎn)設(shè)在超市金潤(rùn)發(fā)倉(cāng)庫(kù)門口前的雨水箅前,交通繁華區(qū)采樣點(diǎn)設(shè)在江東北路、草場(chǎng)門大街的十字路口處,居民區(qū)徑流采樣點(diǎn)設(shè)在小區(qū)東方江景園、金陵名人居和龍鳳花園的某雨水箅前,各采樣點(diǎn)均具有一定代表性。針對(duì)南京主要的降雨特征時(shí)段,4月至10月共進(jìn)行6次監(jiān)測(cè),對(duì)五個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行同步采樣。每次采樣時(shí)間段為地表徑流形成至延續(xù)的60min內(nèi),其中按照5min、10min、15min、30min、45min和60min分為6個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)。樣品采集后立即轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括COD、氨氮、pH。樣品分析均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樣品測(cè)定方法:COD(重鉻酸鉀法,GB11894-89)、氨氮(納氏試劑比色法,GB11894-89)、pH(pH計(jì))。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。其中,五個(gè)采樣點(diǎn)處采樣時(shí)間內(nèi)地表徑流各指標(biāo)的平均濃度根據(jù)以下公式求得:式(1)中:X為污染物平均濃度;T為采樣時(shí)間60min;Xi為污染物在第i個(gè)時(shí)間段的濃度;Ti為第i個(gè)時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)度(T1=T2=T3=5min,T4=T5=T6=15min)由以上數(shù)據(jù)可知,河西地區(qū)面源污染嚴(yán)重,COD和氨氮超標(biāo)。商業(yè)區(qū)的污染最嚴(yán)重,污染次嚴(yán)重的是交通繁忙區(qū),污染相對(duì)較輕的是居民區(qū)。多次初雨徑流的各種污染物的平均濃度分別與地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)對(duì)比得出其污染水平,污染程度為劣五類。3簡(jiǎn)析環(huán)境分析河網(wǎng)的水質(zhì)計(jì)算包含兩部分:水量計(jì)算、水質(zhì)計(jì)算。本課題是利用在Saint-Venant方程組為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的河網(wǎng)水量模型和適當(dāng)修改的美國(guó)環(huán)保局(EPA)開(kāi)發(fā)的水質(zhì)模型(WASP)耦合進(jìn)行河西水系降雨污染并引清沖污的分析計(jì)算。將水動(dòng)力模型計(jì)算所得到的水動(dòng)力參數(shù)耦合到WSAP5水質(zhì)模型中,模擬降雨過(guò)程以及引調(diào)清水過(guò)程的河網(wǎng)各河段的水質(zhì)變量濃度。3.1匯流控制方程水量計(jì)算的控制方程是一維Saint-Venant方程組,包括連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程。式(2)中:Q為流量;B為河道水面寬;Z為水位;A為過(guò)流斷面面積;g為重力加速度,C為謝才系數(shù);R為水力半徑;x為空間坐標(biāo);t為時(shí)間坐標(biāo)。通過(guò)匯流結(jié)點(diǎn)水位法對(duì)方程組進(jìn)行數(shù)值求解。首先采用Preissman四點(diǎn)隱式差分格式離散方程組,再將離散后的線性差分方程組利用追趕法進(jìn)行計(jì)算,得出各河道斷面的水動(dòng)力參數(shù)。3.2sla和sl、sb、kWASP(WaterQualityAnalysisSimulationPro-gram)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),可用于對(duì)河流、湖泊、河口、水庫(kù)、海岸的水質(zhì)進(jìn)行模擬。其中的水質(zhì)程序模擬水中各種污染物的運(yùn)動(dòng)與相互作用。WASP用的數(shù)學(xué)方程是:式(3)中C為組分濃度,mg/L;t為時(shí)間,d;A為橫截面積,m2;UX為縱向速度,m/s;EX為縱向彌散系數(shù)m2/s;SL、SB、SK分別為直接與彌散負(fù)荷率、邊界負(fù)荷率、總動(dòng)力輸移率mg/Ld。方程的離散采用顯式差分格式,時(shí)間差分用Euler前差分,空間用中心差分,即時(shí)間前差―空間中心差分。差分形式如下:式(4)中:v為對(duì)流因子。v值的取值不同,可以改變對(duì)流項(xiàng)差分的性質(zhì):v=0時(shí)為后差分;v=0.5時(shí)為中心差分;v≠0會(huì)引起數(shù)值彌散,在模型中一般取v=0~0.4。3.3河西水系初始水質(zhì)降雨徑流對(duì)河西水系造成的污染負(fù)荷按沿岸以內(nèi)五米的匯水面積來(lái)計(jì)算。因?yàn)榻涤陱搅鞯乃|(zhì)是隨時(shí)間不斷變化的,具有初始沖刷現(xiàn)象,故在表示降雨徑流對(duì)河道的污染時(shí),第一小時(shí)內(nèi)以測(cè)量水質(zhì)濃度的均值來(lái)表示降雨徑流的負(fù)荷,一小時(shí)后按第六個(gè)采樣時(shí)間段的濃度X6來(lái)計(jì)算。長(zhǎng)江為Ⅲ類水,河西水系初始水質(zhì)為劣V類。在模擬降雨徑流對(duì)河西水系的污染時(shí),按就近原則,將江東北路的污染物負(fù)荷到中保北河,金潤(rùn)發(fā)的污染物負(fù)荷到中保河,江景園的污染物負(fù)荷到清江南溝和南北溝連線,金陵名人居的污染物負(fù)荷到龍江河,龍鳳花園的污染物負(fù)荷到里圩河。引水前,長(zhǎng)江水位是5.27m,河西一帶的景觀水位在7m左右。經(jīng)文獻(xiàn)查閱,模型計(jì)算中,河道的糙率取0.023,氨氮的硝化速率取0.14/d,硝態(tài)氮的反硝化脫氮速率取0.09/d,溶解性有機(jī)氮的礦化速率取0.220/d,COD的降解系數(shù)取0.11/d,溶解性有機(jī)磷的礦化速率取0.25/d,浮游植物中磷碳比取0.025。4洪水工程的水量、水質(zhì)根據(jù)城市生態(tài)規(guī)劃,將鼓樓區(qū)河西地區(qū)的八條現(xiàn)有河道疏通,形成相互連通的健康生態(tài)河道,如圖1所示。由擬建的中保泵站從長(zhǎng)江引水,入河西水系,而水系中的水則由清江泵站、小陡門泵站、里圩泵站和中保河排出。確定調(diào)水的調(diào)水量在此采用了試算的方法,從一次性投資、今后設(shè)備是否閑置、運(yùn)行費(fèi)用以及流速大小對(duì)水體自凈作用的影響等多方面來(lái)考慮,引水時(shí)中保泵站的流量設(shè)置為19m3/s,清江泵站為2m3/s,小陡門泵站為6m3/s,里圩泵站為10m3/s。降雨徑流進(jìn)入河道時(shí),連續(xù)降雨12h,降雨強(qiáng)度為5mm/h,沖水24h。河道相鄰斷面均為100m,河道的首斷面與末端面(即緊挨邊界的斷面)離河道邊界50m。河道斷面序號(hào)是按順序依次排列,邊界結(jié)點(diǎn)為0。①～⑦為河道編號(hào),1~51為河道斷面序號(hào)。5洪水方案優(yōu)化方案河道斷面共有51個(gè),在此列出12、30、39、43、49等5個(gè)斷面來(lái)顯示河網(wǎng)的水質(zhì)變化。如圖2、圖3所示:由圖2、圖3可看出,受降雨徑流污染后,河西水系COD、氨氮指標(biāo)均有所上升。經(jīng)計(jì)算可得,里圩河在沖水5h(49斷面需要4h)后水質(zhì)能達(dá)到Ⅳ類要求,整條龍江河在沖水8h(30斷面需要5h)后的水質(zhì)也能達(dá)Ⅳ類要求,而整條清江南溝則需要11h(12斷面需要5h)才能達(dá)到目標(biāo)要求。因各河道的長(zhǎng)度和寬度不同、各河道離引水口的距離不同,故引水后達(dá)到規(guī)定的Ⅳ類水所用的時(shí)間也不同。河道短且離引水口近的必將先達(dá)到Ⅳ類水的要求,而其他河道水質(zhì)還劣于Ⅳ類水,為使河網(wǎng)水質(zhì)全部達(dá)到Ⅳ類,必定要繼續(xù)引水。在這樣的情況下,長(zhǎng)度短且離引水口近、已經(jīng)達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)的河道便會(huì)再次受到?jīng)_水,從而造成引水的浪費(fèi)、工程預(yù)算的升高。為了避免這一情況,使引水工程得到優(yōu)化,可以將已經(jīng)達(dá)到要求水質(zhì)的河道處的泵關(guān)掉,使其流量為0m3/s,中保泵站減少相應(yīng)的流量,繼續(xù)沖未達(dá)到水質(zhì)要求的河道。從引水開(kāi)始5h后關(guān)閉里圩泵,中保泵站流量調(diào)低10m3/s降至9m3/s,8h后關(guān)閉小陡門泵,中保泵站流量調(diào)低6m3/s降至3m3/s,11h后關(guān)閉清江泵和中保泵。經(jīng)計(jì)算,得出優(yōu)化引水方案的水質(zhì)變化情況,如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可看出,優(yōu)化后與優(yōu)化前相比,水質(zhì)的改善并未受到影響,優(yōu)化方案起到了預(yù)想的節(jié)水節(jié)能的效果,證明了優(yōu)化方案的可行性。6工程措施方面,應(yīng)采用生態(tài)水系深入基層治理方式,從長(zhǎng)江進(jìn)入河(1)以南京市鼓樓區(qū)為例,選擇了鼓樓區(qū)內(nèi)對(duì)河西水系有影響的居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通繁華區(qū)等3種主要土地利用類型區(qū)進(jìn)行降雨徑流的監(jiān)測(cè)、分析。降雨徑流水質(zhì)均為劣五類,其污染成為影響周邊河道水環(huán)境的重要要素。商業(yè)區(qū)的污染最嚴(yán)重,污染次嚴(yán)重的是交通繁忙區(qū),污染相對(duì)較輕的是居民區(qū)。(2)采用引清沖污的工程措施,引調(diào)長(zhǎng)江水來(lái)解決河西水系重污染的問(wèn)題,利用水量-水質(zhì)