（环境工程专业论文）滨江平原河网区水环境治理方案研究——以江阴市为例.pdf

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) ：垄亟 2 圆孑车( 月j 阳 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) ：二缝一力茚年多月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 水是基础性的自然资源、战略性的经济资源和公共性的社会资源，在国计民 生和社会经济发展中占有越来越重要的地位。经济社会发展和客观自然条件，决 定了水资源在我国可持续发展中的极端重要性。然而，随着经济的快速发展，工 业化、城市化程度的不断提高，大量工业废水、生活污水排入河道，人类生产活 动的不良行为和自然影响导致了水环境不断恶化，水体污染严重。随着社会经济 的发展，人们对水环境的保护意识和要求日趋强烈，水环境保护的重要性也日益 突显。 江阴市北临长江，南近太湖，全市地势平坦，河网稠密，水资源丰富，土地 肥沃，是个典型的江南水乡。历来因水而兴、因水而富、因水而美、因水而灵。 作为全国经济最发达、发展最快的县市之一，现代化、工业化、城市化的进程越 来越快，与经济社会快速发展的要求相比，水资源利用保护存在明显的不协调、 不适应，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。 国内外对于水环境治理已经取得了一些成果n 吲，我国对于平原河网地区的 水流特性也进行了一些研究刊。江阴市地处经济发达的长江三角洲，是典型的 平原河网地区，又紧靠长江，本文利用物理模型和数学模型相结合方法，以江阴 市为例，研究滨江平原河网地区的水力水质特性，提出改善水环境行之有效的措 施，对于优化长三角地区的人居和投资环境，实现水生态环境和经济协调平衡发 展具有重要意义。 1 2 研究背景及进展 1 2 1 水资源保护规划 1 2 1 1 水资源保护规划进展 从1 9 7 9 年开始，我国先后颁布了中华人民共和国环境保护法、中华人 民共和国水污染防治法、中华人民共和国水法，颁布了工业废水排放标准、 地面水环境质量标准等。环境保护行政主管部门会同有关部门制定了水资源 保护的条例、规定、标准和技术经济政策，使水环境标准工作有了法律依据和保 证。1 9 8 3 年开始，各流域机构会同省市的水利、环保部门开展了长江、黄河、 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为倒 淮河、松花江、辽河、海河、珠江七大水系的流域水资源保鼎哪婪i 辩萎主妻耋染 协j 莓念督尊睫暴蛋强疆墨毕点强捌馨曼臻馥婴；萋御i 套攫季鲕掣耋嚼鬻w 谨舅 蠢治塌治揲雾馨穆璐吐； 基撞疆籍掣绘篷浩娶艘唑羹瀛墓寿萎磊鞑醛鞠；蓁耋裹霉嬉鲤；蝌茎； 熟瓣匿垮鹾墓愕筹黠耀渤灞骅弋名瑙凄耋，爱蚓霎弦侧鬟塑醵r 。彩烈数，可按已建立的相关模型和水文计算方法进行计算求得。 排污口允许排污量分配 根据排污控制区终止断面允许污染物汇入总量，采用已建立的排污控制区水 质模型模拟计算，求取每个排污口允许的污染物排放量，并编制该河段的总量控 制方案。 方案审查 对总量控制方案进行审查，如有不足，则需要对总量控制方案设计或水质控 制目标进行调整，并按工作程序进行计算，达到满意为止，成果纳入水资源保护 规划。 目前全国正在编制水资源保护规划，总量控制是规划中的重要内容。在规划 中体现总量控制思想，应用总量控制的技术方法，进行规划的编制是十分重要的。 1 2 2 河网水量水质模型 1 2 2 1 水力模拟研究动态 河网水动力数学模型大体可以分为节点一河道模型、单元划分模型、混合模 型以及人工神经网络模型4 类陋1 。目前，河网水动力模型仍然以节点一河道模型 为主，对s a i n t - v e n a n t 方程组离散求解，寻求一种更能真实有效反映平原河网水 动力特性的数学模型和高效的求解方法仍将是今后河网数值模拟的主要发展方 向。其基本思想是：将河网中的每一河道视为单一河道，其控制方程均为一维 s 诎舭t 方程组；河道连接处称为节点( 汉点) ，每个节点处均应满足水流连续 性方程和能量守恒方程。求解由边界条件、s a i l l t 。、a n t 方程组和汉点衔接方程 联立闭合方程组，即可得到各河段内部断面的未知水力要素。节点一河道模型原 则上可以求解任何水网的水力参数，但不同的求解方法各有优缺点四1 。 s a i n t - v c = i l a n t 方程组是s a i n t v c n a n t 在前人n e w t o n ( 1 8 6 7 ) 、l a p l a c e ( 1 7 7 6 ) 等开创性研究的基础上建立的一维非恒定水流运动规律的理论基础。由于 4 4x 第一章绪论 s a i l l t 。v h a n t 方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，无法直接求得解析解， 只能求解各种简化形式的方程组，因此在实际应用中受到很大的限制。到了2 0 世纪中期，由于计算机技术的迅猛发展，对完整s a i n t v e n a n t 方程组的求解才变 为现实。目前对河网非恒定流水力计算方法通常有：直接解法、分级解法。 直接解法是早期河网计算中常用的方法。它的基本思想是直接求解由河道内 断面方程和边界方程组成的方程组，形成的线性方程组的系数矩阵为一不规则、 不对称的大型稀疏矩阵，占用内存大、计算量大。中山大学李岳生教授等从河网 矩阵的特点出发，提出了“网河隐格式的稀疏矩阵解法”n2 1 ，能够节省计算机内 存，提高运算速度。 分级解法是近期发展起来的计算方法，也是目前应用最为广泛的一种方法。 该方法是由荷兰水力专家d r o n k e r s 首先提出、后经许多专家、学者发展起来的 一种解法。该法的基本思想是先将未知数集中到节点上，待节点未知数求出后， 再将各河段作为单一河段求解。分级解法按方程组的连接形式，又可以分为：二 级解法、三级解法、四级解法、汊点分组解法等。二级解法的是将所有的边界方 程和河段方程一起构成一个封闭的方程组，求解这样的方程组，便可以求得河网 各河端的未知数，然后再利用微段方程求出全部内部计算断面的未知数。1 9 8 2 年张二骏等提出了河网非恒定流的三级联合解法。三级解法是在二级解法的基础 上，将所得到的河段方程自相消元，可以得到一对以水位或流量为隐函数的方程 组，将其代入相应的节点方程和边点方程，求得节点水位，然后再求得各断面的 流量及水位。1 9 8 5 年吴寿红提出了河网非恒定流的四级解法，即在三级解法的 基础上，分离出外边界方程和节点能量衔接方程，由剩下的方程构成四级连接方 程组结合节点水量平衡方程求解。汊点分组解法是李义天于1 9 9 7 年提出的，它 是在分级解法的基础上进一步降低线性方程组的阶数。分级解法较直接解法有较 大的优越性，但求解大型线性方程组是该法面临的一个难题。近年来，王船海、 李光炽等提出了节点的优化编码、g a u s s 列主元消去法、矩阵标识等方法，为这 类问题的解决开辟了蹊径n 3 1 制。 1 2 2 2 水质模拟研究动态 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。自1 9 2 5 第一章绪论 c e q u a l r l 1 、w q r r s 1 剐、h e c 5 q 1 9 1 、s e l e c t 矧、c e q u a l r 1 2 1 1 等模 型。 随着对污染物污染机理的深入研究，很多科研组织已开发了不少综合水质模 型。但当然现有的水质模型也存在一些亟待解决的问题：并未完全清楚污染物在 介质中的迁移转化过程，近似假设仍可能导致模拟较大地偏离真实情况：模型比 较复杂，导致许多参数难以较准确度量和估值。因此，加强污染机理研究、提高 参数估值准确度及研究模型的不确定性将成为机理性水质模型在今后发展中的 一个重要方向。 近年来g i s 在水质模拟与管理规划方面发挥了重要作用。由于水环境信息具 有空间特性，通过应用g i s 技术可使水环境信息从单一的表格、数据形式逐步转 变为具有生动形象的图形、图象方式，并且以这些信息为基础，还可完成对相关 水环境的预测、规划，以及对某些重大水环境问题进行预警和防范。可以预见， 将g 工s 技术结合于水环境污染模拟、控制和决策也是水质模拟预测今后重要的研 究课题。 由于水环境系统中存在很大的随机性和偶然因素，从而导致输出结果的不确 定性。为了提高模拟预测的精确度和结果的可靠性，有必要对现有的水质模型进 行研究修正，以保证结果的有效性。因此，如何克服不确定性对模拟预测带来的 负面影响也将是今后水质模拟预测研究的重要内容之一。 将实时监测纳入模型系统的研究这是当今另一个发展的最前沿。随着r s 、g p s 以及g 工s 这3 个被称为“3 s 技术的发展以及它们在水质模型研究中的应用，专家 们可以做到实时、动态地应用模型分析和解决水环境问题。 1 2 3 水环境容量 1 2 3 1 水环境容量定义 水环境容量：一定水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量犯2 1 。容量大小 与水体特征、水质目标及污染物特性有关，同时水环境容量还与污染物的排放方 式及排放的时空分布有密切的关系。由于河流具有对污染物质的稀释、输移、降 解能力，因此河流环境容量可分为以下三个组成部分：稀释容量、输移容量、自 净容量髓3 | 。由于稀释和沉积作用，河流中的污染物逐渐分布于水和底泥中，当水 体通过物理稀释作用使污染物达到规定的水质目标时所容纳的污染物的量称为 7 滨江平原河同区水环境治理方案研究一以江阴市为例 稀释容量，稀释容量在数值上是输移能力与现状输移量之间的差值，因此也称为 差值容量；水体流动输送到下游河道的污染物数量称为输移容量，它只与水力要 素和水质目标有关，因此输移容量是有限的不可再生的。较大的输移容量并不代 表较大的允许排放量。对保守物质来说，河段总的环境容量只由输移容量组成； 水体通过物理、化学、物理化学、生物作用等对污染物所具有的降解或无害化能 力表征为自净容量，自净容量是反映水体对污染物的自净能力，也称同化容量。 自净容量是水环境容量中最重要的组成部分，河流水环境容量的计算关键在于自 净容量的计算。它是可不断再生的量。 1 2 3 2 水环境容量计算模型 常用的水环境容量计算模型有：一维模型、二维模型、非均匀混合模型和湖 ( 库) 均匀混合模型。水环境容量计算方法大致可分为三类：解析公式算法、模型 试错法及系统最优化分析方法乜引。解析公式法是一种稳态方法，显然不能用于计 算非稳态的水环境容量；利用非稳态的水质数学模型，试错法可以用于计算非稳 态的水环境容量，但费时费事，计算效率太低；基于线性规划等理论的系统最优 化分析方法，由于自动化程度高、精度高、对边界条件及设计条件的设计能力强 等优点，受到了越来越多的推崇，已被引入河流水环境保护的专家系统乜引。 1 2 4 国内外引水改善水环境工程应用进展 福州市内河共有4 2 条，纵横交错，水网平均密度在3 k m l ( m 2 以上。近年来 的工业废水和生活污水直接排入，导致污染加剧，常年黑臭。1 9 9 6 年福州市政 府下决心实施引水冲污啪1 ，通过引入闽江水，加大内河径流量，提高流速，使大 部分河段水流呈单向流，当天污水当天排入闽江，做到一天换一次水，减少回荡。 引水后内河的复氧能力增强，其综合效应的结果达到了消除黑臭，同时大大降低 了闽江北港北岸边污染物浓度。该工程19 9 8 年8 月1 日竣工投入试机运行犯7 吨鲥。 目前，已较成功地解决了福州城区内涝问题，内河水环境也得到了很大的改善心引。 苏南地区经济发展迅速，废水排放量剧增，太湖受到严重污染口卜3 。引水是 要加大区外引水规模，实施生态调水工程，把长江水引到太湖，加速太湖水体转 换速度，以动治静，以清释污，以丰补枯，改善水质。计划通过望虞河引长江水 入太湖，即“引江济太”b 2 。3 引。自2 0 0 2 年1 月3 0 日起实施引江济太调水试验工 程以来，截至2 0 0 4 年9 月3 0 日，常熟水利枢纽共引长江水5 8 7 亿立方米，通过 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为例 ，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 删 i l ， 年最大降雨量为1 9 1 4 4 m m ( 1 9 9 1 年) ，年最少降雨量为5 6 8 4 i 姗( 1 9 7 8 年) 。 降雨量年度变化幅度较大。历史上有记录以来江阴长江最高潮位7 2 2 m ( 1 9 9 7 年8 月1 9 日) ，最低潮位o 8 0 m ( 1 9 5 9 年1 月2 2 日) 。历史上有记录以来锡澄 运河青阳站最高水位5 1 2 m ( 1 9 9 1 年7 月2 日) ，最低水位2 6 1 m ( 1 9 8 8 年2 月1 7 日) 。 1 3 1 3 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 如胁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 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。 1 3 2 社会经济概况 1 3 2 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0 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0 1 7 个千分点；人口死亡率6 7 2 ，上升0 0 1 个千分点；人口自然增长率0 5 4 ，下降0 1 8 个千分点。年末 有外来人口5 3 9 8 万人。 1 3 2 2 社会经济 江阴市是国民经济和社会发展较快的县市。“十五”期间，国民经济持续快 速健康发展，产业结构不断优化，社会事业发展迅速。 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 4 年江 阴市完成地区生产总值6 3 8 2 6 亿元，比上年增长2 5 6 4 。全市户籍人口人均 地区生产总值5 4 4 4 2 元，增长2 4 5 7 。全年财政收入9 2 1 4 亿元，比上年增长 3 4 3 0 ，其中一般预算收入3 7 5 4 亿元，增长4 0 1 6 。财政收入占g d p 的比 l o 第一章绪论 重为1 4 4 4 。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 。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 。 1 3 3 现状水环境 饮用水源为小湾水厂、肖山水厂和常州水厂的长江取水口，全年共监测1 2 次，各项指标均达到规定水源水质标准，水质达标率1 0 0 ，水质良好。 水质评价方法采用单指数法，评价标准采用g b 3 8 3 8 2 0 0 2 标准，按2 0 1 0 年 江阴市地表水环境功能区划的水质标准评价。2 0 0 4 年，在评价的5 0 个监测断面 中，i i 类水断面1 个，占2 ；i i i 类水断面2 个，占4 ；类水断面1 个，占 2 ；v 类水断面5 个，占1 0 ；劣于v 类水断面4 1 个，占8 2 ，地表水水质不 容乐观。 地下水水质较好，基本符合国家生活用水卫生标准，i i 、i i i 承压水中偏 硅酸含量普遍达到了国家饮用矿泉水的界限指标，常喝此水对人类健康有利。 1 4 主要内容及论文技术路线 1 4 1 主要内容 本论文拟从研究平原感潮河网区水环境容量和水环境改善方案的角度出发， 以江阴市为例，在原型试验基础上，建立江阴河网区水量水质模型，并进行参数 率定，计算水环境容量，提出水质改善方案并计算改善效果，为该地区的水环境 保护规划提出技术支持。 论文主要研究内容包括以下四个方面： ( 1 ) 依据江阴市2 0 0 5 年9 月1 9 日从1 2 ：3 0 到2 3 ：3 0 分的从黄山港和黄田 港引长江水和2 0 0 5 年9 月2 3 日从5 ：3 0 到2 3 ：3 0 的从白屈港引长江水的原型 调水试验的大量水量、水质实测数据，建立了江阴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。 ( 2 ) 计算了江阴市各主要河道在2 0 1 0 年、2 0 2 0 年的水环境容量值；建立了 长江江阴段非稳态水量水质数学模型，研究了长江江阴段水环境容量，从而汇总 得出江阴市内河和长江的水环境容量值。 ( 3 ) 通过调查水资源量、污染源、社会经济和人口发展，预测规划期内江阴 滨江平原河同区水环境治理方案研究一以江阴市为倒 各类污染物的入河量，并结合水环境容量计算结果，在不引水和不同引水量情况 下分析污染物总量控制方案。 ( 4 ) 利用所建立的江阴河网非稳态水量水质数学模型，研究了江阴城区和澄 东片的水环境改善方案。 1 4 2 技术路线 参看国内外在水资源保护规划、水环境容量计算方面的研究成果，充分借鉴 和利用已有的成果和经验，研究平原感潮河网区水环境容量和水质改善方案。本 论文技术路线如图1 4 2 1 。 社会经济资料 收集 水文、水质、污染 源资料收集 原型调水试验同步 观测水文、水质 长江江阴段水量水质 二维模型建立及率定 研究区域规划期内 污染物入河量预测 江阴河网水量水质 模型建立及率定 研究区域水环境 容量计算研究 污染物总量控制方案 分析 截污、引水、清淤改善 研究区域水究 改善江阴市水环境研究 图1 4 2 - 1 论文研究技术路线图 1 2 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与丰定 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与率定 2 1 原型调水试验 2 1 1 实验目的 ( 1 ) 在现状河道输水能力、工况条件及现状水环境状态下，掌握引长江水 对江阴城区( 第一次调水试验) 和白屈港以东区域( 第二次调水试验) 水环境的 改善程度，确定改善水质的引水能力。 ( 2 ) 结合原型实测，进一步对水环境模型进行研究以及参数的率定，较好 地模拟江阴河网污染物迁移扩散规律，为计算水环境容量，采取工程和非工程措 施提供依据。 2 1 2 水量水质野外同步监测及成果分析 2 1 2 1 第一次调水试验 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，同时从黄山港和黄团港引水，进行野外同步引水 监测实验。水文水质监测断面布设见图2 1 2 一l 。监测断面名称与断面号对应见 表2 1 2 1 。 i 垦塑 1 9 城西中心河 2 。车一2 0i _ 东横河 t 1 4i 东横河 o 1 3 ： ( 中) 河 6 心河 龙泾河 l 绔山中 店东 1 7 港 弄申心河 彗巳 句 可 1 8 应闸西曙托 屈i 尺菱塑 闸门 盈袤站 监溯断面 注：1 9 号断面只测水位、水质 2 0 号定波闸提供流量。并观测水质 其余断面观测漉速、流向、水位、水质 水文水质监测断面布设图 1 3 斗堞 病 姚 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为例 表2 1 2 一l第一次调水试验监测断面名称与断面号对应表 断面号l2345678 9 1 0 断面 秦泾桥通渡桥九里河桥 谢园排棉纺 名称 涝站桥 绮南桥西门桥前进桥梅园桥北庄桥 厂桥 断面号 1 11 21 31 4 1 51 61 71 81 9 2 0 断面 阳光桥忠义桥 工农村中北潮江阴 名称心桥 新蒲桥先锋桥板桥骆驼桥定波闸 河桥船闸 各节制( 套) 闸调度方案：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( 8 m 3 s ) 开启引水直到2 3 ：3 0 ；黄山港与东 横河水立交配合运行；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；黄田港定波闸引水时开启；锡澄运河西岸的新团 结河闸门和工农河( 西) 闸门关闭；调水区域内其余闸门全部开启。 ( 1 ) 水量监测成果分析 黄山港引水分析 黄山港开闸后，根据江阴市河道管理处提供的引排水资料可知，监测过程中 引水量为3 9 6 2 万m 3 ，与东横河交界后，由于白屈港设闸控制，所以过水量分为 两部分，一部分继续向南流，另一部分向西流去，到达1 4 号监测断面时，过水 量为1 0 2 8 万m 3 ，为闸口引水量的2 5 9 5 。水继续向西流，与东城河交界后， 还有部分水向西汇入锡澄运河。澄塞河1 2 号监测断面过水量为4 6 9 3 万m 3 ，其 中的1 3 8 万m 3 汇入运粮河，其余部分继续向南流动，与应天河交界后，一部分 向西汇入锡澄运河，到达9 号监测断面时过水量为1 7 5 5 万m 3 ，占交界处水量的 5 2 9 8 。工农中心河、北潮河的流向均向北汇入应天河。 黄田港引水分析 黄田港开闸后，根据江阴市河道管理处提供的引排水资料可知，监测过程中 引水量为1 8 3 4 3 万m 3 ，与东横河交界时，与东横河来水汇合，大部分往南汇入 锡澄运河，到达7 号监测断面时，过水量为1 4 5 1 0 万m 3 ，为总引水量的7 9 1 。 水继续向南，到达与西横河交界处时，与运粮河来水汇合，然后分流，一部分向 西流入西横河，另一部分由锡澄运河继续向南流动。由运粮河上的8 号监测断面 资料可知，汇入锡澄运河的水量为1 3 8 万m 3 。由西横河上的2 号监测断面资料 可知，流入西横河的水量为1 5 6 9 万m 3 ，为锡澄运河和运粮河汇入总水量的 1 4 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与率定 9 8 7 。由3 号监测断面资料可知经由此断面的排水量为1 3 8 8 1 万m 3 ，与总引水 量1 8 3 4 3 万m 3 相比，说明引入的长江水大部分仍然由锡澄运河排出，流入城区 的很少。 第一次原型调水实验各断面过水量、流向、分流比见图2 1 2 2 。 山 馘3 ，。黧 黄 ：。芎二一 一 白 图2 1 2 2 第一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 通过从黄山港、黄田港从长江向城区引水，然后再通过锡澄运河和西横河排 水的原型实验，研究分析引水对城区水环境改善情况。 从本次引水的原型实验结果可看出，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 2 1 2 3 、2 1 2 4 。河道c o 平均改善值为0 8 2 m g l ，主要断面平均改善程度 为1 4 6 ，其中1 号秦泾桥c o d 改善最明显，改善程度为6 4 1 ；河道n h 。一n 平 均改善值为o 5 3m g l ，主要断面平均改善程度为9 2 ，5 号绮南桥n h 。一n 改善 最明显，改善程度为9 7 ，但考虑到此断面有白屈港来水汇入，单纯由此次引水 改善n h 。一n 最明显为秦泾桥，改善程度为7 1 。此外白屈港绮南桥、东横河棉纺 勰 ，t 滨江平原河罔区水环境治理方案研究一以江阴市为例 厂桥、锡澄运河西门桥、东横河新蒲桥和澄塞河北段先锋桥水质改善也非常明显， 但8 号前进桥、9 号梅园桥、1 1 号阳光桥、1 2 号忠义桥、1 3 号工农村中心桥、 1 7 号北潮河桥、1 6 号板桥、l o 号北庄桥和1 8 号骆驼桥水质改善不明显。 锡澄运河至白屈港的应天河段的北部 前进桥、阳光桥和忠义桥( 分别位于运粮河、东城河和东转河) 水质改善不 明显，原因如下：阳光桥的过水量较少主要是由于黄山港与东横河水立交，来水 主要向南流，向西流入东横河的水量偏少，到达东横河与东城河交界处分流后进 入东城河的水量就更少了，黄山港引水3 9 6 l 万m 3 ，只有6 2 1 万m 3 流过阳光桥； 忠义桥由于附近污染较严重，引水时间1 1 h 相对不足，引水结束时大部分污水没 有排出；前进桥的流量在引水期间变化不很明显，并且运粮河附近污染比较严重， 导致整个引水期间水质没有改善。 锡澄运河至白屈港的应天河段的南部 梅园桥、工农村中心桥、北潮河桥、板桥、北庄桥和骆驼桥( 分别位于应天 河北段、工农河、北潮河、应天河、兴澄河和应天河南段) 水质改善不明显，原 因如下：黄山港泵站8 m 3 s 较小，而应天河较宽，黄山港来水不能继续影响应天 河以南地区，工农河、北潮河过水量较小。梅园桥周围污染比较严重，引水时间 “h 相对不足，引水结束时来水还没有把污水大部分排出；骆驼桥附近的应天河 西控制闸关闭，应天河过水量较小，并且锡澄运河来水几乎不进入兴澄河，使得 整个南侧水系受到调水影响很小。 图2 1 2 3 调水前后城区各断面c 0 d l h l 浓度对比图 1 6 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为例 表2 1 2 - 2 第二次调水试验监测断面名称与断面号对应表 断面号1 2 34567891 0 断面东新 治安桥太平桥 萧璜 西阳桥 新北新桥 电厂 名称大桥路上 大桥 南桥 红新桥至公桥 大桥 断面号l l 1 2 1 31 41 51 61 71 81 92 0 断面长寿公霞客 璜塘中富堰 名称 刘家桥璜南桥马安桥向阳桥陆桥慈航桥 路桥镇上心桥路上 各节制( 套) 闸调度方案：9 月2 3 日5 ：3 0 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，直到第二次涨潮时 关泵自引；自引到长江潮位低于内河水位时关闭闸门；白屈港西岸闸门( 东横河、 应天河、斜泾河、冯泾河、青祝河) 全部关闭；白屈港东岸东横河闸门关闭；白 屈港调水主控制闸( 璜塘) 关闭；白屈港东岸卢墩浜节制闸、应天河套闸等其余 闸门全部开启。 ( 1 ) 水量监测成果分析 白屈港引水分析 自屈港2 3 日5 ：3 0 开闸引水，此时，正是长江来潮期间，故5 ：3 0 一8 ：3 0 为自引。然后泵引至2 3 ：3 0 。开闸后，在2 号断面治安桥经现场实测，1 8 个小 时引长江水量为6 9 3 9 7 万m 3 ，水流至应天河交叉处，有2 8 8 水量进入应天河， 水量为1 9 9 8 8 万m 3 ，水流至与冯径河交叉处，水量减少到5 9 4 6 万m 3 ，占白屈 港水量4 9 4 0 9 万m 3 的1 2 ，水流至1 4 号断面璜塘中心桥时，水量为1 3 8 8 8 万 m 3 ，最大流量为2 7 2m 3 s 。，水流在此分成两部分，一部分沿着璜塘河，沿东北 向流，水量是3 1 4 2 万m 3 ；另一部分沿白屈港向南流，至青祝河与白屈港交叉 处，有1 1 2 7 5 万m 3 的水流向青祝河，到第1 6 号断面是7 5 2 9 万m 3 ，至1 9 号 断面减少到5 4 2 6 万m 3 。由此可见，在白屈港江阴段南部水量为2 4 2 3 万m 3 ， 水量占总引水量的3 7 7 。白屈港引水的大部分流入应天河和青祝河，分别占总 引水量的2 8 8 和1 6 2 。水流流向是向南，其余水量在沿途过程分流到与白屈 港连通的交叉河道，以及部分被河道截留的槽蓄量。 张家港河沿线及以东地区分析 9 号断面至公桥实测的来水量是1 1 4 1 0 万m 3 ，水流到1 8 号断面陆桥时，水 量是2 5 4 8 8 万m 3 。经分析，水量变大是因为除张家港河，白屈港的引水也有汇 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与丰定 入。水流至6 号断面，水量是2 7 0 5 l 万m 3 ，水量变大，是因为青祝河的汇入及 其他河道的汇入。经实测，白屈港引水进入张家港河的，在l l 号断面处为1 4 6 6 5 万m 3 ，在1 9 号断面处为5 4 2 6 万m 3 ，两者之和占总引水量的2 9 2 ，其中通过 应天河流入7 2 3 ，通过青祝河流入2 7 7 。张家港河以东几个监测断面中，1 7 号断面实测得，华塘河的水量是8 6 2 5 万m 3 ，8 号断面测得的水量减少到5 2 2 3 万m 3 ，7 号断面实测的蔡港河水量是4 2 5 0 万m 3 。 南部几个监测断面分析 5 号断面实测祝塘河水量是2 9 9 3 万m 3 ，占总引水量的4 3 1 。2 0 号断面测 得富贝河水量是1 3 1 l 万m 3 ，占总引水量的1 8 9 ，说明白屈港引水对南部地区 影响很小。 第二次原型调水实验各断面过水量、流向、分流比见图2 1 2 6 。 图2 1 2 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 通过白屈港从长江引水，再从白屈港、祝塘河和张家港河排水的的原型实验， 1 9 滨江平原河同区水环境治理方案研究一以江阴市为例 研究分析引水对江阴东部片区的水量，水质改善状况。 从本次引水的原型实验结果可看出，引水结束后，江阴东部片区各主要河道 水质有所改善，引水对各主要河道水质改善平均值见图2 1 i2 7 、2 1 2 8 。河 道c o d 踟平均改善值为1 2 m g 几，主要断面平均改善程度为1 7 9 ，其中1 2 号长 寿公路桥c o 改善最明显，改善程度为6 4 3 ；河道n h 。一n 平均改善值为 o 1 2 m g l ，主要断面平均改善程度为1 8 8 ，3 号太平桥n h 。一n 改善最明显，改 善程度为8 5 9 ，此外1 号东新大桥、2 号治安桥、1 1 号刘家桥、1 6 号马安桥和 1 9 号慈航桥( 都位于张家港河以西) 水质改善也非常明显，但5 号西阳桥、2 0 号 富堰路上、7 号新桥南桥、8 号红新桥、9 号至公桥、1 7 号向阳桥、1 8 号陆桥水 质改善不明显，分析原因如下。 张家港沿线及其东部 至公桥( 9 号断面) 、陆桥( 1 8 号断面) 、新桥南桥( 7 号断面) 、红新桥( 8 号断 面) 和向阳桥( 1 7 号断面) ( 分别位于张家港河、张家港河、蔡港河、华塘河和华 士河) 水质改善不明显，原因如下：至公桥、陆桥本身就在张家港河上，张家港 河水质较差，想要改善其水质困难重重。新桥南桥、红新桥和向阳桥都位于张家 港河东部，这些断面周围工业企业排污非常严重，而且长江水通过白屈港流到这 些断面需要比较长的时间，此次调水时间不够充裕到改善其水质。由张家港河引 入的水经过周庄镇后水质变差，芦墩浜附近污染也比较严重，由芦墩浜汇入的水 其水质也较差，所以流入华塘河和蔡港河的水质就不是很理想；由于其后蔡港河 枢纽把闸门关了，红新桥和新桥南桥断面的流量逐渐减小至零，原本就不理想的 水质进一步恶化，由于引水量不够，直至引水结束，红新桥和新桥南桥断面的水 质改善并不明显。综合这些因素以上断面水质没有得到改善。 南部几个断面 西阳桥和富堰路上( 分别位于祝塘河和富贝河) 水质改善不明显，原因如下： 根据水质监测值，调水后，西阳桥和富堰路上断面的c o d 值都减少，但减少的值 很小，而氨氮值的实测结果说明，富堰路上断面减少，西阳桥断面反而上升，白 屈港调水对南部的影响之所以很小，原因有三：输水距离过长，白屈港调水水量 进入富贝河、祝塘河的水所占比重不大，分别只占总引水量的1 8 9 、4 3 1 ； 南部水系淤积严重，影响了水流畅通性，导致本来就来水不多的河道水大部分积 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为倒 计算范围，将次要的河道和水体根据等效原理，归并为单一河道和节点，使概化 前后河道的输水能力相等、调蓄能力不变。当这些次要的平行河道具有断面资料， 且首末节点相同时，可以用水力学的方法，根据过水能力相同的原理，求得合并 概化河道的断面参数。但由于这些平行河道往往缺乏断面资料，且首末的节点并 不相同，往往先凭经验来确定概化河道的断面参数，然后若在模型率定阶段若发 现这些参数不合理，则可作适当的修改，使水流模拟更符合实际。对于水系内不 参加水流输送的一些小河、池塘等，其调蓄作用不可忽视，故采用调蓄不变原则 模拟概化河网以外的调蓄作用，使概化前后河道的总调蓄容积不变。一般来说， 在进行河网湖泊概化时，除了要满足输水能力与调蓄能力相似外，主要遵循以下 原则：主要河道不要合并；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；更小的基本上不起输水作用的河道作为陆域上的调蓄水面处理；中小 型湖泊、塘坝可概化为调蓄节点h p 4 1 1 。研究区域的河网概化图如图2 2 卜1 和 2 2 卜2 所示。 图2 2 卜1 研究区域河网概化图( 第一次调水试验) 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与半定 图2 2 卜2 研究区域河网概化图( 第二次调水试验) 2 2 1 2 基本方程 描述一维河道非恒定水流运动的s a i n t 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： 厂署屿鲁= g 喀他罢埘一们罢+ g 喾= 。 式中：t 为时间坐标；x 为空间坐标；q 为流量；z 为水位；u 为断面平均流 速；n 为糙率；a 为过水断面面积；b 为主流断面宽度，b w 为水面宽度( 包括主 流宽度，仅仅起调节作用的附加宽度) ；r 为水力半径；q 为旁侧入流流量。 采用p r e i s s m a i l 四点线性隐式差分格式对基本方程进行离散，形成如下线性 方程组： _ 曼三一曼蚤一嘤“；， ( i _ l 1 ，l 1 ，l 2 - 1 ) ( 2 2 1 _ 2 ) le i q i 七g l q i n f i z l + f i z i “= 矽i 。 滨江平原河同区水环境治理方案研究一以江阴市为倒 其中“；蛐盖 b = 半( q 7 一q ) + c f ( z ，+ z m 7 ) + g ，等 骂= 盖一2 “+ 学( 掣工 e = 一觑2l + l ，2 7 q ：急魄m ，+ 鲁( ，裂 ， 急+ 半m 乜也。7 ) 一半( 鲥墙2 ) j + m 馏m 。”等孰抛 式中下脚标为i + 1 2 的表示取i 及i + 1 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2 2 卜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阻驯。 ( 1 ) 外河道计算h 2 1 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，若实际情况相反，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末断面流量与内节点水位的关系。待内节点水位求出后， 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， 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为例 墨= c f + 屏+ 1 = q 屏+ 。+ e 其中i _ l 2 2 ，l 2 3 ，l 1 。对于i = l 2 1 有： 吒2 一l2 尾2 一l = 彘2 一l = 妩2 一l 一瓯2 一l d 2 一l q 2 一l + 臣2 一i q 2 一l q 2 一l + 瓦2 一l q 2 一i + e 2 一l q 2 一l 瓯2 一l e 2 一l 吼2 一i + 既2 一l 令：q = 包+ 酝z ：+ 乃z l 式中： 谚= 仇2 乃2 e ( d f 一，+ 岛一。) 一x ( 一。一骂一。包一。) 砭一g f 一。x 正一巧一c 一。k e g f 一。x 乃一( 艺+ e 一。z ) 蔓一g 一。z = c ：一i + 砩一i 砭= 尽一。缓一，一只一。 其中i = l l + 2 ，l l + 3 ，l 2 。对于i = l 1 + 1 有： 吼l + l =臣l 眈l + 忱i 巩l + i2 一 y l j + l2 垦l + 瓯l q l 尻i + 吒l 皖l + q l 吒。一q 。色。 巨l + 皖l 因此，由上述递推公式( 2 2 卜4 ) 、( 2 2 卜5 ) 可以得到： 幺1 2 + 阮乙+ 乞乙2 ( 2 2 1 5 ) ( 2 2 1 6 ) 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与丰定 骁2 = 眈2 + 仇2 乙2 + 儿2 乙l 式( 2 2 卜4 ) 、( 2 2 卜5 ) 称为环状河网的河道追赶方程。对于每条内河道 都可以得到用节点水位表示的节点流量表达式( 2 2 卜6 ) 、( 2 2 卜7 ) ，将此关 系代入节点连接方程中形成节点以节点水位为未知量的方程组，从中解出节点水 位，再代入递推关系，进而求出内河道各断面的水位及流量。 ( 3 ) 内边界处理 河网内边界主要为闸门。根据过闸水流，有三种情况：关闸、自由出流和淹 没出流。 对于关闸的情况，上、下游没有直接的水力联系，闸上、闸下可作为两条单 一河道进行处理。 对于自由出流 q = m 她2 9 式中：为上游水深；b 为闸孔净宽；h 为计算过流水深；m 为综合流量系 数。 对于淹没出流 q = 徊 2 9 ( 互一互+ ，) 式中：y 为淹没出流系数；互，互+ 。分别为上下游水位；其余同上。 根据以上的水位流量关系，结合闸门所处的河道类型( 外河道或内河道) 求 出递推系数，然后按三级联解法的思想进行求解。 ( 4 ) 节点连接条件 河网上各节点应满足质量守恒和能量守恒条件。 质量守恒即流入某一节点的水量之和等于该节点蓄水量的变化。河网的节 点分为两类：一类是节点处有较大的蓄水面积，节点的水位变化产生的蓄水量的 变化不可忽略，为调蓄节点；另一类是节点处的水量调蓄面积较小，水位变化产 生的节点蓄水量变化可忽略，为无调蓄节点。 对于调蓄节点，可定量表示为： 善纠= 4 f 鲁 滨江平原河网区水环境治理方案研究一以江阴市为例 其中，剑为河道j 汇入节点i 的流量，a ；为节点i 的蓄水面积，z t 为节点i 的水位，m 为汇入节点i 的河道数。 对于无调蓄节点，定量表示为： 纠= o = l 能量守恒一般用伯努利方程表示。由于河网中汇集于同一节点的各断面水 位相差不大，不存在水位突变问题，故将节点概化成几何点，此时汇集于同一节 点的各河道断面水位相等，即： 乙= z ， i ，j = l ，2 ，m ( 5 ) 方程的求解 由河网的计算初始条件及内河道的递推关系，可得到节点流量的表达式 ( 2 2 卜6 ) 、( 2 2 卜7 ) ，并把外河道作为与之相连的内节点的一个输入条件， 根据节点连接条件建立节点水位方程组，用矩阵表示为：彳z = r 。其中a 为系 数矩阵，r 为常数项。有n 个节点可得到n 个节点方程，可解出n 个节点水位。 然后根据关系式( 2 2 卜4 ) 或( 2 2 卜5 ) 解出内河道各断面的水位流量，同理 根据外河道的递推关系可解出外河道各断面的水位和流量。 2 2 1 3 模型的参数率定 水量模型中，河道的糙率为模型的待定参数，糙率的精度直接影响着水量模 型的计算精度。天然河道的糙率与很多因素有关，如河床沙、石粒径的大小和沙 坡的形成或消失、河道弯曲程度、断面形状的不规则性、深槽中的潭坑、沙地上 的草木、河槽的冲击以及整治河道的人工建筑物等。这些复杂的因素不仅沿河道 的长度变化，而且在同一河段上也随水位的变化而不同。 根据2 0 0 5 年9 月1 9 日和2 3 日的引、排水试验监测成果，对水量模型进行 率定。边界条件采用原型调水试验实测水位流量过程，其中水量模型1 ( 根据第 一次调水试验建立率定) 中，边界7 和8 为水位边界，其余为流量边界；水量模 型2 ( 根据第二次调水试验建立率定) 中，边界2 为水位边界，其余为流量边界。 模型时间步长取9 0 0 秒，采用试错法进行率定，即根据部分断面实测的水位资料 或流量资料，调试各河道的糙率，使得计算水位或流量过程与实测水位或流量相 第二章原型调水铁脸及水环境数学模型建立与率定 吻合，率定得出河道糙率为0 0 1 0 0 3 ，率定的结果见图2 2 卜3 图2