基于Delft3D的苏州市渭塘镇河道水动力水质模拟

张 炜,胡 乐,钱启蒙,刘 钰

(1.河海大学设计研究院有限公司,江苏 南京 210098; 2.江苏省农村水利科技发展中心,江苏 南京 210029;3.江苏省苏州市相城区渭塘镇农村工作局,江苏 苏州 215134)

污染物在自然水体的迁移转化过程中会受到水文、流场、风场等各种因素的影响。近年来,随着计算机技术在水利水电领域的应用,利用数学模型对自然水体输移、稀释和降解等过程进行模拟研究愈发成为热点,为水利水电设计和管理工作的顺利开展提供了技术支持[1-5]。目前,国际上应用较多的水动力水质耦合模拟软件有EFDC[6]、MIKE[7]、FVCOM[8]和Delft3D[9-10]等。

水动力水质耦合模拟软件优缺点各异,其中Delft3D编程较为简便,使用灵活性高,符合研究区域水环境模拟精度的要求,Delft3D从20世纪80年代中期就在水环境研究与工程中得到应用。廖庚强[10]通过应用Delft3D建立通化市柳河的水动力模型,精准模拟了橡胶坝运行对河道水动力和泥沙输运的影响;陈庆江等[11]通过构建上海市青松片区河道水动力数值模型,模拟了现状调度方案与活水畅流优化方案的水动力结果,模拟结果表明活水后片区水动力明显提升;吴凡杰等[12]通过构建宁波市象山港的水动力水质耦合模型,完善了象山港的排污策略;张立杰[13]应用Delft3D构建了呼伦贝尔市呼伦湖的水动力水质耦合模型,模拟结果为呼伦湖及其周边地区水生态环境治理提供了依据;柯庆等[14]在Delft3D软件基础上建立了东营市L河的水动力水质模拟,为L河流域黑臭水体的科学治理提供了理论依据;毕潇伟等[15]基于Delft3D水动力模型的建立和实测数据分析,对上海市长兴岛青草沙水库水温对环境的影响进行了较为准确的预测。Delft3D水动力水质模块综合考虑了水流域存在的物理过程、化学过程、生物过程相互间的耦合影响,可用于水环境、水污染、水生态的水动力特性和水质变化状态分析。

本文基于Delft3D构建了苏州市渭塘镇平原河道的水动力水质耦合模型,在既定的活水泵站、水质净化设施选址方案下,论证了部分设施规模的合理性,为南方多河流水环境综合整治提供理论依据。

1 研究区概况

研究区涉及苏州市渭塘镇19条河(湖),以丽致星河为界分为老镇片和珍珠湖片,现状水体流动缓慢,日常内河无补水来源,大部分河道淤积严重,丽致星河闸、黄家浜闸、乌土泾闸、周家浜闸常年开启,除外河引水期间外河道水体与圩外河道无水体交换,两片区河道因丽致星河闸常年关闭与圩外河道也无水体交换。

丽致星河以西为老镇片,面积2.36km2,圩内治理河道有10条,总长8.09km。1号河、2号河、3号河、4号河均为断头浜。丽致星河以东为珍珠湖片,面积2.61km2,主要为住宅和商业区,圩内治理河道有9条,河道总长9.33km。秧河、河西浜等河道均为断头浜。根据2021年2月、5月和10月共3次水质检测数据分析,研究区域河道大多为V类或劣V类,治理目标为Ⅳ类,主要超标因子是NH3-N、TP,少部分河道超标因子为CODMn。圩外河道水质较优,大部分能达到Ⅳ类水标准。

为提升镇区河道水质,活水畅流,新建1～7号活水泵站、活水推流器和旁路净化设施。因镇区用地紧张,各新建泵(闸)站选址已定,不再论证。本文主要论证1号活水泵站、活水推流器、水质净化设施规模的合理性。

2 模型构建

Delft3D-FLOW水动力模块是Delft3D的核心模块,可对污染物存在的平流扩散等过程进行动态模拟[13]。同时,水动力模拟结果的准确性和实效性也决定了水质模型的精度。在水动力模型构建前,需完成实测数据收集、网格绘制和条件输入等前期工作。

2.1 模拟区域网格化

模型网格如图1所示,网格节点夹角余弦值在0～0.02范围内,正交性好。网格划分情况与镇区河道实际地形较为贴近,符合计算要求。模型覆盖镇区19条河(湖),东西跨度3km,南北跨度2km,矩形网格尺寸为10m×10m,x方向网格数299个,y方向网格数209个。镇区水动力模型水下地形见图2,河道地形数据根据实测水下地形数据离散差值得到,率定和验证的实测资料与地形资料的时间同步。

图1 镇区河道网格划分

图2 镇区河道水动力模型水下地形

2.2 水动力模型设置

2.2.1边界条件

镇区河道分为老镇片、珍珠湖片两大片区。老镇片边界设置于黄家浜,从外河经补水泵站引水入老镇片,引水泵站流量为0.25m3/s,从1号河排水至渭泾塘,排水泵站流量为0.25m3/s;珍珠湖片边界设置于珍珠湖北端,从南雪泾经补水泵站引水入珍珠湖,引水泵站流量为0.25m3/s,从赵家浜出水至渭泾塘,排水泵站流量为0.25m3/s。

2.2.2设施概化

计算时圩区内分布的泵站均处于运行状态,与圩外河道仅在边界引排水处有水体交换,两片区河道间因丽致星河上的薄坝常年关闭,仅通过4号活水泵站产生水体交换。将泵站概化为模型的源汇项,老镇片拟于1号河北端设置1号活水泵站,抽水至乌土泾,1号活水泵站流量待定。根据研究区域河道区域水量,可以估算得出1号活水泵站流量低于1.0m3/s时,区域水体难以流动,从流量分别为1.00、1.50、2.00m3/s这3种工况中择优选用。珍珠湖片于赵家西浜、赵家浜分别设置2、3组活水推流器,将推流器概化为源汇项,从流量分别为0.2、0.4m3/s这2种工况中择优选用。净化设施净化出水分别经1号、2号提升泵站出水。在模型中丽致星河处设置1道无限高的薄坝将2个片区隔开。模型边界条件、源汇项概化见图3与表1。

表1 模型源汇项设置

图3 模型边界条件、源汇项与测点设置

2.2.3参数设置

模型垂向分层为1,计算步长为1min,输出间隔时间为60min,重力加速度为9.81m/s2,水体密度为1000kg/m3,曼宁系数为0.024,水平紊动黏性系数为5m2/s,河流进出口边界均为流量边界,干湿判定的位置为在网格的中心和边界同时判定。

2.3 水质模型

在水动力模型的基础上,利用Delft3D-WAQ水质模块构建了镇区河道水质模型,对镇区河道污染物的扩散消减过程进行分析。模型中各项物质随水流迁移扩散,完成生物和化学循环。主要模拟指标为CODMn、NH3-N和TP。水质过程包括氧气-可生化需氧量、氮和磷循环,其中NH3-N是水环境系统中重要的水质变量之一,是判断流域内水体污染情况的重要指标,也是研究论证重点关注的指标。

水质模型将旁路净化设施概化为源汇项输入模型,其中老镇片的建新旁路净化设施连通1号提升泵站,珍珠湖片的钻石旁路净化设施连通2号提升泵站,其对水动力的影响不再论证,仅论证对水质的影响。

3 模型验证

为验证模型计算结果的准确性、可靠性和稳定性,采用2021年的水位数据进行验证,计算时间为2021年10月1—30日,计算步长为1min,输出间隔时间为60min。水位模拟误差在4.2～8.3cm之间,15个站点平均水位误差为6.8cm。

水质验证资料测量时间为2021年10月,测点分布见图3,测点覆盖了研究区域内15条河道。大部分河道的率定结果较好,实测值与计算值比较吻合,能反映镇区水体的大概情况。采用相对误差、均方根误差验证模型计算值和实测值的吻合程度(表2),通过均方根误差能够较为直观地反映模型精度,均方根误差值越小,模型精度越高。由水质模型得出CODMn、NH3-N、TP质量浓度的平均均方根误差分别为0.8893、0.3104、0.0409,各指标均方根误差的标准差分别为0.28、0.16、0.02。镇区15条河道水质数据与实测数据的相对误差、均方根误差均在合理范围内,数据模拟的结果吻合度较高,具有较高的水质模拟精度。

表2 水质模型误差分析

此外,根据水质数据分析,老镇片区加权平均水体的CODMn、NH3-N、TP质量浓度分别为6.50、0.32、0.5mg/L,钻石旁路净化设施出水的CODMn、NH3-N、TP质量浓度分别为25.0、1.0、0.2mg/L。

4 结果与分析

4.1 水动力模拟

通过Delft3D-FLOW水动力模块计算老镇片水动力情况,利用QuickPlot、Matlab出图并统计流速数据。对不同工况下的水动力数据进行分析,以确定1号活水泵站、活水推流器的规模。

4.1.1老镇片1号活水泵站流量分析

考虑到老镇片河道断面尺寸和区域水量,老镇片区选择了工程前和1号活水泵站流量1.0、1.5、2.0m3/s这4种工况进行模拟,各工况下水动力结果见图4和图5。通过对比分析发现,4种工况下的水深几乎不变。老镇片水深为2.5～4.0m,珍珠湖水深为1.5～2.5m。

图4 老镇片区1号活水泵站不同工况下的水深模拟结果

图5 老镇片区1号活水泵站不同工况下的流场模拟结果

流场变化较为明显,工程前由于镇区河道与外界无水体交换,断头浜较多,河道流速极为缓慢;工程后老镇片1号活水泵站流量为1.0m3/s时,流速控制在0.01～0.06m/s,最大值控制在0.22m/s,对河道的冲刷较小,乌土泾、1号河的流速稳定在0.005～0.045m/s,水动力模拟结果较为理想,活水效果均衡。随着1号活水泵站流量的加大,工况2老镇片会在横浜产生0.06m/s的大流速;当1号活水泵站流量增加至2.0m3/s时,乌土泾西段由于补水流量大,导致流速较高,1号河流速达0.45m/s,横浜流速达0.09m/s,流速分布不均衡对横浜冲刷较强,影响边坡稳定。经模拟分析,老镇片工况1的动力结果较为理想,确定1号活水泵站流量为1.0m3/s。

4.1.2珍珠湖活水推流器感应流量分析

确定1号活水泵站流量为1.0m3/s后,在珍珠湖片选取2种工况:工况1每组活水推流器流量为0.2m3/s,工况2每组活水推流器流量为0.4m3/s。2种工况下水深结果几乎一致。流场方面,由于湖面较大,工况1每组0.2m3/s的流量不足以推动珍珠湖南赵家浜与赵家西浜的水体循环,赵家西浜的最大流速仅有0.005m/s;工况2活水推流器每组感应流量增加至0.4m3/s,此时湖面流速仍然较低,但赵家西浜、财富楼河、赵家浜等已有较为明显的流速,赵家西浜最大流速达0.02m/s,财富楼河最大流速达0.018m/s,赵家浜最大流速达0.03m/s。因此,珍珠湖片工况2的水动力模拟结果较为理想,活水效果好,如图6、图7所示。最终经过模拟分析确定每组活水推流器感应流量为0.4m3/s。

图6 珍珠湖片活水推流器不同工况下的水深模拟结果

4.2 水质模拟

设计2种水质模型工况,分别为旁路净化设施规模1万m3/d和2万m3/d。根据模拟结果,河道CODMn质量浓度稳定在30mg/L以下,NH3-N稳定在1.5mg/L以下,TP稳定在0.3mg/L以下,达到准Ⅳ地表水的要求。各指标质量浓度场变化分布见图8～10,不同工况下河道水质情况见表3。

图8 CODMn质量浓度场变化分布

旁路净化设施规模在1万m3/d时,老镇片原CODMn质量浓度超标严重的1号河、2号河、3号河、4号河、鸭连浜和横浜CODMn质量浓度均有所降低,但仍然不能全部降低到30mg/L以下,其中3号河超标仍然严重。原NH3-N质量浓度超标严重的老镇片水域,NH3-N质量浓度超标仍然严重,老镇片大部分河道仍为劣Ⅴ类。原TP超标的1号河,TP指标有所下降,但仍达不到准Ⅳ类水标准。由此得出,工况1的模拟结果不能达到预期的水质目标。

旁路净化设施规模为2万m3/d时,老镇片原CODMn质量浓度超标严重的1号河、2号河、3号河、4号河、鸭连浜和横浜通过1号、2号、3号泵站的活水输送,提升了水体流动速度,同时建新旁路控制输出的优质水质也在不断改善河道水质。黄家浜从外河的元和塘引水,污染物被降解和稀释,水质较好,几乎能达到Ⅲ类水标准。乌土泾西段由于1号泵站的活水输送,动力较好,主要水质指标优于东段。老镇片由于控源截污不彻底,原NH3-N质量浓度超标严重,水体富营养化污染,自净能力差,植物营养物质过剩,易暴发蓝藻等。NH3-N污染得到有效控制。老镇片原1号河和丽致星河TP质量浓度超标严重,通过活水输送与旁路控制,1号河与丽致星河的TP污染得到有效控制,能达到准Ⅳ类水标准。

珍珠湖片整体水质优于老镇片。方案实施后,原CODMn污染严重的财富楼河,通过6号泵站的活水输送得到有效控制;原CODMn污染严重的河北浜,通过钻石旁路净化设施的清水输送,CODMn污染得到有效缓解;珍珠湖片85%的水域CODMn质量浓度在25mg/L以下。原CODMn质量浓度超标的周家浜,通过活水输送与旁路控制,污染得到有效控制,CODMn质量浓度稳定在10mg/L以下,达到准Ⅳ类水标准。

综上所述,旁路净化设施规模为1万m3/d时未能达到Ⅳ类水标准,而规模为2万m3/d时的水质模拟结果更好,水质全面达标,故两处水污染旁路控制设施规模选用2万m3/d。

5 结 论

a.本文建立了苏州市渭塘镇河道的水动力水质耦合模型,该模型计算值与实测值吻合良好,模型在该地区适用。

b.根据既定的活水引水选址方案,论证了设施规模的合理性,分析评估了方案的活水畅流、水质提升效果,老镇片工况1即1号活水泵站流量为1.0m3/s时的水动力模拟结果较为理想,珍珠湖片每组活水推流器感应流量为0.4m3/s时的水动力模拟结果较为理想,活水效果好。经过规模为2万m3/d的旁路净化设施处理后,各测点水质有明显的改善,河道水质可以达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅳ类水标准。

c.本文分析了既定活水引水选址方案下不同活水规模对研究区域水动力的影响,可为区域河道活水畅流提供参考;分析了不同净化规模对研究区域水质的影响,表明活水泵站与旁路净化设施是改善研究区域水质的有效途径。