南京河西水系水动力模型的建立与应用

南京河西水系水动力模型的建立与应用

这条河流为人类提供了各种生态服务功能，但城市化对河流生态环境的改善有很大影响。随着城市化进程的加剧,排水体制的改革、截污工程的实施,使得城市内河的水量急剧减少;在点源污染得到有效管理控制的大背景下,非点源污染降雨径流己成为造成城市地表水环境污染的主要原因。城市内河水质的恢复和综合治理工作包括治理和削减污染源、底泥的环保疏浚、污染水体原位就地修复技术以及引清冲污等。引清冲污不仅补给了河道水量,激活城市内河水体,提高河道的水环境自净能力,而且使污染物得到稀释,可以在短期内使水质明显提高。1河西水系河流水质现状河西新城区位于南京市的西南面秦淮新河以北、外秦淮河南河以西、长江岸以东,面积93km2。经过近几年的建设发展,河西北部建成了交通便利、商贸发达的新区。随着南京城区建设规模的扩大,河西人口逐年增加,加剧了面源污染对河道水质的影响。河西地区紧邻长江,过境水资源量达9335亿m3,目前长江为III类水,秦淮河为V类水,河西水系为劣V类水。根据南京市鼓楼区水环境规划,河西水系的水质不劣于Ⅳ类。可以引长江水冲洗南京河西地区的河道。河西地区现有八条河道,见表1。2采样点采样及环境监测城市面源污染主要由降雨径流形成,其受到以下因素的影响:降雨强度、降雨量、降雨历时、城市土地利用类型、大气污染状况、地表清扫状况等。城市土地利用类型对城市降雨径流污染存在很大的差别,因此在研究城市路面径流污染时按照功能区进行采样分析。本课题选择了鼓楼区内典型居民区、商业区、交通繁华区等3种主要土地利用类型区进行监测、分析。商业区径流采样点设在超市金润发仓库门口前的雨水箅前,交通繁华区采样点设在江东北路、草场门大街的十字路口处,居民区径流采样点设在小区东方江景园、金陵名人居和龙凤花园的某雨水箅前,各采样点均具有一定代表性。针对南京主要的降雨特征时段,4月至10月共进行6次监测,对五个不同区域进行同步采样。每次采样时间段为地表径流形成至延续的60min内,其中按照5min、10min、15min、30min、45min和60min分为6个采样时间点。样品采集后立即转入实验室进行化验分析。监测指标包括COD、氨氮、pH。样品分析均采用国家标准规定的样品测定方法:COD(重铬酸钾法,GB11894-89)、氨氮(纳氏试剂比色法,GB11894-89)、pH(pH计)。监测结果见表2。其中,五个采样点处采样时间内地表径流各指标的平均浓度根据以下公式求得:式(1)中:X为污染物平均浓度;T为采样时间60min;Xi为污染物在第i个时间段的浓度;Ti为第i个时间段的时间长度(T1=T2=T3=5min,T4=T5=T6=15min)由以上数据可知,河西地区面源污染严重,COD和氨氮超标。商业区的污染最严重,污染次严重的是交通繁忙区,污染相对较轻的是居民区。多次初雨径流的各种污染物的平均浓度分别与地表水环境质量Ⅴ类标准(GB3838-2002)对比得出其污染水平,污染程度为劣五类。3简析环境分析河网的水质计算包含两部分:水量计算、水质计算。本课题是利用在Saint-Venant方程组为基础开发的河网水量模型和适当修改的美国环保局(EPA)开发的水质模型(WASP)耦合进行河西水系降雨污染并引清冲污的分析计算。将水动力模型计算所得到的水动力参数耦合到WSAP5水质模型中,模拟降雨过程以及引调清水过程的河网各河段的水质变量浓度。3.1汇流控制方程水量计算的控制方程是一维Saint-Venant方程组,包括连续性方程和运动方程。式(2)中:Q为流量;B为河道水面宽;Z为水位;A为过流断面面积;g为重力加速度,C为谢才系数;R为水力半径;x为空间坐标;t为时间坐标。通过汇流结点水位法对方程组进行数值求解。首先采用Preissman四点隐式差分格式离散方程组,再将离散后的线性差分方程组利用追赶法进行计算,得出各河道断面的水动力参数。3.2sla和sl、sb、kWASP(WaterQualityAnalysisSimulationPro-gram)是美国环境保护局提出的水质模型系统,可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。其中的水质程序模拟水中各种污染物的运动与相互作用。WASP用的数学方程是:式(3)中C为组分浓度,mg/L;t为时间,d;A为横截面积,m2;UX为纵向速度,m/s;EX为纵向弥散系数m2/s;SL、SB、SK分别为直接与弥散负荷率、边界负荷率、总动力输移率mg/Ld。方程的离散采用显式差分格式,时间差分用Euler前差分,空间用中心差分,即时间前差―空间中心差分。差分形式如下:式(4)中:v为对流因子。v值的取值不同,可以改变对流项差分的性质:v=0时为后差分;v=0.5时为中心差分;v≠0会引起数值弥散,在模型中一般取v=0~0.4。3.3河西水系初始水质降雨径流对河西水系造成的污染负荷按沿岸以内五米的汇水面积来计算。因为降雨径流的水质是随时间不断变化的,具有初始冲刷现象,故在表示降雨径流对河道的污染时,第一小时内以测量水质浓度的均值来表示降雨径流的负荷,一小时后按第六个采样时间段的浓度X6来计算。长江为Ⅲ类水,河西水系初始水质为劣V类。在模拟降雨径流对河西水系的污染时,按就近原则,将江东北路的污染物负荷到中保北河,金润发的污染物负荷到中保河,江景园的污染物负荷到清江南沟和南北沟连线,金陵名人居的污染物负荷到龙江河,龙凤花园的污染物负荷到里圩河。引水前,长江水位是5.27m,河西一带的景观水位在7m左右。经文献查阅,模型计算中,河道的糙率取0.023,氨氮的硝化速率取0.14/d,硝态氮的反硝化脱氮速率取0.09/d,溶解性有机氮的矿化速率取0.220/d,COD的降解系数取0.11/d,溶解性有机磷的矿化速率取0.25/d,浮游植物中磷碳比取0.025。4洪水工程的水量、水质根据城市生态规划,将鼓楼区河西地区的八条现有河道疏通,形成相互连通的健康生态河道,如图1所示。由拟建的中保泵站从长江引水,入河西水系,而水系中的水则由清江泵站、小陡门泵站、里圩泵站和中保河排出。确定调水的调水量在此采用了试算的方法,从一次性投资、今后设备是否闲置、运行费用以及流速大小对水体自净作用的影响等多方面来考虑,引水时中保泵站的流量设置为19m3/s,清江泵站为2m3/s,小陡门泵站为6m3/s,里圩泵站为10m3/s。降雨径流进入河道时,连续降雨12h,降雨强度为5mm/h,冲水24h。河道相邻断面均为100m,河道的首断面与末端面(即紧挨边界的断面)离河道边界50m。河道断面序号是按顺序依次排列,边界结点为0。①～⑦为河道编号,1~51为河道断面序号。5洪水方案优化方案河道断面共有51个,在此列出12、30、39、43、49等5个断面来显示河网的水质变化。如图2、图3所示:由图2、图3可看出,受降雨径流污染后,河西水系COD、氨氮指标均有所上升。经计算可得,里圩河在冲水5h(49断面需要4h)后水质能达到Ⅳ类要求,整条龙江河在冲水8h(30断面需要5h)后的水质也能达Ⅳ类要求,而整条清江南沟则需要11h(12断面需要5h)才能达到目标要求。因各河道的长度和宽度不同、各河道离引水口的距离不同,故引水后达到规定的Ⅳ类水所用的时间也不同。河道短且离引水口近的必将先达到Ⅳ类水的要求,而其他河道水质还劣于Ⅳ类水,为使河网水质全部达到Ⅳ类,必定要继续引水。在这样的情况下,长度短且离引水口近、已经达到Ⅳ类水质的河道便会再次受到冲水,从而造成引水的浪费、工程预算的升高。为了避免这一情况,使引水工程得到优化,可以将已经达到要求水质的河道处的泵关掉,使其流量为0m3/s,中保泵站减少相应的流量,继续冲未达到水质要求的河道。从引水开始5h后关闭里圩泵,中保泵站流量调低10m3/s降至9m3/s,8h后关闭小陡门泵,中保泵站流量调低6m3/s降至3m3/s,11h后关闭清江泵和中保泵。经计算,得出优化引水方案的水质变化情况,如图4、图5所示。从图4、图5中可看出,优化后与优化前相比,水质的改善并未受到影响,优化方案起到了预想的节水节能的效果,证明了优化方案的可行性。6工程措施方面,应采用生态水系深入基层治理方式,从长江进入河(1)以南京市鼓楼区为例,选择了鼓楼区内对河西水系有影响的居民区、商业区、交通繁华区等3种主要土地利用类型区进行降雨径流的监测、分析。降雨径流水质均为劣五类,其污染成为影响周边河道水环境的重要要素。商业区的污染最严重,污染次严重的是交通繁忙区,污染相对较轻的是居民区。(2)采用引清冲污的工程措施,引调长江水来解决河西水系重污染的问题,利用水量-水质