北方平原區(qū)城市水動(dòng)力與水環(huán)境綜合調(diào)控研究

潘劍光 胡鵬 楊澤凡 張汶海

摘?要：針對(duì)北方平原區(qū)城市由于地勢(shì)平坦、水源不足造成的水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，提出以提升河流水動(dòng)力條件和入河污染負(fù)荷削減為基礎(chǔ)的水環(huán)境治理思路，實(shí)現(xiàn)水系水質(zhì)的整體提升。以濱州市濱城區(qū)為例，在水系連通的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理設(shè)置泵站加強(qiáng)河道水體流動(dòng)，提升水系水動(dòng)力條件，以MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)模型為技術(shù)支撐，模擬不同情景下水系的水動(dòng)力水質(zhì)條件，從水動(dòng)力、水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)可行性3方面對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)水動(dòng)力情景，并據(jù)此情景的水質(zhì)模擬結(jié)果倒推水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)的污染負(fù)荷削減方案。結(jié)果表明：水位7.0 m、流速0.10 m/s為最優(yōu)水動(dòng)力情景，在該情景下，將污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)全部提升至Ⅴ類水時(shí)，河道水質(zhì)能全面達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：城市水系;水動(dòng)力;水環(huán)境;MIKE11模型;北方平原區(qū)

中圖分類號(hào)：X321?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.012

Abstract：For the water environment problem of cities in northern plain， which has caused by their flat terrain and water shortage， we proposed the water environment control thought based on the improvement of rivers hydrodynamic condition and the reduction of pollutants to gradually improve the water quality entirely and permanently. It took the urban water system of Binzhou as an example， strengthened the liquidity of river to improve the hydrodynamic conditions by setting the pumping station reasonable after the water system were all connected， then used the hydrodynamic and water quality model of MIKE 11 to simulate the hydrodynamic and water quality condition of different hydrodynamic scenarios， then choose the optimal hydrodynamic scenario by the synthetical evaluate of the hydrodynamic， water quality and economical conditions of each scenario and ascertained the standard of sewage treatment plants to be upgraded by the water quality condition of the optimal scenario. The results show that the scenario with water level of 7.0 m and velocity of 0.1 m/s is the best hydrodynamic scenario， and when the quality of the sewage treatment plant effluent reaches to the standards for Grade V and the water quality of the urban water system will reach to the Grade IV.

Key words： urban water system; hydrodynamic; water environment; MIKE11; cities of north plain

隨著城市的迅速發(fā)展，人類對(duì)城區(qū)內(nèi)河道的影響日漸凸顯，一方面人類活動(dòng)改變了河道的自然形態(tài)，導(dǎo)致河網(wǎng)水系萎縮、連通性下降、調(diào)蓄能力減弱[1-5];另一方面將大量生活和工業(yè)污水排入河道，加劇了城市水系水質(zhì)惡化和生態(tài)環(huán)境退化[6]。北方平原區(qū)城市受自身?xiàng)l件限制，一方面水系流動(dòng)性不強(qiáng)，另一方面缺乏水源補(bǔ)給，水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出[1]。

城市水系的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題不僅關(guān)系著水系自身的健康，而且影響著城市發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高。傳統(tǒng)的城市水環(huán)境治理方式主要包括河道清淤、污水處理、引調(diào)清水[7]等工程手段，但是這些工程手段往往沒(méi)有考慮城區(qū)水系水動(dòng)力條件對(duì)水環(huán)境的影響。胡昊等[8-9]的研究表明水系連通對(duì)于河道水質(zhì)有明顯改善作用，崔廣柏等[5]通過(guò)試驗(yàn)研究證實(shí)了城區(qū)水系水動(dòng)力的提高能有效改善水系的水質(zhì)狀況。筆者以濱州市濱城區(qū)為例，根據(jù)城市規(guī)劃和水生動(dòng)植物生長(zhǎng)要求設(shè)置不同的水動(dòng)力情景，運(yùn)用MIKE 11水動(dòng)力水質(zhì)模型[10-13]模擬不同情景下水系的水動(dòng)力、水質(zhì)狀況，根據(jù)各情景的水動(dòng)力、水質(zhì)模擬結(jié)果和經(jīng)濟(jì)耗電量對(duì)方案效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)水動(dòng)力情景，并根據(jù)最優(yōu)水動(dòng)力情景下的水質(zhì)狀況來(lái)尋求使水系水質(zhì)達(dá)標(biāo)的污染負(fù)荷削減方案，以實(shí)現(xiàn)城區(qū)水系水生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)效改善。

1?研究區(qū)概況

濱州市濱城區(qū)位于黃河北岸，地處黃河下游洪泛沖積平原，屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年均降水量為583.2 mm。城區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，地勢(shì)大致南高北低、西高東低，有一條環(huán)狀河流四環(huán)河以及南北走向的秦皇河、新立河、秦臺(tái)河。濱城區(qū)作為全市的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，擁有50.39萬(wàn)人，人口對(duì)城區(qū)內(nèi)河道的影響十分顯著。目前城區(qū)內(nèi)水系渠塘化嚴(yán)重，水體流動(dòng)性差，水體多為靜水、死水，沿河生活污水和工業(yè)污水的排入加劇了水體水質(zhì)的惡化，河道內(nèi)水體發(fā)黑、發(fā)臭，水質(zhì)多為Ⅴ類和劣Ⅴ類，水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題亟待解決。

2?研究方法

采取人工打通各河段連接處的阻隔，拆壩筑橋、河道清淤、消除束水及阻水河段的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)城區(qū)內(nèi)水系的連通。水系連通后，設(shè)立泵站為水體提供動(dòng)力以彌補(bǔ)城區(qū)地勢(shì)的不足，使河道呈環(huán)狀循環(huán)流動(dòng)。中心城區(qū)地勢(shì)南高北低，河流自然流向?yàn)橛赡舷虮保拥姥h(huán)流動(dòng)時(shí)需要東環(huán)河或西環(huán)河中的一條河道逆流，為使逆流河段最短，將水泵設(shè)立于東南河段東環(huán)河、南環(huán)河交接處，使長(zhǎng)度較短的東環(huán)河倒流，此時(shí)水系以南環(huán)河?xùn)|端為上游、東環(huán)河南端為下游呈環(huán)狀流動(dòng)（見(jiàn)圖1）。根據(jù)城市規(guī)劃和水生動(dòng)植物生長(zhǎng)要求設(shè)置不同的水動(dòng)力情景，運(yùn)用MIKE 11水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)各水動(dòng)力情景進(jìn)行模擬，從水動(dòng)力、水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)三方面對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而得到最優(yōu)水動(dòng)力情景。根據(jù)最優(yōu)水動(dòng)力情景下的水質(zhì)狀況與水質(zhì)目標(biāo)之間的差距反推污染負(fù)荷削減措施，即污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)。

2.1?模型介紹

運(yùn)用MIKE11 HD模塊進(jìn)行水動(dòng)力模擬，MIKE11 AD模塊進(jìn)行水質(zhì)模擬。MIKE11 HD模塊基于圣維南方程組，采用六點(diǎn)隱式差分格式進(jìn)行求解;MIKE11 AD模塊以一維對(duì)流擴(kuò)散方程為基礎(chǔ)，根據(jù)水動(dòng)力模塊模擬結(jié)果，計(jì)算河道內(nèi)污染物濃度。

（1）河網(wǎng)概化。利用GIS對(duì)中心城區(qū)河網(wǎng)的位置進(jìn)行概化，并將GIS圖導(dǎo)入MIKE 11模型，生成中心城區(qū)河網(wǎng)位置圖。

（2）邊界條件和初始條件。水動(dòng)力模擬中以水泵出水口為上邊界（流量邊界），水泵入流口水位為下邊界（水位邊界）。內(nèi)部邊界包括秦皇河、新立河、秦臺(tái)河3條河流的流入流出口、污水處理廠的污水排入口以及河流沿線的12個(gè)生活污水排入口，均設(shè)置為點(diǎn)源，以流入為正、流出為負(fù)。MIKE 11模型中水動(dòng)力初始條件的主要作用是使水動(dòng)力模型平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)置值應(yīng)盡量接近模型開(kāi)始時(shí)河道內(nèi)水位的真實(shí)值。

（3）模型率定。MIKE11 HD模塊需要率定的參數(shù)為河床糙率。由于現(xiàn)狀河道未連通，因此沒(méi)有河道連通狀態(tài)下的河道水位、流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行全河道的河床糙率率定。城區(qū)內(nèi)除了西環(huán)河外，其他河段大部分為死水，水體不流動(dòng)，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的水位、流量數(shù)據(jù)，而且城區(qū)河道是統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的，因此可將西環(huán)河的河床糙率率定結(jié)果作為所有河段的糙率。在河流低流量時(shí)期（2016年3月）和高流量時(shí)期（2016年7月）進(jìn)行水位驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2。模擬與實(shí)測(cè)水位最大誤差為0.4%，水深最大誤差為6.3%，均小于10%，可以認(rèn)為模擬效果良好。

2.2?水動(dòng)力調(diào)控措施

2.2.1?情景設(shè)置

（1）流速設(shè)置。低流速取人眼可以觀察到的最小流速0.05 m/s;為了增強(qiáng)水體流動(dòng)性和自凈能力，同時(shí)考慮現(xiàn)實(shí)可行性，設(shè)置高流速情景為0.10 m/s。流速的控制斷面分別為秦皇河、新立河、秦臺(tái)河同一流量條件下過(guò)流面積最大的斷面，分別位于秦皇河下游、新立河下游和秦臺(tái)河中游;四環(huán)河上的流速控制斷面位于流量最小的北環(huán)河?xùn)|段，即保障在控制斷面達(dá)到設(shè)置流速時(shí)，城區(qū)河流絕大部分河段均可達(dá)到設(shè)置流速。

（2）水位設(shè)置。根據(jù)濱州市城市水系規(guī)劃對(duì)于景觀水位的要求，設(shè)置東環(huán)河南端水位為7.7 m;考慮到濱州市河道底部高程為4.7～7.0 m，水位設(shè)置為7.7 m時(shí)北環(huán)河（底部高程為4.7m）水深將超過(guò)3 m，不利于沉水植物生長(zhǎng)[14-15]，同時(shí)適當(dāng)降低水深能節(jié)約能耗，因此設(shè)置中等水位為7.3 m，低水位為7.0 m。

由水位和流速調(diào)控方案可以得到6種水動(dòng)力調(diào)控情景，見(jiàn)表1。

2.2.2?水動(dòng)力方案比選

從水動(dòng)力、水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)三方面對(duì)各水動(dòng)力情景進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)水動(dòng)力情景。

（1）水動(dòng)力條件。水體中的沉水植物對(duì)水體生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和健康具有重要作用[14]，因此將沉水植物的生長(zhǎng)對(duì)水動(dòng)力條件的要求作為水動(dòng)力條件比選標(biāo)準(zhǔn)。沉水植物生長(zhǎng)的最佳水深為1～3 m[15]，將最佳生長(zhǎng)水深與各水動(dòng)力情景的水深模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)各水動(dòng)力情景進(jìn)行評(píng)選。

（2）水質(zhì)條件。濱州市城市規(guī)劃要求城區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類，因此根據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果中污染物的超標(biāo)率對(duì)各情景的水質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)選。超標(biāo)率=超標(biāo)河段長(zhǎng)/河道總長(zhǎng)，其中四環(huán)河總長(zhǎng)55 482 m，新立河總長(zhǎng)12 000 m，秦臺(tái)河總長(zhǎng)7 857 m。

（3）經(jīng)濟(jì)條件。考慮到方案的實(shí)用性，各情景下以水泵將水從下游抽取到上游（即從東環(huán)河南端抽取到南環(huán)河?xùn)|端）所需要消耗的電量為經(jīng)濟(jì)考核目標(biāo)，遵循耗能最小的原則對(duì)各水動(dòng)力情景進(jìn)行評(píng)選。各水動(dòng)力情景下水泵提水所消耗電量為

式中：T為耗電量;Q為水泵流量;h為水泵提水高度;D為水泵運(yùn)行天數(shù);g為重力加速度。

研究區(qū)7月處于汛期，河道內(nèi)水動(dòng)力、水質(zhì)條件均達(dá)到規(guī)劃要求，不需要使用泵站提升水體水動(dòng)力水質(zhì)條件;入冬后12月至次年2月城市河道進(jìn)入冰封期泵站無(wú)法使用，因此泵站每年使用8個(gè)月，共244 d。

2.3?污染負(fù)荷削減方案

若在最優(yōu)水動(dòng)力情景下水系水質(zhì)仍達(dá)不到水質(zhì)目標(biāo)，則采取污染負(fù)荷削減措施。城區(qū)水系現(xiàn)狀污染源主要包括河道沿線的12個(gè)生活污水排放口、4座污水處理廠，其中污水處理廠中有1座出水標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)B，其他3座均為一級(jí)A，排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。污染物削減措施包括取締沿線12個(gè)生活污水排放口和提高污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)MIKE11 AD模擬結(jié)果反推能夠使水系水質(zhì)全部達(dá)到Ⅳ類水的污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)。

3?結(jié)果和討論

3.1?水動(dòng)力調(diào)控方案比選

（1）水動(dòng)力條件比選。運(yùn)用MIKE11 HD對(duì)各個(gè)水動(dòng)力情景進(jìn)行模擬，模擬得到的四環(huán)河和秦皇河、新立河和秦臺(tái)河沿程水深分布見(jiàn)表3。從表3可以看出，各水動(dòng)力情景的水深均大于1 m，滿足沉水植物生長(zhǎng)的最低水深要求，其中：B4、B5、B6方案水深超出3 m的比例超過(guò)20%，河道水深偏深，不適合沉水植物生長(zhǎng);B1、B3方案水深為1.0～1.5 m的比例超過(guò)20%，河道水深偏淺，不利于景觀發(fā)展和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境構(gòu)建;B2方案水深分布較為合理，更適合沉水植物生長(zhǎng)。

（2）水質(zhì)模擬結(jié)果。各方案水質(zhì)模擬結(jié)果見(jiàn)表4，其中秦皇河水質(zhì)全部達(dá)標(biāo)，因此秦皇河水質(zhì)模擬結(jié)果不予展示。由水質(zhì)模擬結(jié)果可以得出：①四環(huán)河水質(zhì)超標(biāo)率在49%以內(nèi)，新立河水質(zhì)超標(biāo)率在30%以內(nèi)，秦臺(tái)河水質(zhì)超標(biāo)率在43%以內(nèi)，較水動(dòng)力提升前水質(zhì)有較大改善;②除秦臺(tái)河下游外，COD濃度都在Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)內(nèi);③氨氮超標(biāo)情況比COD嚴(yán)重，主要集中在西環(huán)河北段，北環(huán)河、新立河下游和秦臺(tái)河下游;④總氮超標(biāo)情況最嚴(yán)重，主要集中在西環(huán)河北段，北環(huán)河、東環(huán)河、新立河下游和秦臺(tái)河下游。

根據(jù)水質(zhì)超標(biāo)率可以看出，高流速（0.10 m/s）情景水質(zhì)條件比低流速（0.05 m/s）情景水質(zhì)條件好，其中B6情景下水質(zhì)條件最優(yōu)，B2、B4情景次之，且二者與B6差距較小，在四環(huán)河上NH3-N超標(biāo)率相差小于6%、TN超標(biāo)率相差小于0.1%。

（3）耗電量計(jì)算。水動(dòng)力情景B1、B2、B3、B4、B5、B6下水泵耗電量分別為126.7萬(wàn)、355.4萬(wàn)、132.6萬(wàn)、358.1萬(wàn)、146.7萬(wàn)、370.2萬(wàn)kW·h/a，可以看出，B6耗電量最大，B1耗電量最小;低流速（0.05 m/s）下的耗電量普遍較小，且耗電量隨著水位的升高而增大。

（4）水動(dòng)力調(diào)控方案比選。由水質(zhì)模擬結(jié)果可得，B6情景下水質(zhì)條件最優(yōu)，B2、B4情景次之，且二者與B6差距較小。B2情景更有利于沉水植物生長(zhǎng)，耗電量相對(duì)較小，綜合考慮，B2為滿足水生動(dòng)植物生存水深和水質(zhì)要求的最優(yōu)水動(dòng)力情景，建議采用B2情景為河道水系提供水動(dòng)力條件。

3.2?污染負(fù)荷削減方案比選

由表4水質(zhì)模擬結(jié)果可知，在水動(dòng)力提升后水體水質(zhì)得到明顯改善，但即使是在水質(zhì)最優(yōu)情景B6下，河道內(nèi)仍存在超標(biāo)河段，仍需要開(kāi)展水環(huán)境治理才能使河道內(nèi)水質(zhì)全部達(dá)標(biāo)。以B2情景為水動(dòng)力條件，在濱城區(qū)內(nèi)實(shí)施污染物削減措施。鋪設(shè)污水管網(wǎng)，將河道沿線12個(gè)生活污水排放口的生活污水收集后引入污水處理廠，并提高污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)，即在模型中取消12個(gè)生活污水入流點(diǎn)，將其流量疊加進(jìn)污水處理廠出水流量。以最優(yōu)水動(dòng)力情景為河道提供水動(dòng)力條件，模擬生活污水全部收集后，將污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)A和Ⅴ類水時(shí)四環(huán)河河道水質(zhì)狀況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)全部提高到一級(jí)A時(shí)，河道內(nèi)水質(zhì)情況較未提高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)前（B2情景）有所提高，但西環(huán)河和北環(huán)河部分河段TN仍超標(biāo);當(dāng)污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水時(shí)，河道內(nèi)水體全部達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。因此，若使全河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)需將污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)提升至Ⅴ類水，在沒(méi)有條件提升至Ⅴ類水時(shí)也可以提升至一級(jí)A，此時(shí)需在西環(huán)河和北環(huán)河采取生態(tài)恢復(fù)等方法改善水質(zhì)，使該河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

4?結(jié)?語(yǔ)

運(yùn)用MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)模型尋求對(duì)沉水植物生長(zhǎng)最優(yōu)的水動(dòng)力情景以及使水系水質(zhì)達(dá)標(biāo)的污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)。水動(dòng)力調(diào)控結(jié)果顯示，當(dāng)下游水位為7.0 m、河道內(nèi)流速為0.10 m/s時(shí)，河道內(nèi)水深條件適合沉水植物生長(zhǎng);水污染負(fù)荷調(diào)控結(jié)果顯示，在最優(yōu)水動(dòng)力情景下取消河流沿線生活污水排放口，將所有污水處理廠出水水質(zhì)提升至Ⅴ類水后河道內(nèi)水質(zhì)全部達(dá)到Ⅳ類水要求。通過(guò)水動(dòng)力和水環(huán)境綜合調(diào)控，城區(qū)河道水質(zhì)全部達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，與調(diào)控前相比河道的連通性、水動(dòng)力條件和水質(zhì)條件都有較大提升。調(diào)控后河道水動(dòng)力和水質(zhì)條件更適合沉水植物生長(zhǎng)，有助于水體生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。

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【責(zé)任編輯?呂艷梅】