（水文学及水资源专业论文）区域调度对江阴市水环境改善效果研究.pdf

摘要 江阴市近年经济建设迅猛，然而随着工农业生产和城市建设的高速发展、水 资源配置不合理使河网水质急剧恶化。加之感潮河网水体浅、流速慢、顺逆不定 的特点，水环境恶化的问题日趋严重，己严重影响到了居民的生活。 改善江阴市的水环境状况，一方面需要从污染防治入手，提高污水处理率， 另一方面从江阴市紧邻长江的优势出发，研究引水改善江阴水环境的各种途径。 为准确掌握江阴市区河道工况及引水效果，在江阴市进行了长江引水改善水环境 的原型调水试验研究，并由此建立了适用研究区域的水量水质模型。 在两次原型调水试验的基础上，利用监测数据，对模型参数进行率定，确定 模型的适用性。通过对不同调水方案下的模拟计算，对引长江水改善城市水环境、 提高水体水环境质量的途径进行了详细研究；然后对通过两种截污措施的计算比 较，对截污条件下改善城市水环境的方法也进行了定量分析，针对不同方案下的 计算，提出了旨在改善水环境的水利工程建设及调度方案以及截污措施。最后提 出了截污治本、引水辅助的治理方向。本研究成果对解决江阴市水环境问题提供 了一定的理论基础，具有一定的指导意义。 关键词：江阴、水环境、原型调水试验、水量水质模型 注：本文受江阴市水资源综合规划项目资助。 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n d m u n i c i p a lc o n s t r u c t i o ni nj i a n g y i nc i t y , t h ei r r a t i o n a la l l o c a t i o no f w a t e rr e s o n l v a jh a s c a u s e dd e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a l i t yi nr i v e rn e t w o r k s w i t ht h ef e a t u r eo fs h a l l o w w a t e rb o d y , s l o wf l o wv e l o c i t ya n dr a n d o mp o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i r e c t i o ni nt i d a l f i v e rn e t w o r k s ，t h ep r o b l e mo fw a t e re n v i r o n m e n th a ss e r i o u s l ya f f e c t e dl o c a l r e s i d e n t s d a i l yl i f e i no r d e rt oi m p r o v et h ew a t e re n v i r o n m e n ti nj i a n g y i nc i t y , o nt h eo n eh a n d , t h e e f f o r tt op r e v e n tw a t e rp o l l u t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp o l l u t e dw a t e r t r e a t m e n ts h o u l db em a d e ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s e a r c ho np r o g r a m m eo fw a t e r d i v e r s i o nt oj i a n g y i nf r o my a n g z ir i v e rs h o u l db ed o n e i no r d e rt oe x a c t l yg e tt h e i n f o r m a t i o no fr i v e r si nj i a n g y i nc i t ya n dw a t e rd i v e r s i o ne f f e c t i v e n e s s ，t h i sp a p e r m a d ear e s e a r c ho np r o t o t y p ee x p e r i m e n to fw a t e rd i v e r s i o nf r o my a n g z ir i v e rt o i m p r o v ew a t e re n v i r o n m e n ta n dm a d et h em o d e lo fw a t e rf l o wa n dq u a l i t ya p p l i e di n t h i sr e g i o n b a s e do nt h et w oe x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i sm a d eu s eo fm o m t o f i n gd a t a , t h e n c a l i b r a t e dt h ep a r a m e t e ro ft h em o d e l t h r o u g hs i m u l a t i o no fw a t e rd i v e r s i o nb y d i f f e r e n tp r o g r a m m e ，t h i sp a p e rm a d ear e s e a r c ho nt h em e t h o d st oi m p r o v ew a t e r e n v i r o n m e n ti nc i t ya n dw a t e rb o d yb yw a t e rd i v e r s i o nf r o my a n g z ir i v e r , t h e nb y c o m p a r i s o no f t h e r e s u l t so f t w ok i n d so f i n t e r c e p t i n gs e w a g ep r o g r a m m e ，m a d ef i x e d q u a n t i t ya n a l y s i so ft h em e t h o d sf o ri m p r o v i n gu r b a nw a t e re n v i r o n m e n tu n d e rt h e c o n d i t i o no fi n t e r c e p t i n gs e w a g e ，f i n a l l y , p u tf o r w a r dt h eo p t i m u mp r o g r a m m eo f w a t e rc o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dw a t e rd i v e r s i o nt o i m p r o v ew a t e r e n v i r o n m e n ta n da d v a n c e dt h ec o n c e p t i o nc h a r a c t e r i z e db yi n t e r c e p t i n gs e w a g ea s m a i nm e a n sa n dw a t e rd i v e r s i o na ss e c o n d a r ym e a n s t h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c h b yt h i sp a p e rl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gw a t e re n v i r o n m e n ti n j i a n g y i nc i t y , w h i c hi so f i m p o r t a n c ef o rp r a c t i c e k e yw o r d s ：j i a n g y i n ；w a t e re n v i r o n m e n t ；f i e l ds c a l et r a n s f e r r i n gw a t e r e x p e r i m e n t ；w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t ym o d e l n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：型! ：乏碲乡月弓日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外? 允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：赵尘兰力习年多月弓日 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 第一章绪论 1 1 研究背景 水是生命之源，人类生存和发展的基础。世界四大文明古国都依傍大河而生： 中华文明发祥于黄河流域；古埃及文明孕育于尼罗河流域；古印度文明开端于恒 河流域；古巴比伦文明渊源于底格里斯河和幼发拉底河两河流域。然而随着人类 科技的进步和生产力的高速发展，人类对于自然资源、水环境的破坏也日益严重， 甚至已经遭到大自然的报复和惩罚。优美的莱茵河由于沿岸各国只顾经济发展忽 视环境保护，使河流的生态系统遭到致命破坏，一度被人们称为“欧洲的阴沟” 【1 】【2 1 【3 l 。英国著名的母亲河，泰晤士河，也曾因大量城市生活污水和未经处理的 工业废水排入而严重污染，终于饮用水的污染以及伦敦的大雾使霍乱爆发，给人 类以惨痛的教训【4 】垆】【6 】。我国的上海苏州河f 7 8 1 、南京秦淮河也一度因城市污水污 染而呈现黑臭状态7 】嗍。据统计，世界有2 6 个国家2 3 2 亿居民处于经常缺水的 状况，还有4 亿居民已面临“水危机”。缺水，已对人类的生存和发展敲起了警 钟。 江阴市地处长江下游，北临长江，南毗太湖，为长江冲积平原，面积9 8 7 5 k i n 2 ，改 革开发以来，江阴经济迅速发展，财政收入连续多年名列全国县级市前茅【9 1 。在经 济发展、人民生活水平提高的同时，河道脏、乱、差的状况却越来越普遍水质也 日趋恶化。据统计，全市7 0 的河道水质仅能满足灌溉用水需要，同时河道内鱼网、 弃船、水草较多，对发挥河道引洪排涝、农业灌溉、工业取水、交通航运、改善 环境等作用带来了不利的影响。2 0 0 4 年，对江阴地区2 2 条主要河道及长江近岸水 域共5 0 个水质监测断面的监测分析，劣于i i i 类水断面4 7 个，占9 4 ，其中劣 于v 类水断面4 1 个，占8 2 1 1 0 l 。江阴地区水环境质量总体表现为：长江水质较 好，沿江河道水质次之，乡村河道水质较差，城镇河道水质则最差，黑臭现象经 常发生目前江阴已经成为典型的水质型缺水城市，水环境问题已然成为其社会经 济发展的瓶颈。 1 2 研究目的和意义 江阴市北临长江，南近太湖，是全国著名的经济发达地区。历届党委、政府 领导全市人民坚持不懈治水，初步建成了较为完备的防洪与挡潮、排涝、灌溉、 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 供水等水利工程体系，水利发展取得了令人瞩目的成就。水利为江阴经济社会快 速发展提供了坚实的保障。但随着工农业生产和城市建设的高速发展，水资源配 置不合理和水环境恶化正逐步成为制约江阴市社会经济发展的主要因素。水多、 水少、水脏、水生态恶化四大水问题并存。水环境恶化、水质型缺水已经成为江 阴市经济社会可持续发展的严重制约因素。 水资源的可持续利用是经济和社会发展极为重要的保证。为了以水资源可持 续利用来保障和支撑社会经济的可持续发展，要有效解决江阴市四大水问题。一 方面需要从污染防治入手，提高污水处理率，点源面源治理双管齐下，力争水环 境功能区达标；另一方面从江阴市紧邻长江的优势出发，研究引水改善水环境的 各种途径。对引长江水改善城市水环境、提高水体纳污能力的途径进行了研究， 提出了旨在改善水环境的水利工程建设及调度方案；提出了截污治本、引水辅助 的治理方向。为改善城市生态，优化人居环境，提升城市功能，实现城市可持续 发展提供有力支撑。 1 3 国内外研究动态 为解决区域产水和用水需求的差异，实现水资源在空间和时间上的重新分配， 跨流域调水无疑是一项行之有效的措施。在国外，最早的调水工程可以追溯到公 元前2 4 0 0 年前的古埃及，从尼罗河至埃塞俄比亚高原南部。据统计，目前国外 已有3 9 个国家建成的调水工程有3 4 5 项，调水量约6 0 0 0 亿立方米，主要集中在 加拿大、印度、巴基斯坦和美国等国家，约占世界总调水量的8 0 以上。例如， 兴建于1 9 6 0 年的加利福尼亚州的北水南调工程，是美国最具代表性的调水工程， 调水工程为经济、社会发展，生态环境提供了充足的水源。埃及的西水东调工程， 从尼罗河三角洲地区，引尼罗河水向东穿过苏伊士运河，到达干旱的西奈半岛。 通过调水，苏伊士运河两岸新增耕地3 8 0 万亩，为1 5 0 万人口提供生活用水，缓解 埃及粮食的短缺状况，促进了当地经济的全面发展和繁荣。1 9 7 5 年完工的巴基斯 坦西水东调，从西三河调水到东三河，按印度河分水条约，解决东三河下游的灌 溉等用水问题。此调水工程改善了当地水资源的配置状况，促进了经济社会的发 展。以色列北水南调将东北部太巴列湖充足水源，引调至严重干旱缺水的南部地 区，将大片不毛之地的荒漠变为绿洲。另外，由以色列与约旦共同修建的一条引 水管道，将亚喀巴湾的红海海水引入死海，为约旦提供水源，缓解当地严重缺水 2 河海大学硕上学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 的状况。秘鲁兴建了包括圣洛伦索工程、首都利马供水工程和马赫斯调水工程在 内的东水西调工程，将东部亚马逊河丰沛的水源引至西部缺水地区，缓解了水资 源短缺问题【l l 】 1 2 1 。 我国在建国以后跨流域调水也得到长足发展。江苏的江都江水北调工程、广 东的东深引水工程、河北与天津的引滦济津工程以及山东的引黄济青工程等等。 其中2 0 0 2 年开工的南水北调工程堪称世界最大的调水工程，它不仅将为我国北方 地区提供清洁的饮用水源，也将直接拉动工程沿线的经济发展。它不仅是一个供 水工程、水资源配置工程，更是一个生态工程。这些工程都促进了当地的经济、 社会发展，提供了必要的水源保障【1 3 】。 以上为解决供水、干旱问题的成功范例，随着社会经济的发展，水资源短缺问 题的范围逐渐加大，水问题由水量的短缺转至水质的恶化导致的水质型缺水。解决 水质型缺水，改善水环境己成为本世纪的热点问题。其中利用水利工程调水改善水 环境也成为其中一项重要措施。德国在鲁尔河上修建了一系列的水库，春冬季节蓄 水，而夏秋季节将水库中的水放回河流，提高河流流量，通过水库水量增加水体自 净能力。在莫斯河治理过程中，曾通过在上游修建筑高坝，蓄水到一定量后开闸放 水冲刷河底底泥，对改善河流水质有比较好的效果。1 9 6 4 年，东京从银根川和荒川 引水至隅田川，很好的改善了河道水环境【1 4 】。 太湖流域近年来开展的引江济太水资源调度工作就是针对太湖流域水质型缺 水问题，利用已有水利工程开展的跨流域调水工作。“引江济太”流域调水实验 工程是改善太湖水环境的一项重大工程，2 0 0 2 2 0 0 3 年，通过常熟水利枢纽共调 引长江水4 2 2 t z a n 3 ，引水3 5 3 天，通过望亭水利枢纽引水入湖2 0 0 亿m 3 ，引水2 3 3 天，向望虞河东岸分流1 2 1 亿m 3 ，西岸分流1 0 1 亿m 3 ，“引江济太”实旌后，通 过加快太湖水体的循环和交换缩短了太湖的换水周期，增大了太湖的水体自净能 力，改善了太湖的水环境，太湖高锰酸盐指数和总磷浓度呈现明显下降趋势，2 0 0 3 年高锰酸盐指数和总磷浓度比2 0 0 0 年分别下降了1 9 和3 1 【1 5 】。 调水工程目前作为一种水资源配置方法被世界各国广泛关注，工程设计、实施 等方面都有很多的研究成果，但作为一种改善水环境的工程措施研究还不够深入， 有待进一步加深。 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 1 4 论文研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 进行了江阴市水环境现状调查与评价，在2 0 0 5 年9 月1 9 日，9 月2 1 日进行 了长江引水改善江阴水环境的原型试验研究，旨在通过黄山港、黄田港；黄山港、 黄田港、自屈港分别从长江引水，了解引水改善江阴市区的水环境效果。在上述 调查评价及原型试验基础上，建立了江阴区域河网非稳态水量水质数学模型，并 根据同步实测资料对模型参数进行了率定。利用所建立的江阴区域河网非稳态水 量水质数学模型，研究了两种调度方案对研究区域水质的改善效果；研究了截污 措施对研究区域水环境的改善效果。根据研究成果，提出了合理的从长江调水的 调度措施以及截污措施。 1 4 2 技术路线 论文的技术路线如图1 4 - 1 所示。 l j 改善研究区域水环境方案 图1 4 - 1改善江阴水环境研究技术路线图 4 河海大学硕l ：学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 第二章研究区域概况 2 1 自然地理概况 江阴市位于长江三角洲太湖平原北端，处北纬3 1 。4 0 3 4 ”至3 1 。5 7 3 6 ”，东经1 1 9 。5 9 至1 2 0 。3 4 3 0 ”之间。北枕长江，与靖江市隔江相望，南 近太湖与无锡市相接，西邻常州市，东接张家港市、常熟市。地处苏锡常“金三 角”的几何中心。江阴交通十分便捷，历来是大江南北的重要交通枢纽，江海联 运、江河换装的天然良港。江阴市总面积9 8 7 5 k m 2 ，陆地面积8 1 1 7 k i n 2 ，水域 面积1 7 5 8 k m 2 ，其中长江水面5 6 7 k i n 2 ，沿江深水岸线3 5 k i n 。城市建成区为 5 0 1 k m 2 1 1 6 1 。见图2 卜1 。 图2 卜1扛阴城区地理位置图 2 1 1 地质地貌 江阴市属扬子地层区江南地层分区，在第四系覆盖层下的地层自老至新有泥 盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及白垩系。 境内地貌，南北自西横河至长江之间，东西自君山向西，经夏港、申港、西 石桥、璜土石庄为高地，地面高程均在6 0m ( 吴淞基面，下同) 以上，长江沿 江为洼地，是由长江水挟带泥沙沉积并经围垦而成的圩田，古称沙田，属长江三 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 角洲的边缘部分。西南为低洼圩区，属太湖沼泽地区的一部分。全区地貌概况主 要分为长江冲积平原、太湖水网平原及低山丘陵【9 】【。 2 1 2 水文气象 江阴市属北亚热带季风气候，在湿润季风区，雨量充沛，气候温和，日照充 足，四季分明。年平均气温1 5 2 ，历年最高气温3 8 2 ，历年最低气温一1 4 2 ，年平均日照时数2 1 1 3 3 小时，平均无霜期2 2 7 天，平均降水量1 0 4 0 4 m m ， 年最大降雨量为1 9 1 4 4 m m ( 1 9 9 1 年) ，最大日降雨量为2 3 1 2 m m ( 1 9 9 4 年1 0 月9 日) ，年最少降雨量为5 6 8 4 m m ( 1 9 7 8 年) 。汛期( 6 9 月) 雨量占5 5 ， 降雨量年度变化幅度较大，雨量多集中在夏季。梅雨期一般在6 月中旬至7 月下 旬，雨期二十天左右。全年盛行东南偏东风，年平均风速大约为3 m s 。多年平 均有雾日数近3 0 天f 1 7 】【l s 】。 2 1 3 土壤植被 江阴北部沿江一带为潮土和渗育型水稻土，由长江泥沙冲积沉积母质发育而 成，以沙质为主。西南部和东南部为脱潜型水稻土，由湖积母质发育而成，粘性 较强。中部为漂洗型水稻土和潴育型水稻土，由黄土状母质发育而成。低山丘陵 区为粗骨型黄棕壤和普通型黄棕壤，由砂岩和石英砂岩风化的残积物发育而成。 全市水田土壤有机质平均含量2 1 0 0 2 9 ，属中等水平；丘陵山区黄棕 壤土有机质平均含量1 6 8 。黄泥土是境内分布最广、面积最大的土种。江阴 市境内动植物资源种类繁多。植物资源主要有五大类：粮油农作物类；蔬菜类； 瓜果类；林木花卉类；野生植物类。动物资源主要有家畜、家禽、水产类、昆虫 类等四大类；微生物类以真菌类为主【7 j f l 3 】。 2 2 水利概况 2 2 1 河流水系 江阴属于典型的平原河网区，与周边水系交错相连。主要有西横河、新沟河 与西部常州相连；锡澄运河、白屈港、东清河与南部无锡相连，张家港、东横河、 二干河、新沙河、华塘河与东部张家港相连。境内河港纵横交叉，河流密度 4 9 8 k i i l l ；m 2 。经过多年的建设和改造，已形成了有1 2 条通江河道、8 条横向调 节干河、1 9 9 条镇级河道、9 2 9 条村级生产河道组成的江阴市河网水系。南北向 6 河海大学硕1 ：学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 通江河道主要承担防洪排涝、引水、航运等功能，在长江口门段均建有节制闸控 制：东西向河流主要起到沟通水系，排涝、引水调蓄水量等功能【16 】f 1 7 1 i s 】。 2 2 2 水资源概况 江阴市地表水丰富，外来水源充足。境内的河、沟、渠、塘等众多，蓄水量 丰富。长江江阴段长江江阴段多年平均过境水量为9 3 0 0 多亿m 3 ，年大气降水补 给9 8 4 亿m 3 ，江阴市沿江闸站共有1 5 个，包括1 3 座通江水闸和2 座抽水站， 分别是新河闸、窑港闸、利港闸、芦埠港闸、申港闸、新沟闸、夏港套闸、夏港 闸、定波闸、大河港闸、石牌港闸、黄山港闸、白屈港套闸、白屈港抽水站和新 夏港抽水站。沿江闸站总设计引水能力为1 1 6 1 m 3 ，s 。地下水量丰富，总水量为 1 5 l 亿l n 3 ，2 0 0 4 深层地下水井取水量为2 9 2 3 5 万m 3 ，浅层井和基岩井取水量 为1 9 5 9 1 万m 3 【1 6 】【1 7 1 i s 】。 2 2 3 水利工程概况 江阴市沿江岸线除山脉和高地外均依靠堤防抵御江湖，共有江堤全长 3 9 1 k m 。港堤长1 2 5 k m 。直接保护市区及璜土、利港、申港、夏港、澄江、滨 江开发区六镇区人民生命财产安全。圩田总耕地面积2 万亩，地面高程4 o 4 5 m 左右。沿江港口建有防洪节制闸1 1 座、套闸2 座、船闸1 座、抽水站2 座。灌 排水涵洞6 4 只，其中江堤涵洞2 9 只，港堤涵洞3 5 只。江堤块石护岸1 2 2 4 4 k m ， 江港堤顶均铺设碎石或沥青路面，丁坝一座。圩内机电排涝站5 9 座。江港堤绿 化面积5 6 0 亩【16 】 1 7 1 i s j 。 2 3 社会经济概况 2 3 1 行政区划和人口 江阴有1 6 个镇，3 0 5 个行政村，7 1 0 2 个村民小组；7 2 个社区居民委员会， 4 个居民委员会，江阴市政府所在地澄江镇。2 0 0 4 年末，江阴市户籍总人口1 1 7 7 7 万人，比上年增长o 9 2 。2 0 0 5 年末，江阴市户籍总人口1 1 8 6 2 万人，比上年 增长o 7 2 。全市人口出生率7 2 6 ，下降o 1 7 个千分点；人口死亡率6 7 2 ， 上升o 0 1 个千分点；人口自然增长率o 5 4 ，下降o 1 8 个千分点。年末有外来 人口5 3 9 8 万人【9 】【16 1 。 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 2 3 2 经济发展概况 江阴市连续多年综合经济实力一直位居全国百强县( 市) 前列。2 0 0 5 年江 阴市完成地区生产总值7 8 7 9 7 亿元，比上年增长1 6 6 6 。其中第一产业增加值 1 6 0 9 亿元，增长5 0 1 ；第二产业增加值5 0 1 4 4 亿元，增长1 7 0 4 ；第三产业 增加值2 7 0 4 4 亿元，增长1 6 7 2 。全市户籍人口人均地区生产总值6 6 6 6 8 元， 增长1 5 7 1 。全年财政收入1 0 8 3 8 亿元，比上年增长1 3 4 0 ，其中一般预算收 入4 8 3 8 亿元，增长1 8 1 0 。财政收入占g d p 的比重为1 3 7 5 【9 】 1 6 】。 2 4 污染状况 2 4 1 研究区域污染源 本文重点研究的是江阴市澄江区，为长江以南，锡澄运河以东，黄山港以西， 兴澄河以北区域。该区域污染源分布图见图2 4 1 。 图2 4 - 1研究区域工业污染源分布图 本文研究区域区域隶属澄江镇，其中应天河以北区域属于江阴市的老城区， 由于该区域人口密度较大，导致其水环境问题较为突出。南门闸位于东转河上， 其作用主要是为引长江水改善老城区水环境服务，同时防止运粮河附近的污水倒 灌回老城区，但是把污水排向了应天河。随着工业企业逐步迁出老城区，南门闸 以北片区工业企业较少，主要污染源为城市生活污水，从黄山港引水能够暂时改 善该区域水环境。第二个片区为南门闸以南区域，位于锡澄运河以东，兴澄河以 河海大学硕l 学位论文区域调度对扛阴市水环境改善效果研究 北，主要为南门闸、工农河南闸和应天河西控制闸之间的区域。当泰富兴澄特钢 ( 见图2 4 1 ) 向工农河排放温废水时，工农河南闸关闭，防止废水流回兴澄河。 由于运粮河附近污染严重，其污水通过应天河进入此区域，再加上河道状况不容 乐观，此区域的水环境状况不理想。 2 4 2 工业污染源 采用调查现有资料与实测相结合的方法进行工业污染源调查。根据江阴市环 保局2 0 0 4 年排污申报资料，2 0 0 4 年主要的工业企业入河量见表2 4 - i 。其中城 南污水厂的c o d 入河量占澄江区总工业污染物入河量的2 3 3 ，见图2 4 - 2 。其 尾水排入运粮河，汇入应天河，这对南门闸以南地区的水环境造成了很大影响。 表2 4 - 1工业污染物入河量 工业企业废水排放去向g o d 入河量( t a ) 备注： 红柳床单应天河 4 0 7 3 5 城南污水处理厂运粮河3 4 0 1 2 泰富兴澄特殊钢工农河 5 3 6 5 贵群制革应天河 2 7 1 要塞真丝针织印染应天河 2 0 1 2 另有澄江印花厂和 江阴长江纸业有限公司锡澄运河 4 5 5 1 7 第二染整厂为接管企业 江阴永丰余造纸有限公司 长江1 3 7 7 7 匝阴红星实业股份有限公司污水处理厂 7 3 3 7 江阴市兴达染整有限公司黄田港5 4 4 总计1 4 5 8 1 5 9 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 图2 4 - 2工业企业入河量比例饼图 2 4 3 生活及农业污染源 针对研究区域的情况，将该区域分为两个片区进行改善水环境方案分析。 两个片区的城市生活、农村生活、农田径流及畜禽养殖入河量及入河总量见表 2 4 2 。由表2 4 - 2 可知，南门闸以北的污染源主要为城市生活污水，占其总入 河量的9 8 6 ；南门闸以南地区的工业入河量占其入河总量的5 9 1 。 表2 4 - 2分片区污染物入河量 入河量( t a ) 澄江区 工业城市生活农村生活农田径流畜禽养殖总计 南门闸以北 o o 2 6 4 2 5 1 1 8 8 11 6 42 6 7 8 8 南门闸以南 8 4 8 34 6 8 85 6 82 0 14 1 01 4 3 5 0 i o 河海大学硕上学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 第三章水环境数学模型的建立及分析 3 1 原型模型实验 为定量了解研究区域主要交叉河道的分流比，以便确定河道的输水能力；在 现状河道输水能力、工况条件及城区水环境状态下，掌握城区水环境改善程度， 以便提出纳污能力，确定改善水质的引水能力；结合原型实测，进一步对规划总 体数学模型进行研究以及参数的率定；防洪规划、水系调整提供原型观测的技术 支持。分别在2 0 0 5 年9 月1 9 日，9 月2 1 日，9 月2 3 日在江阴地区引调长江水， 并进行同步水量水质监测。本文研究的是9 月1 9 日，9 月2 1 日调水区域。下面 分别具体介绍。 3 1 1 第一次水量水质野外同步监测及结果分析 1 监测断面及调度方案 2 0 0 5 年9 月1 9 日，从中午1 2 ：3 0 到晚上2 3 ：3 0 分，在一次涨落潮期间， 闸门启闭一次充分引潮情况下，同时从黄山港和黄田港引水，进行野外同步监测 试验。水文水质监测断面布设见图3 1 - 1 。 图3 i - 1水文水质监测断面布设图 “ 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 各节制( 套) 闸调度方案： 1 ) 9 月1 9 日1 2 ：4 5 时黄山港闸门开启直到长江潮位低于内河潮位时开始泵 引；黄山港泵站( s m 3 s ) 开启引水直到2 3 ：3 0 。 2 ) 黄山港与东横河水立交配合运行。 3 )白屈港河道西岸沿线闸门( 东横河闸、龙泾河闸、绮山中心闸、应天河 西闸) 全部关闭。 4 ) 黄田港定波闸引水时开启。 5 ) 锡澄运河西岸的新团结河闸门和工农河( 西) 闸门关闭。 6 ) 调水区域内其余闸门全部开启。 2 水量监测成果分析 第一次调水试验各断面过水量、流向、分流比见图3 卜2 。 图3 1 - 2 第一次调水试验各断面过水量、流向、分流比示意图 3 水质监测成果分析 从本次引水的原型试验结果可看出，锡澄运河和西横河排水后，江阴市城区 各主要河道水质有所改善，引水对城区各主要河道水质改善平均值见图3 1 - 3 、 3 1 4 河道c o d m 。平均改善值为0 8 2 m g o ，主要断面平均改善程度为1 4 6 。 1 2 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 图3 1 - 3 调水前后城区各断面0 0 仇浓度对比图 图3 1 - 4 调水前后城区各断面n h - n 浓度对比图 3 1 2 第二次水量水质野外同步监测及结果分析 1 监测断面及调度方案 2 0 0 5 年9 月2 1 日，从下午1 5 ：3 0 到2 2 日凌晨l ：3 0 分，在一次涨落潮期 间，闸门启闭一次充分引潮情况下，同时从黄山港，白屈港以及黄田港引水，进 行野外同步引水监测试验。水文水质监测断面布设见图3 1 5 。 河海大学硕士学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 图3 1 - 5水文水质监测断面布设图 各节制( 套) 闸调度方案： 为了能使长江水充分注入市区，同时，搞清楚两河在引水过程中的泄漏量， 以及在与南横套、东横河交汇处的分流比，各节制闸调度如下： 1 ) 9 月2 1 日1 3 ：1 5 时黄山港闸门开启直到长江潮位低于内河潮位时开始泵 引；黄港泵站( 8 m 3 s ) 开启引水直到2 3 ：3 0 。 2 ) 9 月2 1 日1 3 ：1 5 白屈港闸门开启直到长江潮位低于内河潮位时开始泵引； 白屈港泵站( 1 0 0m 3 s ) 开启引水直到2 3 ：3 0 。 3 ) 黄山港与东横河平交。 4 ) 白屈港东岸各闸门( 大白河、东横河、红星河、北横河、应天河) 全部 关闭。 5 ) 白屈港西岸龙泾河、绮山中心河闸门关闭。 6 ) 锡澄运河西岸的新团结河闸门关闭。 7 ) 白屈港调水主控套闸( 璜塘) 关闭 8 ) 调水区域内应天河西闸等其余闸门全部开启 2 水量监测成果分析 第二次原型调水试验各断面过水量、流向、分流比见图3 卜6 1 4 河海大学硕上学位论文 区域调度对江阴市水环境改善效果研究 图3 1 - 6 第二次调水试验各断面过水量、流向、分流比示意图 2 水质监测成果分析 从本次引水的原型试验结果可看出，锡澄运河、西横河和白屈港排水后，江 阴市城区各主要河道水质有所改善，引水对城区各主要河道水质改善平均值见图 3 卜7 ，图3 卜8 。河道c o d 平均改善值为1 4 m g l ，主要断面平均改善程度为 2 5 2 ，大多数监测断面水质改善都非常明显。 图3 1 - 7 调水前后城区各断面c o d - i 浓度对比图 河海犬学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 调水前后各断面氨氮浓度对比图 l 目 羁日8 。 ； 一 瑚f l 胁mil 饵i 丑l 2 34567891 0 1 l1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 02 1 2 22 3 断面号 日调水前 旦调壅厦 图3 1 - 8调水前后城区各断面。- n 浓度对比图 3 2 模型建立 目前，描述河网运动的方法，一般采用一维非恒定流水流运动的基本方程来 模拟，即圣维南方程组。圣维南方程组是由法国科学家圣维南( a j c b d e s t v e n a n t ) 于1 8 7 1 年成功导出，它属于一阶双曲线型拟线性偏微分方程组，在 数学上目前还无法得到其解析解。在计算机还没有问世前，人们不得不将圣维南 方程组简化后再求解，常用如瞬态法、马斯京根法、特征河长法以及运用较广的 扩散波法等简化方法1 2 0 l 【2 n 。由于这些简化方法忽略了圣维南方程组中的某些 项，因而其适应范围也受到了一定的限制，不是一种普遍适应的方法。近年来， 随着高速度、大容量计算机的问世及计算技术的发展，使得直接用数值方法求解 圣维南方程组成为可能，并且得到飞速发展和广泛的应用。 3 2 1 河网概化 1 概化原则 在平原河网区的水系，河道纵横交错，河道水流没有固定的流向，河系呈环 形结构，称为环状河网。在河网内部往往还有湖泊、塘坝和水闸、涵洞等各类水 工建筑物。通常在河网计算时需要对河网进行概化，一般概化为节点、河段、断 面三类要素。河道与河道的交点、以及河道的两个端点处均为节点。一般两个节 点之间的河道成为河段。每个河段之问至少需要概化两个断面。概化断面用底高、 8 7 6 5 4 3 2 l 0 (i暑寻烈嚣巷蝉掰 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 底宽和边坡三要素来描述。在河网湖泊概化时，首先要满足防洪计算的精度要求， 同时需要注意以下几点【2 2 1 1 2 3 】： ( 1 ) 次要的起输水作用的小河道，可以几条河合并成一条概化河道，主要河道不 宜合并； ( 2 ) 对一些基本上不起输水作用的小河道、小沟塘、小湖泊，可以考虑其调蓄作 用，作为陆域面上的调蓄水面来处理； ( 3 ) 对于较大的湖泊根据需可以概化为调蓄节点； ( 4 ) 每个河段长度不宜太长，尤其是当河道变化曲直较大时应增加节点。 2 河道断面概化 天然河道断面大多为不规则断面，如图3 2 1 中所示，而概化的河道是以水 平底坡、棱柱形或梯形断面为基本几何形状的，如图3 2 - 1 所示。图中：z o 为参 证水位；b o 等于与z 0 相应的河宽；a 0 等于与z o 相应的过水面积；s o = s 1 + s 2 河 道两岸边坡。z o 的选择是关键，将选取的原则在水位变幅范围内，边坡可用一 常数来近似代替。 图3 2 - 1河道断面概化图 3 参数确定 河网计算的参数主要包括河道长度、断面面积、陆域宽度、糙率、水面率、 水闸出流系数、调蓄库容和水闸特性等。 ( 1 ) 河道长度：根据研究区的水系电子地图，利用地理信息系统的功能量算； ( 2 ) 断面面积：参见本文第2 节河道断面概化； ( 3 ) 陆域宽度：根据研究区水系电子地图，利用地理信息系统的功能量算得单位 长度的平均汇流面积作为陆域宽度； ( 4 ) 糙率：主要河道糙率可根据实测的河道水位、流量资料进行率定取值，一般 取值为0 0 2 0 0 0 3 0 之间，其他河道按不同类别分析得出； ( 5 ) 水面率：在地形图上量取常水位时的水面面积再除以研究区域面积； 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 ( 6 ) 水闸出流系数：根据实测的闸前、闸后同时水位、引排水流量资料进行率定 取值； ( 7 ) 调蓄库容：根据调查统计的河道及水面面积资料分析得出。 3 2 2 水量模型 1 基本方程0 2 1 1 1 2 4 1 2 s l 描述一维河道非恒定水流运动的s a i n t - v e n a n t 方程组是建立在质量和能量守 恒基础上的，以水位和流量为研究对象，其基本方程为： 筹喁詈= g 连续方程( 3 2 2 - 1 ) ta - 部- q - q + 2 u 百a q + c e , a b u ：，罢+ g 喾：。动舫程 式中： x ，t 一距离( m ) 和时间( s ) ，为自变量5 a 过水断面面积( m ) ； b 一水面宽( m ) ； q 一流量( m 3 s ) ； n 一糙率； z 一水位( m ) ； b w 一水面宽度( 包括主流宽度，仅仅起调节作用的附加宽度) ( m ) 。 r 一水力半径； q 旁侧入流流量( m 3 s ) 描述河道水流运动的圣维南方程组是双曲线型微分方程，它有两类基本的 解法：一、基于该方程的特征线形式的特征线法；二、基于偏微分方程的有限差 分法。随着计算机速度提高和计算方法的发展，有限差分法已广泛地应用于非恒 定流计算中。有限差分法又有显示和隐式两类，由于采用显示格式需对时间步长 at 需要旋加控制，因而有限差分的隐式方法得到了发展。本文采用p r e i s s m a n n 格式离散。 2 p r e i s s m a n n 隐式差分格式 采用p r e i s s m a n 四点线性隐式差分格式对基本方程进行离散伫6 1 ，形成如下线 性方程组： 1 8 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 j 署蚤+ 曼至咆“箩 ( 卧l 1 十1 ，l 2 - 1 ) ( 3 2 2 - 2 ) 堪t q | + g i q 。n f l z i + f t z | n = l f ，t 其中“t = ，：盖 d j = 字( q 。- q j + 协“玑z t i j m ，等 巨= 2 - - - - 急- - 2 t l i + l l z j + 喾防丫 只= - b u 2 h 2 7 q = 抛a r j + 2 u j + 9 2 a 口x ( n 2 1 u ，l l j ， ”急+ 竽。乜。一q + i j ) 一字( 鲥也2 ) f + 。卅) + 等( 2 孰。 式中下脚表为i + 1 2 的表示取i 及i + l 处函数值的平均。由于系数是由均时 段初值及选定的时间步长、距离步长计算得到，故方程组3 2 2 - 2 对每一计算时 间步长而言均为线性方程组。 本文采用目前较为常用的河网三级联解法，思路为：单一河道一节点一单一 河道。将整个河网看成是由河道及节点组成，先将各单一河道划分为若干计算断 面，在计算断面上对s a i n t - v e n a n t 方程组进行有限差分计算，得到以水位及流量 为自变量的单一河道差分方程组；然后根据节点连接条件及边界条件得到各节点 水位方程组；求解出各节点水位后，再利用追赶方程系数回代至单一河道，求出 各河道断面的水位及流量。 ( 1 ) 外河道计算【2 7 l 外河道是指一端是边界条件已知的外节点，另一端是水力要素未知的内节 点，内节点的变量必须通过河网的联解才能求出。编程时假定水流方向为外节点 流向内节点，着实际情况相反，则计算的流量和流速为负值。外河道的求解是， 通过边界条件确定首断面的递推关系，用追赶法求解各断面的水位与流量递推关 系，得到汇入基本河网的未断面流量与内节点水位的关系。待内节点水位求出后， 1 9 河海大学硕士学位论文区域调度对江阴市水环境改善效果研究 即可回代求出各断面的水位和流量。 由于边界条件有两类，外河道分为两类，一类为具有水位型边界条件的河道， 一类为具有流量型边界条件的河道。对于任一外河道，设首断面号为l l ，末断 面号l 2 。 对于水位型边界条件，有如下追赶方程： 乙。= 最，一屹。q 。 ( 忍，= z i 。，圪，= 0 ) 譬2 冀一勺- ( 乱l ，l 2 - 1 ) 【z f + = 卑“一巧+ 。q 。 。 对于流量型边界条件，有如下追赶方程： q ，= 最- 一屹乙。( 最= q 。( f ) ，吒= 0 ) f z f = s 。- r , + 。z ，。 1 q 。= 只+ 一k + 。五+ 由以上的追赶方程可以看出，无论哪种类型的边界条件，其末断面的流量均 可表示为： 骁z = ( 乙：) = ，( z * ) z 为外河道末节点水位，由河网联解求出节点水位z 比，回代可求出内河道 各断面的水位及流量。 ( 2 ) 内河道计算 内河道指首、末节点水力要素均为未知的河道。在河道离散方程组( 3 2 2 - 2 ) 中，有2 ( l 2 l i + i ) 个未知量，2 ( l 2 l i ) 个方程，方程个数比未知变量个数 少两个，无法直接求解。这里采用双追赶方程求解，即以首、末节点水位为基本 未知量，再由节点平衡方程建立只包含节点水位的方程组，求出各