（环境工程专业论文）平原河网典型区原型调水试验及水环境治理方案研究——以常熟市为例.pdf

摘要 本文针对平原河网地区城市水环境保护规划的需求，在分析研究区的水系水文 特点和水环境现状的基础上，研究适用于该地区水环境容量计算方法及水质改善方 案，为水环境保护规划的制订和实施提供技术保障。 本文以平原河网典型区常熟市为例，该地区紧临长江，有良好的引水条件。在 原型调水试验的基础上，建立了常熟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；利用建立的水量水质数学模型，对提高引水改 善水环境效果的两种方案进行了研究，并对通过截污措施改善城市水环境的方法也 进行了定量分析；研究了常熟市的水环境容量及引水改善水环境容量的途径，为合 理优化平原河网区引水方案和截污措施的确定提供一定的科学依据。 关键词：平原河网、环境容量、原型调水试验、水量水质数学模型、常熟 注：本论文得到国家自然基金重点项目“太湖流域富营养化控制机理研究”( 编号 5 0 2 3 9 0 3 0 ) 以及国家自然科学基金项目“太湖蓝藻水华形成机理及模拟研究”( 编号 5 0 5 7 9 0 1 5 ) 的资助 a b s t r a c t b a s e do nt h ep l a n n i n go fw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni np l a i nr i v e rn e t w o r ka r e a s ， t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ya n d p r o j e c t so fw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t t h i sp a p e rt a k e sc h a n g s h uc i t ya sa ne x a m p l e n e a rb yt h ec h a n g i i a n gr i v e r , t h i sa e r a h a s g o o d c o n d i t i o no f t r a n s f e r r i n g w a t e r b a s e do nf i e l ds c a l e t r a n s f e r r i n g w a t e r e x p e r i m e n t ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sh y d r a u l i c sa n dw a t e rq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e d so f c h a n g s h ua r e a u s i n gt h em o d e l s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e e pr e s e a r c ho ft h et w o p r o j e c t so fw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n ta n da l s oaq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ew a yo f o b s t r u c t i n gc o n t a m i n a t i o n t h e nt h i sp a p e rs t u d i e sw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft h ea e r a a n dt h em e t h o d st oi n c r e a s ei n v i r o n m e n t a l c a p a c i t y t h i sr e s e a r c hp r o v i d er e a s o n sf o r o p t i m i z i n gp r o j e c t so ft r a n s f e r r i n gw a t e ri nr i v e rn e t w o r ka r e a sa n ds t e p so fo b s t r u c t i n g c o n t a m i n a t i o n k e yw o r d s ：p l a i nr i v e rn e t w o r k ；e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ；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 ；h y d r a u l i c sa n d w a t e rq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l s ；c h a n g s h uc i t y 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) ： 整堑鱼。萨乇月移日 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) ： d 6 年6 月孑日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及其研究意义 “水是生命之源”，是人类赖以生存和发展的基础。水环境是居民生存的重要组成 部分。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。常熟是一个典型的江南水乡城市，境内水网密布，湖荡较多，河港 纵横，集镇临河，村落傍水。所有这些水域组成了一个可供引、排、调、蓄、航的水网， 服务于工农业生产和人民生活，同时也是生存环境的重要组成部分。可以说，人们的生 活生产环境，最重要的就是水环境，随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提 高，人们对水环境的要求也越来越高，不仅城市居民关心城区河道水环境的状况，农民 生活条件好了，也需要有一个良好的水生态环境。优美的河道水环境，不仅使城市品位 得到提升，还与人民群众的物质生活和文化生活息息相关，良好的水生态环境是人们曰 常休闲的好去处，也是不少地方招商引资和旅游业、房地产业发展的一个重要砝码n 3 。 国内外对于水环境治理已经取得了一些成果乜儿3 引，我国对于平原河网地区的水流 特性也进行了一些研究陆町口1 。常熟市地处经济发达的长江三角洲，是典型的平原河网 地区。利用物理模型和数学模型相结合方法，以常熟市为例，研究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， 减轻太湖流域外围对太湖的排污负荷具有重要意义。 1 2 研究背景及进展 1 2 1 水资源保护规划 1 2 1 1 水资源保护规划的进展 环境系统是一个复杂的大系统，水环境水资源保护规划又具有长期性、复杂性、综 合性，规划要对许多自然、经济、环境、社会因素做出定性定量的科学评价，而且要对 这些因素进行动态跟踪控制。我国水资源保护规划工作具体表现在以下几个方面陋3 ： ( 1 ) 近1 0 余年来，我国水环境水资源保护、水质系统规划研究中应用系统分析、 最优化方法等取得了一定的进展，运用和提出了一些优化模型和求解技术，如沱江水质 规划、上海黄浦江水污染综合治理、丹东鸭绿江水污染系统规划，长江武汉江段污染防 治规划研究，淮河流域水资源保护规划等。 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 ( 2 ) 改革开放以来，国家级经济技术开发区已达到5 2 个，仅长江流域就达2 0 余个， 长江流域高新技术开发区已发展到1 7 个以上，开发区产业集中，出现的环境问题多而 集中。对环境的影响，首先要做好起“龙头”作用的水环境水资源保护规划工作。我国 做水环境保护规划特点是：规划做到以经济为中心，环境综合整治为核心，编制可达性、 可操作性较强结合开发区实际的规划；着手先做环境质量与环境信息调查评价，在做环 境影响预测，再做环境功能分区确立环境目标，最后进行开发区环境污染控制规划，我 国有的开发区还优先编制有生态规划。 ( 3 ) 编制了河流梯级开发关键江段如长江中上游宜昌江段水环境水资源保护规划 ( 1 9 9 3 2 0 1 0 年) ，从技术路线上做出了水环境功能区划分对水质目标实现编制了在国 内领先的可达性分析，对宜昌江段控制断面水质资料，采用了d a n i e l 的趋势检验，使 用了s p e a r m a n 秩相关系数测算监测断面污染物随时间变化趋势规律。 ( 4 ) 编制了我国较早具有城市特点和以城市为中心的“南通市城市水资源保护规 划”，突出提出了城市水资源保护规划的战略目标，在南通市市区濠河水环境容量分析 中提出，水体中磷的分析应用了狄龙模型，尤其是在规划中在全国率先提出了“城市水 环境保护规划实施与保证体系”，也提出了城市环境功能分区。 ( 5 ) 编制我国唯一高原湖泊滇池流域水资源保护规划，提出水资源开发状况、 供需预测( 水的“量”与“质”并备) ，在水质污染预测中，c o d h 年均预测用到了“合 田键”模型，规划中突出了费用效益分析，具有特色。 ( 6 ) 针对长江口的区位和资源优势、巨大开发价值和优越发展前景，编制了我国唯 一的“长江口综合开发整治规划要点报告( 1 9 9 6 年) ( 含长江口整治工程环境、生态、 旅游资源开发规划内容) ”，包括河水水环境如河势动乱、岸滩冲淤、水域污染、盐水入 侵等综合治理规划，在国内是居前列的。 1 2 1 2 水资源保护规划的基础水功能区划分和污染总量控制阳1 水资源保护规划的根本目的是防治水污染，而防治水污染的总原则是水功能区的划 分和污染总量的控制。不同的功能对水类别有不同的要求，对水功能区的科学划分，能 减少污水处理量，并相应降低处理级别的要求。在水功能区划的基础上，水资源主管部 门根据水资源总量和流量确定污染物排放总量，并监测排污量，以保证规划的环境用水 可以具备自净能力，其中确保饮用水合格是保障水资源供应的重中之重，不但要保证供 水水源地不受污染，还要在经江河输送后，入自来水厂之前进行监测，确保给自来水厂 提供合格水源。如监测表明达不到自来水厂要求，应由水资源主管部门考虑建立大流量 第一章绪论 的、集中的再处理设施，但该设施应能经济自持运行，向香港和深圳供水的东深供水生 物处理工程就提供了很好的范例，既有良好的社会效益，又有可观的经济效益。 水功能区划分的一般原则： ( 1 ) 以流域为整体，结合使用要求和保护目标来确定。 ( 2 ) 对支流，其功能不仅要考虑本河流的使用要求和保护目标，而且要考虑对干流 的污染和影响。 ( 3 ) 河流城区段应充分注意到混合过程段、充分混合段和自净过程段功能的差异性。 ( 4 ) 河流城区段的现状功能及使用要求的合理性要作科学分析，要用效益分析和最 优化方法加以综合分析，科学合理地确定水域功能分类。 ( 5 ) 水域功能的划分既要考虑到使用要求和发展规划又必须考虑实现功能标准的技 术! 经济可能性，过严的功能分类，不仅难以做到，而且制约本地区经济发展，但水域 功能的划分，一般不应低于现状功能。 ( 6 ) 水域功能的划分具有明显的时段性，它应当与本地区一定历史时期内的经济发 展水平相适应，并随着科技进步和环境保护的需求而逐渐严格。 1 2 2 河网水量水质模型 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n0 。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 a i n t v e n a n 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 n t v e n a n t 方程组和汊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1 帅2 1n 3 1 。 s a i n t v e n a n t 方程组是s a i n t v e n a n t 在前人n e w t o n ( 18 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s a i n t - v e n 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 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 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”n 引，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 口。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 5 1 6 1 。 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 年斯特里特一费尔 普斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造成的可度量影向的研究 中，第一次建立水质模型以来，水质模型的开发与研究经历了五个阶段n 7 。： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 0 年) ：这一阶段以s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( s p 模型) 为代表， 后来科学家在其基础上成功地发展了b o d d o 耦合模型，并应用于水质预测等方面； 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 6 5 年) ：在s - p 模型的基础上又有了新的发展，引进了空间变 量、物理的、动力学系数，温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库( 湖泊) 模型， 同时考虑了空气和水表面的热交换，并将其用于比较复杂的系统； 第一章绪论 第三阶段( 1 9 6 51 9 7 0 年) ：其他输入源和漏源包括氮化合物好氧( n o d ) 、光合作 用、藻类的呼吸以及沉降、再悬浮等等，计算机的成功应用使水质数学模型的研究取得 了突破性的进展： 第四阶段( 1 9 7 01 9 7 5 年) ：水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生态水质 模型的研究初见端倪，有限元模型用于两维体系，有限差分技术应用于水质模型的计算； 第五阶段( 近2 0 多年) ：科学家的注意力己逐渐地转移到改善模型的可靠性和评价 能力的研究上。 前人对水质模型数值模拟进行了很多开创性的工作，并且卓有成效。河网水质模型 的数值模拟需以水力计算为基础，并且需要与水力计算方法相匹配。水力模拟中应用较 为广泛的分级解法，即河道一节点法在水质模拟中也得到普遍应用，其原理、求解思路 大致相同；与单元划分法相对应，金忠青、韩龙喜等提出了组合单元水质模型n 町，其基 本思想是按水力水质特性相似的原则，将河网划分成若干单元，要求划分后的单元内部 水位、流速变化均匀、水质浓度无悬殊变化、单元间污染物质的交换通过随水体对流及 交界面上的扩散而进行。单元污染物浓度以形心处浓度代替，它随时间的变化取决于交 界面上的对流扩散输运、单元内污染物的降解及源项的加入。 目前开发较为成熟、运用较为广泛的水质模拟软件是美国国家环保局( u s e p a ) 于 1 9 7 3 年开发的q u a l 2 e 模型及1 9 8 3 年开发、后经多次扩充与修正的w a s p 系列模型。其 他还有美国陆军工程兵团研究开发的c e q u a l r i v ln 9 1 、w q r r s 啪3 、h e c 一5 q 3 、s e l e c t 胁1 、 c e - q u a l - r 1 等模型。 1 2 3 水环境容量 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乜4 。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、自净容量乜引。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稀释容量；水体流动 输送到下游河道的污染物数量称为输移容量；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。 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 析方法妲引。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 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 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7 | 。 1 3 研究区域概况 1 3 1 自然环境与社会经济概况 常熟市地处江苏省东部的长江三角洲沿江开发带，东邻太仓，南倚苏州，西连无锡， 北与南通隔江相望。该市地理坐标：东经1 2 0 。3 3 1 2 1 。0 3 、北纬3 1 。3 1 3 1 。 5 0 。 l - 3 1 1 地形地貌 常熟位于扬子准地台的下扬子钱塘褶皱带东部，构造线方向主要为北与北东。 境西、境北隶属中生代隆起区的褶皱部分，新构造运动中呈现差异性升降，在平缓的地 面上偶有残丘分布。境南、境东归属中生代与新生代的坳陷区，堆积较深厚，原有地质 构造几乎全部沉没，地面低平，多见湖荡。境域属长江三角洲冲积平原，基岩的露头仅 有泥盆系，分布范围局限于虞山、福山诸丘，其余地面均为第四系全新统松散沉积，在 望虞河以西多属全新统上段冲积物，南湖荡、白茆塘以南多属全新统上段冲积湖积 物，境东北沿江一带，多属全新统顶部冲积物。 1 3 1 2 气象水文 常熟市位于北亚热带的沿海区域，季风盛行，四季分明，年平均总日照时数为 2 1 3 0 2 小时，日光充足，有利于农作物生长。年平均气温1 5 4 ，年际最大差值0 7 ，年最高气温3 5 3 8 。c ，最低气温一5 一8 。c 。平均无霜期为2 4 2 天。年降水量一般 为8 0 01 2 5 0 毫米，多年平均降水量1 0 7 1 2 毫米，每年6 - - 9 月的台风雨降水量占全年 总降水量的6 0 以上，主导风向为东南风。最大年降水量为1 6 9 4 2 毫米( 1 9 3 1 年) 。 最小年降水量为4 8 1 1 毫米( 1 9 3 4 年) ，差值很大，降水的时空分布极不均匀，干旱指 数为0 8 8 ，属湿润地区。年平均水面蒸发量12 0 0 毫米。经统计常熟水位站历年最高水 位为4 2 6 米( 1 9 5 4 年7 月2 4 曰) ，最低水位2 3 0 米( 1 9 5 6 年2 月2 8 日) 。 1 3 1 3 河流水系 常熟地处长江流域下游，属太湖水系，亦是太湖水系的下游。境内水网密布，主要 6 第一章绪论 引排河道就有2 3 条，望虞河、张家港为流域性河道，白茆塘、常浒河、盐铁塘、元和 塘、锡北运河、七浦塘为区域性河道，北福山塘、南福山塘、耿泾、海洋泾、辛安塘、 蛇泾、苏家瀹、大泠、尤泾、三泾、金泾、徐六泾、青墩塘、环城河为县级河道，还有 8 1 条乡级河道，4 6 8 条村级河道，4 9 7 1 条生产河和许多上浜河、天落潭分布在各地。 水面积较大( 2 0 0 亩以上) 的湖荡有1 3 个，主要有昆承湖、尚湖、南湖荡、嘉菱荡、 湖圩等。境内主要河道分布特征基本上是以城区为中心，向四方放射扩展，河道水域南 密而北疏，河道比降小，水流平缓，迂迥荡漾，由于受潮汐引排和雨区分布影响，河道 无固定流向。城区水系进水河道有张家港、山前塘、元和塘、横泾塘等；出水河道有白 茆塘、青墩塘、常浒河、海洋泾、耿泾塘、南福山塘等。 1 3 1 4 自然经济 2 0 0 1 年，全市国内生产总值3 0 3 亿元，年均递增2 0 2 9 ( 列全省第三位) ，人均 国内生产总值3 5 2 6 美元：财政收入3 0 4 6 亿元，年均递增1 6 4 4 ( 列全省第三位) ；三 次产业结构比例为5 1 ：5 4 8 ：4 0 1 ；工农业总产值6 7 6 0 7 亿元；总人口1 0 3 7 6 万人；耕地 面积9 4 6 5 万亩，人均耕地0 9 l 亩，人多地少。 常熟城区是全市的政治、经济、文化中心。2 0 0 1 年，国内生产总值1 6 6 3 亿元， 占全市的5 5 ；财政收入1 5 5 亿元，占全市的5 1 。人口2 7 0 8 万人。由此可见常熟 城区不论从那个方面看，对全市而言举足轻重，十分重要。 1 3 2 现状水质 2 0 0 2 年，常熟市环保局在全市主要河流上设3 3 个断面，进行全年水质监测，监测 项目为d o 、b o d 。、c o d mn h 。一n 、n 0 。一_ n 、t n 、t p 等七项指标。对各断面监测资料采用 g b 3 8 3 8 2 0 0 2 评价标准进行综合评价，该区域i i i 类水断面4 个，占1 2 1 ；类水断面 1 8 个，占5 4 6 ；v 类水断面7 个，占2 1 2 ；劣于v 类水断面4 个，占1 2 1 ，地表 水水质一般。 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质改善方案的角度出发，以常熟市 为例，建立常熟河网区水量水质模型，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。 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为伊j 论文主要研究内容包括以下四个方面： ( 1 ) 依据常熟市2 0 0 4 年1 0 月2 9 日至3 0 日的从望虞河引长江水的原型调水试验的 大量水量、水质实测数据，对常熟平原河网区的水流流态，引水效率及引水改善水质效 果进行分析，并且分析了常熟调水对望虞河西岸及边界河道的流态及水质影响。 ( 2 ) 在原型调水试验基础上，建立了常熟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。 ( 3 ) 对常熟市现状污染源进行调查，计算了常熟市在近期( 2 0 1 0 年) 、远期( 2 0 2 0 年) 的理想水环境容量值、水环境容量值、最大允许排放量、现状削减量，并计算了引 水对研究区域水环境容量的增大效果。 ( 4 ) 利用所建立的常数区域河网非稳态水量水质数学模型，研究了海洋泾引清通道 开辟、航道改线方案实施后引长江水对研究区域水质的改善效果；研究了截污措施对常 熟市区水环境的改善效果。 1 4 2 技术路线 检索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 。 第一章绪论 图1 4 2 - 1 论文技术路线图 9 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 2 1 原型调水试验方案 本次监测是在两次涨落潮期间，闸门两次启闭、充分引潮情况下进行的，分析引水 期间河网区水流状况，从望虞河引长江水对常熟城区水质改善效果。 2 1 1 监测目的及时间 于2 0 0 4 年1 0 月2 9 日至3 0 日在常熟望虞河进行两次引长江水改善市区水环境的野 外试验，主要为了准确掌握通过望虞河经张家港和南福山塘从长江两潮引水对城区水环 境改善的效果，并对水环境模型进行科学的率定，较好地模拟常熟河网污染物迁移扩散 规律，在此基础上判断现有工程改善市区水环境的能力，为计算市区水环境容量，采取 工程和非工程措施提供依据。 2 1 2 监测方案 2 1 2 1 监测断面设定 监测范围分为三片，望虞河以东常熟城区、望虞河以西、河流出常熟境与周边城市 交界处。望虞河以东常熟城区内设水位监测断面共有1 8 个，流量监测断面共有1 7 个， 水质1 9 个，观测点位置见图2 1 2 1 。望虞河以西设水位、流量、水质监测断面共有5 个，河流出常熟境与周边城市交界处设水位、流量、水质监测断面共有6 个，观测点位 置图见图2 1 2 2 。 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 图2 1 2 1 城区内监测断面布设图 2 1 2 2 监测项目 ( 1 ) 水文：水位、流量； 图2 1 2 2 外围监测断面布设图 ( 2 ) 水质：c o d m ”氨氮，6 、9 、1 3 、2 1 号增加总磷、p h 、b o d 5 。 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 2 1 2 3 监测频率 ( 1 ) 1 0 月2 9 日1 8 ：0 0 1 0 月3 0 日6 ：0 0 ：每隔一小时l 、3 1 8 、2 0 3 l 号断面测流速、 水位水位，2 号断面测水位；每隔三小时1 3 1 号取样( 测c o d 、氨氮) ： ( 2 ) 1 0 月3 0 目7 ：0 0 2 1 ：0 0 ：每隔半小时1 、3 1 8 、2 0 3 1 号断面测流速、水位水位， 2 号断面测水位：每隔一小时l 3 1 号取样( 测c o d 、氨氮) 。 2 1 2 4 监测方式 ( 1 ) 水位用水尺现场实测； ( 2 ) 用流速仪人工现场测量流速； ( 3 ) 采集水样实验室分析水质。 2 1 3 闸门调度方案 2 1 3 1 长江沿岸与望虞河东岸闸门调度 ( 1 ) 浒浦、白茆闸排水时开启，引水时关闭；沿江其余闸门( 望虞闸、福山闸、耿泾闸、 海洋泾闸、徐六泾闸、金泾闸) 引排水时均关闭； ( 2 ) 谢桥闸引水时开启，排水时关闭；望虞河东控制线其余闸门引排水时均关闭； ( 3 ) 虞山船闸排水时以船闸方式运行，引水时全部开启。 2 1 3 2 城区内闸门调度 ( 1 ) 张家港、环城河、花板塘、青墩塘沿线闸门关闭，北横河涵洞关闭； ( 2 ) 太平港石家湾闸、横径塘尤墩闸、耿泾闸五闸2 、九万圩九万闸开启，沿线其余闸 门关闭； ( 3 ) 琴川河沿线闸门全部开启。 2 2 原型调水试验结果分析 2 2 1 水量监测成果分析 2 2 1 1 总引水效率分析 望虞闸两潮总引水量为1 7 0 2 8 万m 3 ，张家港和南福山塘总进水量为4 2 2 3 4 万m 3 ， 占望虞闸总引水量的2 4 5 ，说明大部分水从望虞河其他支流流失而未进入常熟市。其 中张家港和南福山塘的进水量分别为3 7 7 9 5 万m 3 、4 4 3 9 万m 3 ，南福山塘进水量仅占 总进水量的1 0 5 ，说明张家港河从望虞河引水效率远高于南福山塘。常熟城区的两条 主要排水河流白茆塘和常浒河总排水量为1 3 6 1 3 万m 3 ，引水进入常熟城区的水量仅占 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 引水量的3 0 ，大部分引入的江水未进入常熟城区，而是从张家港河进入昆承湖地区 从常熟南部河流流失。 2 2 1 2 各主要节点分流比分析 两潮引水过程各主要结点分流水量及分流比实测结果见图2 2 1 - 1 。 图2 2 1 - 1 各主要结点分流水量及分流比实测结果图 2 2 1 3 引排水期间城区主要断面水量分析 ( 1 ) 山前塘( 1 1 号断面) ：水流流向随东张家港引排水时段变化，引水时水流自西北向 东南流入常熟城区，排水时水流反向。第一潮引入的江水水量2 7 3 8 万m 3 ，占1 号断面 进水量的1 5 5 ；第二潮引入的江水水量3 2 6 3 万m 3 ，占l 号断面进水量的1 6 两潮总 引入的江水水量6 0 0 1 万m 3 ，占东张家港总进水量的1 5 8 。 ( 2 ) 元和塘( 1 3 号断面) ：第一潮引水开始后，水流变向为自东南向西北流入常熟城区， 引入的水量为3 3 6 5 万m 3 ，为东张家港两潮引水总量的8 8 。 ( 3 ) 南福山塘( 1 0 号断面) ：两潮引水时流向白北向南，第二潮排水时水流产生回荡现 象，但流速小。 ( 4 ) 3 号、4 号断面排水开同时受到白茆塘和常浒河排水、东张家港引水、昆承湖调蓄 的影响，变化情况比较复杂。 ( 5 ) 常浒河和白茆塘同为两条排水河流，常浒河比白茆塘受到排水影响慢，常浒河在排 水开始4 小时后测到流速。 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 根据以上分析可看出，位于河网边界处断面的水量响应关系比较明显，而位于河网 中心区的断面水流状况比较复杂，难于做定量描述，这是平原河网区环形河道水流的特 点。 2 2 1 4 引排水期间边界河道水量变化情况分析 ( 1 ) 望虞河西案河流水量变化情况分析 北福山塘、羊尖塘、陆家塘的水流流向随东张家港河引排水期间变化，东张家港引 水时流向为出望虞河，东张家港排水时流向为进望虞河。 当东张家港引水流量处于高峰时，西张家港的顶脱作用最明显，西张家港河水流基 本被望虞河来水量顶脱住，流向为出望虞河；其余时段流向为进望虞河。东、西张家港 河代表断面( 1 号、2 2 号) 水量变化情况见图2 2 卜2 。 0 5 删 嫣 + 东张家港 + 西张家港 卜 、y _ 。| j ? j o 。1 8 _ e 汰砂h 划垤z 。吣。e 时间 图2 2 卜2 东、西张冢港水量变化过程线图 ( 2 ) 常熟河流出境处水量变化情况分析 元和塘2 6 号断面：调水开始前水流流向自南向北，引水开始后4 小时水流变向，水 流流出常熟市，对吴县河流产生影响。 辛安塘2 7 号断面：流向自南向北不改变，常熟受到吴县河流的影响。 西塘河2 8 号断面调水开始前水流流向自北向南，到第二排开始后3 小时水流变向， 断面流量较小。 张家港2 9 号断面调水开始前无流速，调水开始后流向自南向北，受到昆山河流的影 响。 尤泾3 0 号断面调水开始前水流流向自北向南，调水开始后3 小时水流变向，水流流 入常熟市，受到昆山河流的影响。 加仰肋0加如 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 常熟望虞河调水时，太仓通过盐铁塘排水，盐铁塘3 l 号断面流向不改变。 2 2 2 水质监测成果分析 2 2 2 1 进水水质监测成果分析 东张家港河( 1 号断面) 水质变化过程线见图2 2 2 1 。整个调水期间进水口水质 波动较明显，主要受到望虞河西岸来水的影响。结合图2 2 1 2 ，可以看出，当西张家 港顶脱作用最明显时，东张家港河的引水水质最好：而当西张家港的顼脱作用不明显时， 东张家港的引水水质较差。 1 号氨氮 ，g p ，夕， 图2 2 2 - 1 东张家港水质变化过程线图 2 2 2 2 引水改善城区水环境效果分析 从本次通过两潮引水的原型试验结果可看出，张家港、北福山塘引排水后，常熟市 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 2 2 - 2 。 河道c o d 平均改善值为1 0 3 m g l ，主要断面平均改善程度为1 4 9 ，元和塘油脂厂码 头c o d 抽改善最明显，改善值为7 m g l ；河道n h 。一n 平均改善值为1 8 8 m g l ，主要断面 平均改善程度为1 8 7 ，元和塘油脂厂码头n h 。一n 改善最明显，改善值为8 2 5 m g l ，泰山 路青墩塘桥n h 。一n 恶化，恶化值为1 0 5m g l 。 1 2 1 0 一 之8 b d 三6 赵4 疑 2 o 艮鱼。鱼鱼。宜宜，自宜宜宜鱼目鱼鱼艮 2 345 6 i 8 9i l1 21 31 51 61 71 81 9 z。1 3 b89i i1 21 3i j1 6l 。l d1 9 断面号断面号 图2 2 2 2 调水前后城区各断面水质对比图 2 2 2 3 引排水期间城区主要断面的水质分析 山前塘( 11 号断面) 、元和塘( 1 3 号断面) 水质监测成果见图2 2 2 3 。从图2 2 2 3 ls 4 2 0 8 6 4 2 0 1山)越爱 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研完以常熟市为例 引水期间水质好于排水时，因为排水受到望虞河西岸污水的影响。第二引的水质好于第 一引，说明引水时间越长，水质改善越明显。 i i 号断面1 3 号断面 c o d 氨氮 一 d 凹 暑 u 趟 装 c o d 氮氮 图2 2 2 - 3 引水前后断面水质均值图 2 2 2 4 引排水期间边界河道水质变化情况分析 常熟河流出境处各断面水质变化见表2 2 2 一l 。从表2 2 2 一l 中数据可以看出：2 6 号断面水质略有变差，对吴县河流产生影响；2 7 号断面受到吴县河流的影响，水质变 差；2 8 号断面水质略有变好；2 9 、3 0 号断面受到昆山河流的影响，水质变好；3 1 号断 面受到太仓河流影响，c o d 踟变差，氨氮变好。 表2 2 2 - i调水前后常熟河流出境处各断面水质变化表 调水前调水后调水前调水后 断面号改善值改善值 c o d bc o d b n h 。一nn h 。一n 2 63 33 50 20 4 40 40 0 4 2 73 54 5一l0 30 40 1 2 84 240 23 7 13 70 0 1 2 9 4 6 4 40 25 1 44 40 7 3 05 44 80 64 8 63 81 0 2 3 16 36 90 64 9 43 71 - 2 4 2 2 3 结论 综合水量水质分析得出： ( 1 ) 引水效率不高。望虞河引水仅有3 0 进入常熟市，而其中大部分的水量从南 部昆承湖流走，仅有占总引水量8 的水量进入常熟城区。 ( 2 ) 引水受望虞河西岸污水影响。调水时望虞河西岸的污水会进入常熟城区，影 响引水改善水质效果。 ( 3 ) 要选择适当的引水时机。西岸污水的顶脱作用对东张家港河的引水水质影响 很大，故建议在西岸污水的顶脱作用明显时引水，这样才能保证引到水质较好的水。 1 6 一-褂i-噩 8 7 6 5 4 3 2 1 o _暑山一趟遵 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 ( 4 ) 调水受流域限制明显。常熟市没有能够自行控制的引清通道。 2 3 水环境数学模型的参数率定 2 3 1 水量数学模型n 5 m 6 1 2 3 1 1 研究区域河网概化m 儿3 引 研究区域内河道众多，相互交织成网。建立模型时由于工作量及资料的限制，模拟 计算时将天然河网进行合并、概化，概化河道为水平底坡、梯形断面，概化断面用底高、 底宽和边坡三要素来描述。概化时将主要的输水河道纳入计算范围，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。研究区域的河网概化图如图2 3 1 1 所示，共概化为5 6 条河道，3 3 个节点， 1 1 2 个河道断面。 平原河网典型区调水试验及水环境治理方案研究以常熟市为例 图2 3 卜1 研冗区域判嘲概化图 2 3 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 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： 厂豢埔詈2 g 亿3 小， 峰他罢制嘞2瓦0,4+g可n21ulqot = 。 出钡k 。 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 n 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： j ，c i z + c i z i + l q 。i 。q - q i + 1 。：d i ( i ：l 1 ，l l + l ，l 2 一1 ) ( 2 3 1 2 ) 1e i o ，+ g j o ，+ l f z i + f z j “= ， 其中“i 邶急 弘1 - 0 ( q ： 一q i + l j ) + c j ( g i l _ - z i + 1 ，等 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立 巨：面尘k ) f i 咄眦1 + 盥2 0 f ，k 型e 。 f = 一b u 2 i + 1 2 j g ，：盖他川+ 9 2 a 秒x ( n 2u ， ”等_ 2 ( 1 - - o ) d + l 2 j ( q ，l q i + lj ) 一字( 鲥_ b u 2 ) i + m ( z j + 1 j _ z i j ) + 等孰 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2 3 1 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，一类 为具有流量型边界条件的河道。