1 概述

吳江市近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，但是隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水環(huán)境的壓力逐年增加。水環(huán)境質量的改善除了截污治污外，在有條件的地區(qū)，采用水利工程引清水改善水環(huán)境也是一種見效快、效果明顯的方法。吳江市地處沿太湖地區(qū)，有良好的引水條件，但目前在引水改善城區(qū)水環(huán)境方面存在兩大問題：一是吳江市目前沒有自己控制的引水通道，必須考慮開辟一條能自行控制的引清通道，本文在擬定引清通道的基礎上，對引清通道改善水環(huán)境效果進行計算分析，論證擬定引清通道改善水環(huán)境的可行性；二是目前吳江市改善城區(qū)水環(huán)境的主要引清通道為牛腰涇河，引水時對城區(qū)南部部分地區(qū)起不到應有的改善作用，且南部城區(qū)水系連通性稍差，有必要實施新開河道及拓浚等涉水工程，本文通過比較工程實施前后引水改善城區(qū)水環(huán)境的效果，論證實施后引水將會比較明顯的改善現(xiàn)狀滯水區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀。

2 吳江河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型建立

2.1 水量水質基本方程

2.1.1水量基本方程

水量計算的微分方程是建立在質量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，并補充考慮了漫灘和旁側入流的完全形式圣維南方程組為：

式中：

Z—水位；

Q—流量；

K—流量模數(shù)；

q—單位河長旁側入流；

A—主槽過水斷面面積；

g—重力加速度；

x—沿水流方向距離；

t—時間；

BT—調蓄寬度，指包括灘地在內的全部河寬。采用Preissman 四點隱式差分格式離散方程組。

2.1.2水質基本方程

河網(wǎng)對流傳輸移動問題的基本方程表達如下：

式（3）是河道方程，式（4）是河道叉點方程。式中：

Q、Z—流量及水位；

A—河道面積；

Ex—縱向分散系數(shù)；

C—水流輸送的物質濃度；

Ω—河道叉點—節(jié)點的水面面積；

j—節(jié)點編號；

I—與節(jié)點j 相聯(lián)接的河道編號；

Sc—與輸送物質濃度有關的衰減項，例如可寫為Sc＝Kd AC，Kd是衰減因子；

S—外部的源或匯項。

對時間項采用向前差分，對流項采用上風格式，擴散項采用中心差分格式。

2.2 水量水質模型的率定

2.2.1原型調水試驗

2010 年5 月26～27 日在吳江進行一次連續(xù)36 h 的原型調水試驗，主要監(jiān)測項目為水位、流量、水質監(jiān)測斷面的COD 和NH3—N 等。在吳江城區(qū)內設監(jiān)測斷面共有20 個，流量監(jiān)測斷面共有5 個，水質監(jiān)測斷面共有20 個，觀測點位置見圖1。監(jiān)測頻率為：

第一天：

1. 預降水位前，9 ∶ 00 監(jiān)測所有20 個斷面水質，共1 次；

2. 水位預降后，16 ∶00 監(jiān)測所有20 個斷面水質，共1 次；

第二天：

1. 9 ∶00、11 ∶00、12 ∶30 分別監(jiān)測1 次，共3 次，其中水文水質同步監(jiān)測的斷面有：1、4、6、8、9，其他15 個斷面僅進行水質監(jiān)測。

2. 15 ∶00、17 ∶00 分別監(jiān)測1 次，共2 次，其中水文水質同步監(jiān)測的斷面有：1、11、13、15、16，其他15 個斷面僅進行水質監(jiān)測。

共進行7 次×20 個斷面的水質監(jiān)測；5 次×5 個斷面的水文監(jiān)測。

將吳江城區(qū)河網(wǎng)概化為44 條河道，20 個節(jié)點，外邊界12 個，計算斷面88 個。

2.2.2模型參數(shù)率定

引水實驗前2 d 關閉沿太湖涵閘，實驗起始狀態(tài)為水流靜止，各處水位相同。水位邊界條件采用開閘引水前實測值，水質邊界條件采用邊界斷面各時段水質實測值。利用調水實驗的實測數(shù)據(jù)進行計算，調整各參數(shù)，使各監(jiān)測點的水量水質模型計算值與實測值基本吻合。水量率定得到的河道糙率值為0.02～0.04。在水質模型率定中，根據(jù)試驗區(qū)的資料，在模型中加入企業(yè)污水和生活廢水的點污染源，率定得到的水質（COD）日降解系數(shù)為0.08～0.15，水質（NH3—N）日降解系數(shù)為0.08～0.20。縱向擴散系數(shù)取2.5 m3 / s。

圖1 調水試驗區(qū)域示意圖

2.2.3率定成果

主要測點水量水質率定成果見

圖2～圖5。從圖2～圖5 可以看出：各斷面水量水質模型的計算值與實測值吻合較好，水量模型平均相對誤差為4.0%，水質模型平均相對誤差為20.6%，說明該模型可用于描述實驗區(qū)域水量水質的變化過程。對于本實驗區(qū)域的水環(huán)境改善方案，可用該模型進行分析計算，為復雜河網(wǎng)區(qū)的引水調度提供技術保證。

圖2 斷面4 流量率定圖

圖3 斷面8 流量率定圖

圖4 斷面6 水質率定圖

圖5 斷面9 水質率定圖

3 吳江河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型建立

3.1 牛腰涇引清通道開辟對城區(qū)水環(huán)境改善分析

城區(qū)主要由牛腰涇閘從東太湖調水入城，引水水量分別取10 m3 /s，15 m3 /s，20 m3 /s，25 m3 /s，水文計算條件同原型調水試驗，水質邊界污染物濃度分別取調水試驗前實測初始質量濃度值。開辟牛腰涇引清通道，不同引水量時城區(qū)各主要斷面水質情況見圖6。

圖6 城區(qū)主要斷面不同引水量水質改善對比

從圖中可以看出：從牛腰涇引東太湖水對松陵城區(qū)水質有較大改善。引水水量在10 m3/s、15 m3/s、20 m3 /s、25m3/s 時COD 平均改善程度分別37.3%、53.6%、63.2%、64.6%，其中主要過水河道西塘河（斷面8）、大江河（斷面9）、工農(nóng)路河（斷面11）及牛腰涇河（斷面16）在引水水量為20 m3 /s 時的改善程度高達70%以上。但在上述滯水區(qū)斷面（斷面19、20）的改善率并不高，如賓館河（斷面19）在各流量情況時的改善率分別為23.8%、38.1%、42.9%、47.6%。

從各種流量方案的計算水質改善效果，推薦引水量為20 m3/s。為保證城區(qū)在不進行水位預降情況下進行引水，建議新建設計流量為20 m3 /s的牛腰涇泵站。

3.2 水利工程及河道功能改變對水環(huán)境改善分析

為改善現(xiàn)狀城區(qū)滯水區(qū)引水改善水質效率，通過吳家港閘的控制，將吳家港由圩外河道改為圩內河道，取消內閘，并溝通水廠河與吳家港河，以改善現(xiàn)狀滯水區(qū)的水系連通性；拓浚大廟港、翁家堂港，增加滯水區(qū)引水量。

各工程實施后水文計算條件同原型調水試驗，水質邊界污染物濃度取調水試驗前實測初始濃度值。工程實施前后現(xiàn)狀滯水區(qū)水質情況見圖7。

圖7 滯水區(qū)主要斷面工程實施前后水質改善對比圖

從圖7 可以看出，上述工程實施后，滯水區(qū)COD 的平均改善程度達53.9%，其中與大廟港、翁家堂港直接相連接的梅里河（斷面20）改善程度高達70.0%。

4 結論和建議

通過2010 年5 月26～27 日的調水實驗監(jiān)測，對模型進行率定，從率定成果可以看出：各斷面的水量水質模型計算值與實測值吻合較好，相對誤差在1%～20%左右，說明該模型可用于描述吳江河網(wǎng)區(qū)的水量水質變化過程。利用此模型對引水改善吳江市城區(qū)水環(huán)境方案進行分析計算，從計算結果可以看出：新建牛腰涇泵站，開辟牛腰涇引清通道可提高引水效率，提高引水改善城區(qū)水環(huán)境的效果，并且引水水量在20～25 m3 /s 時的引水方案最為可行，COD 的平均改善程度為63.2%；城區(qū)滯水區(qū)實施相應涉水工程后引水水質COD 平均改善程度提高了55.3%。