時間：2011-08-29來源：《江蘇水利》2011年
1 概述
吳江市近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，但是隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水環(huán)境的壓力逐年增加。水環(huán)境質(zhì)量的改善除了截污治污外，在有條件的地區(qū)，采用水利工程引清水改善水環(huán)境也是一種見效快、效果明顯的方法。吳江市地處沿太湖地區(qū)，有良好的引水條件，但目前在引水改善城區(qū)水環(huán)境方面存在兩大問題：一是吳江市目前沒有自己控制的引水通道，必須考慮開辟一條能自行控制的引清通道，本文在擬定引清通道的基礎(chǔ)上，對引清通道改善水環(huán)境效果進行計算分析，論證擬定引清通道改善水環(huán)境的可行性；二是目前吳江市改善城區(qū)水環(huán)境的主要引清通道為牛腰涇河，引水時對城區(qū)南部部分地區(qū)起不到應(yīng)有的改善作用，且南部城區(qū)水系連通性稍差，有必要實施新開河道及拓浚等涉水工程，本文通過比較工程實施前后引水改善城區(qū)水環(huán)境的效果，論證實施后引水將會比較明顯的改善現(xiàn)狀滯水區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀。
2 吳江河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型建立
2.1 水量水質(zhì)基本方程
2.1.1水量基本方程
水量計算的微分方程是建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為：
式中：
Z—水位；
Q—流量；
K—流量模數(shù)；
q—單位河長旁側(cè)入流；
A—主槽過水斷面面積；
g—重力加速度；
x—沿水流方向距離；
t—時間；
BT—調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬。采用Preissman 四點隱式差分格式離散方程組。
2.1.2水質(zhì)基本方程
河網(wǎng)對流傳輸移動問題的基本方程表達如下：
式（3）是河道方程，式（4）是河道叉點方程。式中：
Q、Z—流量及水位；
A—河道面積；
Ex—縱向分散系數(shù)；
C—水流輸送的物質(zhì)濃度；
Ω—河道叉點—節(jié)點的水面面積；
j—節(jié)點編號；
I—與節(jié)點j 相聯(lián)接的河道編號；
Sc—與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項，例如可寫為Sc＝Kd AC，Kd是衰減因子；
S—外部的源或匯項。
對時間項采用向前差分，對流項采用上風格式，擴散項采用中心差分格式。
2.2 水量水質(zhì)模型的率定
2.2.1原型調(diào)水試驗
2010 年5 月26～27 日在吳江進行一次連續(xù)36 h 的原型調(diào)水試驗，主要監(jiān)測項目為水位、流量、水質(zhì)監(jiān)測斷面的COD 和NH3—N 等。在吳江城區(qū)內(nèi)設(shè)監(jiān)測斷面共有20 個，流量監(jiān)測斷面共有5 個，水質(zhì)監(jiān)測斷面共有20 個，觀測點位置見圖1。監(jiān)測頻率為：
第一天：
1. 預(yù)降水位前，9 ∶ 00 監(jiān)測所有20 個斷面水質(zhì)，共1 次；
2. 水位預(yù)降后，16 ∶00 監(jiān)測所有20 個斷面水質(zhì)，共1 次；
第二天：
1. 9 ∶00、11 ∶00、12 ∶30 分別監(jiān)測1 次，共3 次，其中水文水質(zhì)同步監(jiān)測的斷面有：1、4、6、8、9，其他15 個斷面僅進行水質(zhì)監(jiān)測。
2. 15 ∶00、17 ∶00 分別監(jiān)測1 次，共2 次，其中水文水質(zhì)同步監(jiān)測的斷面有：1、11、13、15、16，其他15 個斷面僅進行水質(zhì)監(jiān)測。
共進行7 次×20 個斷面的水質(zhì)監(jiān)測；5 次×5 個斷面的水文監(jiān)測。
將吳江城區(qū)河網(wǎng)概化為44 條河道，20 個節(jié)點，外邊界12 個，計算斷面88 個。
2.2.2模型參數(shù)率定
引水實驗前2 d 關(guān)閉沿太湖涵閘，實驗起始狀態(tài)為水流靜止，各處水位相同。水位邊界條件采用開閘引水前實測值，水質(zhì)邊界條件采用邊界斷面各時段水質(zhì)實測值。利用調(diào)水實驗的實測數(shù)據(jù)進行計算，調(diào)整各參數(shù)，使各監(jiān)測點的水量水質(zhì)模型計算值與實測值基本吻合。水量率定得到的河道糙率值為0.02～0.04。在水質(zhì)模型率定中，根據(jù)試驗區(qū)的資料，在模型中加入企業(yè)污水和生活廢水的點污染源，率定得到的水質(zhì)（COD）日降解系數(shù)為0.08～0.15，水質(zhì)（NH3—N）日降解系數(shù)為0.08～0.20。縱向擴散系數(shù)取2.5 m3 / s。
圖1 調(diào)水試驗區(qū)域示意圖
2.2.3率定成果
主要測點水量水質(zhì)率定成果見
圖2～圖5。從圖2～圖5 可以看出：各斷面水量水質(zhì)模型的計算值與實測值吻合較好，水量模型平均相對誤差為4.0%，水質(zhì)模型平均相對誤差為20.6%，說明該模型可用于描述實驗區(qū)域水量水質(zhì)的變化過程。對于本實驗區(qū)域的水環(huán)境改善方案，可用該模型進行分析計算，為復(fù)雜河網(wǎng)區(qū)的引水調(diào)度提供技術(shù)保證。
圖2 斷面4 流量率定圖
圖3 斷面8 流量率定圖
圖4 斷面6 水質(zhì)率定圖
圖5 斷面9 水質(zhì)率定圖
3 吳江河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型建立
3.1 牛腰涇引清通道開辟對城區(qū)水環(huán)境改善分析
城區(qū)主要由牛腰涇閘從東太湖調(diào)水入城，引水水量分別取10 m3 /s，15 m3 /s，20 m3 /s，25 m3 /s，水文計算條件同原型調(diào)水試驗，水質(zhì)邊界污染物濃度分別取調(diào)水試驗前實測初始質(zhì)量濃度值。開辟牛腰涇引清通道，不同引水量時城區(qū)各主要斷面水質(zhì)情況見圖6。
圖6 城區(qū)主要斷面不同引水量水質(zhì)改善對比
從圖中可以看出：從牛腰涇引東太湖水對松陵城區(qū)水質(zhì)有較大改善。引水水量在10 m3/s、15 m3/s、20 m3 /s、25m3/s 時COD 平均改善程度分別37.3%、53.6%、63.2%、64.6%，其中主要過水河道西塘河（斷面8）、大江河（斷面9）、工農(nóng)路河（斷面11）及牛腰涇河（斷面16）在引水水量為20 m3 /s 時的改善程度高達70%以上。但在上述滯水區(qū)斷面（斷面19、20）的改善率并不高，如賓館河（斷面19）在各流量情況時的改善率分別為23.8%、38.1%、42.9%、47.6%。
從各種流量方案的計算水質(zhì)改善效果，推薦引水量為20 m3/s。為保證城區(qū)在不進行水位預(yù)降情況下進行引水，建議新建設(shè)計流量為20 m3 /s的牛腰涇泵站。
3.2 水利工程及河道功能改變對水環(huán)境改善分析
為改善現(xiàn)狀城區(qū)滯水區(qū)引水改善水質(zhì)效率，通過吳家港閘的控制，將吳家港由圩外河道改為圩內(nèi)河道，取消內(nèi)閘，并溝通水廠河與吳家港河，以改善現(xiàn)狀滯水區(qū)的水系連通性；拓浚大廟港、翁家堂港，增加滯水區(qū)引水量。
各工程實施后水文計算條件同原型調(diào)水試驗，水質(zhì)邊界污染物濃度取調(diào)水試驗前實測初始濃度值。工程實施前后現(xiàn)狀滯水區(qū)水質(zhì)情況見圖7。
圖7 滯水區(qū)主要斷面工程實施前后水質(zhì)改善對比圖
從圖7 可以看出，上述工程實施后，滯水區(qū)COD 的平均改善程度達53.9%，其中與大廟港、翁家堂港直接相連接的梅里河（斷面20）改善程度高達70.0%。
4 結(jié)論和建議
通過2010 年5 月26～27 日的調(diào)水實驗監(jiān)測，對模型進行率定，從率定成果可以看出：各斷面的水量水質(zhì)模型計算值與實測值吻合較好，相對誤差在1%～20%左右，說明該模型可用于描述吳江河網(wǎng)區(qū)的水量水質(zhì)變化過程。利用此模型對引水改善吳江市城區(qū)水環(huán)境方案進行分析計算，從計算結(jié)果可以看出：新建牛腰涇泵站，開辟牛腰涇引清通道可提高引水效率，提高引水改善城區(qū)水環(huán)境的效果，并且引水水量在20～25 m3 /s 時的引水方案最為可行，COD 的平均改善程度為63.2%；城區(qū)滯水區(qū)實施相應(yīng)涉水工程后引水水質(zhì)COD 平均改善程度提高了55.3%。
