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水文模型在水环境容量计算的应用

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摘要:位于平原河网地区低洼的圩区,水流条件复杂,流量变化大,流向顺逆不定,数据积累少,很难通过常规的公式法来计算水环境容量,本文通过水文模型法对圩区进行水环境容量进行了计算,并分析圩区水环境质量不佳成因,可以为类似区域水环境容量计算与改善提供参考。

关键词:水环境容量;水文模型;圩区;平原河网;模型率定

水环境容量指一定水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量[1],是进行水质规划和总量控制管理的基础。位于平原河网或沿江滨湖低洼易涝地区的圩区,通过圈圩筑堤,设置水闸、泵站,以外御洪水、内除涝水,具有流量变化大,流向顺逆不定,水流条件复杂的特点,与一般的单向河流及有规律的潮汐河流不同,相应其水质亦呈复杂的动态变化,其水环境容量宜采用模型软件进行计算。上海某圩区位于郊区,区域内主要为居住用地,水环境质量达标困难,为判断整治措施效果,对该圩区水环境容量进行了研究。研究采用MIKE系列软件来构建水环境容量模型,该系列软件在国内工程的水文、水动力应用上已经有许多成功的案例,能够模拟复杂水系的水动力模拟,在水质模型模块也比较丰富,能模拟多个组分的迁移变化其相互之间的转换过[2]。

一、圩区概况

圩区地处长江三角洲东缘,属亚热带海洋性季风气候,常年主导风为东南风,气候温和,日照充足,四季分明,雨水充沛,多年平均降水量为1,066.3mm。圩区总面积6.2km2,河湖总长度13.2km,水域面积25.1万m2,排涝泵站装机容量23.8m3/s。圩区内以居住及商业用地为主,人口约为4万人,现状陆域约30%为绿地。课题组根据圩区规划、河道的竣工与测量资料等建立了水动力模型;利用某典型降雨年降雨、蒸发、泵闸调度等,对圩区的水文、水动力模型进行了初步率定;于2017/7/138:00~2017/7/208:00停止圩区调换水,加强水质(4h一次)、水位(5min一次)监测频次,以获得的连续水文和水质数据为水质模型进行了参数率定;利用率定过的参数,动态模拟某典型降雨年圩区全年水环境质量变化情况;通过统计、分析典型降雨年圩区边界情况,获得该典型降雨年下圩区水环境容量。

二、水动力模型搭建

MIKE11将水工建筑物分为两大部分[2]:一种不涉及调度规则的,称为一般水工建筑物,比如堰、箱涵等;另外一种是涉及调度规则的,称为闸孔出流型(如泄流闸)、越流型(如橡胶坝)、流量型(如泵)。对涉及调度的水工建筑物运行可以设置复杂的调度规则,如可依据河道某处的水位或流量、水位差或流量差、蓄变量、时间等数十种逻辑判断条件控制水工建筑物的运行方式。MIKE11根据建筑物上、下游水文条件自动判断所处流态(亚临界流、临界流、超临界流等),选用相应的水力学公式进行计算。1.模型河网根据河网形状、水工建筑物位置、水文测站位置、河床断面和滩区地形资料,课题组圩区的河网进行了相应的概化。2.模型断面河道的断面均采用实测断面,以梯形断面为主。3.水工建筑物设置圩区的水工建筑物主要为泵站或者闸门,其位置基本位于圩内河道与圩外河道的交接处,对圩区内部河道起到引水和排水,控制圩内水位的作用。基于收集到的水工建筑物信息,对水工建筑物进行设置,定义其调度规则。模型中水工建筑物设置位置空间分布示意及相应信息如图1所示,实心圆所在位置为泵闸等建筑物所在位置。4.边界条件设定水动力学模型的边界条件可分为外部边界条件和内部边界条件。外部边界是指所有的河道端点处的水力要素的变化情况,内部边界是指模型河网内部节点处可能存在的对计算水力条件产生较大影响的人为干预情况。外部边界条件是模型计算必须设置的条件,一般情况下采用实测水文数据作为模型输入;内部边界条件不是模型计算的必要条件,但是其对模型计算结果也会产生较大影响,因此需要合理地进行内部边界的概化和设置。本课题中的圩外河道采用实测水位作为边界,内部河道的末端设置为闭边界。圩区内部的产汇流通过水文模型计算,水文模型里需要输入实际降雨和蒸发,其降雨产流结果可通过河网文件中连接到模型河道中,圩区面积较小,其降雨径流以均匀的方式汇入圩内河道。圩区的边界设置示意图见图1空心圆所在位置。5.水力率定模型率定的主要内容是通过比较模型预测变量成果与其实测数据序列,对参数进行调整,反复获得符合实际情况的预测结果,获得最可靠的模型参数。模型验证则采用另外相对独立时段的实测数据与模型预测结果进行比对,对模型结果进行合理性进行检验。

三、水质模型

1.污染负荷考虑水位增高时段增加均出现在早、中、晚三个时间,与生活污水产生的规律较为一致,因此,调取这段时间污水厂的污水浓度,作为污染负荷,输入模型。2.水质参数率定模型中考虑了很多转化过程和相互作用,如有机物质的降解、光合作用产生氧、动植物呼吸、大气中氧的交换、有机物与河床间的交换、河床需氧量、硝化与反硝化过程。其组分浓度与变化过程受到很多外界因素的影响,如气温、太阳辐射和流量等。通过调整主要的水质净化参数,使模拟的水质因子变化过程基本与实测过程基本吻合,能基本反映出变化趋势。

四、环境容量计算

1.计算公式考虑圩区水力条件复杂多变,采用模型模拟后,再统计圩区的每个控制闸门处进出的水量对应下的水质情况,并进行求和。模型中以小时为时间步长保存计算结果。2.水质边界设定本地区水环境功规划为IV类,考虑降雨径流带入河道的面源污染负荷。3.计算结果根据不同圩区的水质模型计算成果,结合各个圩区的水质背景和水质目标等情况。基于所收集到的典型年份降雨、水位等数据情况。

五、结果分析及建议

从上表可以看出,本地区水环境质量状况不容乐观,来水水质不佳,陆域污染负荷过大,在来水受大环境影响的情况,建议加大陆域污染管理力度,尽量改善水环境。传统的公式法,基于单一设计水文条件,便于水环境容量的计算,但不能适应复杂河网条件下,水流方向、水速不定,水质变化复杂的情况;而引入模型技术,采用动态模拟的方法,可以较好地解决这些问题,研究获得的模型参数,反映的是本地区水文、地质情况特点,更容易在本地区及类似区域推广应用,且由于可以适应复杂的河道水动力情况,适应范围更广,可以较好地与信息系统相结合,实现水环境容量的动态管理,因此,本课题将持续展开研究,以获得比较准确的模型参数,为本地区水环境质量动态管理提供技术基础。

参考文献

[1]张永良,刘培哲.水环境容量综合手册[M].北京:清华大学出版社,1991.

作者:黄慧慧1,张舒2,潘静也1,马小杰3,4单位:1.上海市青浦区水文勘测队,2.上海市水环境监测中心青浦分中心,3.浙江双林环境股份有限公司,4.上海淼钦环境科技有限公司

水文模型在水环境容量计算的应用责任编辑:张雨    阅读:人次