北方平原区城市水动力与水环境综合调控研究

潘剑光 胡鹏 杨泽凡 张汶海

摘 要：针对北方平原区城市由于地势平坦、水源不足造成的水生态环境问题，提出以提升河流水动力条件和入河污染负荷削减为基础的水环境治理思路，实现水系水质的整体提升。以滨州市滨城区为例，在水系连通的基础上，通过合理设置泵站加强河道水体流动，提升水系水动力条件，以MIKE11水动力水质模型为技术支撑，模拟不同情景下水系的水动力水质条件，从水动力、水质和经济可行性3方面对模拟结果进行评价，得到最优水动力情景，并据此情景的水质模拟结果倒推水质全面达标的污染负荷削减方案。结果表明：水位7.0 m、流速0.10 m/s为最优水动力情景，在该情景下，将污水处理厂出水标准全部提升至Ⅴ类水时，河道水质能全面达到Ⅳ类水标准。

关键词：城市水系;水动力;水环境;MIKE11模型;北方平原区

中图分类号：X321 文献标志码：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

随着城市的迅速发展，人类对城区内河道的影响日渐凸显，一方面人类活动改变了河道的自然形态，导致河网水系萎缩、连通性下降、调蓄能力减弱[1-5];另一方面将大量生活和工业污水排入河道，加剧了城市水系水质恶化和生态环境退化[6]。北方平原区城市受自身条件限制，一方面水系流动性不强，另一方面缺乏水源补给，水生态环境问题突出[1]。

城市水系的生态环境问题不仅关系着水系自身的健康，而且影响着城市发展和人民生活質量的提高。传统的城市水环境治理方式主要包括河道清淤、污水处理、引调清水[7]等工程手段，但是这些工程手段往往没有考虑城区水系水动力条件对水环境的影响。胡昊等[8-9]的研究表明水系连通对于河道水质有明显改善作用，崔广柏等[5]通过试验研究证实了城区水系水动力的提高能有效改善水系的水质状况。笔者以滨州市滨城区为例，根据城市规划和水生动植物生长要求设置不同的水动力情景，运用MIKE 11水动力水质模型[10-13]模拟不同情景下水系的水动力、水质状况，根据各情景的水动力、水质模拟结果和经济耗电量对方案效果进行评价，选取最优水动力情景，并根据最优水动力情景下的水质状况来寻求使水系水质达标的污染负荷削减方案，以实现城区水系水生态环境的长效改善。

1 研究区概况

滨州市滨城区位于黄河北岸，地处黄河下游洪泛冲积平原，属温带大陆性气候区，年均降水量为583.2 mm。城区内地势平坦，地势大致南高北低、西高东低，有一条环状河流四环河以及南北走向的秦皇河、新立河、秦台河。滨城区作为全市的政治、经济和文化中心，拥有50.39万人，人口对城区内河道的影响十分显著。目前城区内水系渠塘化严重，水体流动性差，水体多为静水、死水，沿河生活污水和工业污水的排入加剧了水体水质的恶化，河道内水体发黑、发臭，水质多为Ⅴ类和劣Ⅴ类，水生态环境问题亟待解决。

2 研究方法

采取人工打通各河段连接处的阻隔，拆坝筑桥、河道清淤、消除束水及阻水河段的方法来实现城区内水系的连通。水系连通后，设立泵站为水体提供动力以弥补城区地势的不足，使河道呈环状循环流动。中心城区地势南高北低，河流自然流向为由南向北，河道循环流动时需要东环河或西环河中的一条河道逆流，为使逆流河段最短，将水泵设立于东南河段东环河、南环河交接处，使长度较短的东环河倒流，此时水系以南环河东端为上游、东环河南端为下游呈环状流动（见图1）。根据城市规划和水生动植物生长要求设置不同的水动力情景，运用MIKE 11水动力水质模型对各水动力情景进行模拟，从水动力、水质和经济三方面对模拟结果进行评价，进而得到最优水动力情景。根据最优水动力情景下的水质状况与水质目标之间的差距反推污染负荷削减措施，即污水处理厂的出水标准。

2.1 模型介绍

运用MIKE11 HD模块进行水动力模拟，MIKE11 AD模块进行水质模拟。MIKE11 HD模块基于圣维南方程组，采用六点隐式差分格式进行求解;MIKE11 AD模块以一维对流扩散方程为基础，根据水动力模块模拟结果，计算河道内污染物浓度。

（1）河网概化。利用GIS对中心城区河网的位置进行概化，并将GIS图导入MIKE 11模型，生成中心城区河网位置图。

（2）边界条件和初始条件。水动力模拟中以水泵出水口为上边界（流量边界），水泵入流口水位为下边界（水位边界）。内部边界包括秦皇河、新立河、秦台河3条河流的流入流出口、污水处理厂的污水排入口以及河流沿线的12个生活污水排入口，均设置为点源，以流入为正、流出为负。MIKE 11模型中水动力初始条件的主要作用是使水动力模型平稳运行，设置值应尽量接近模型开始时河道内水位的真实值。

（3）模型率定。MIKE11 HD模块需要率定的参数为河床糙率。由于现状河道未连通，因此没有河道连通状态下的河道水位、流量实测数据，无法进行全河道的河床糙率率定。城区内除了西环河外，其他河段大部分为死水，水体不流动，没有对应的水位、流量数据，而且城区河道是统一规划建设的，因此可将西环河的河床糙率率定结果作为所有河段的糙率。在河流低流量时期（2016年3月）和高流量时期（2016年7月）进行水位验证，验证结果见图2。模拟与实测水位最大误差为0.4%，水深最大误差为6.3%，均小于10%，可以认为模拟效果良好。

2.2 水动力调控措施

2.2.1 情景设置

（1）流速设置。低流速取人眼可以观察到的最小流速0.05 m/s;为了增强水体流动性和自净能力，同时考虑现实可行性，设置高流速情景为0.10 m/s。流速的控制断面分别为秦皇河、新立河、秦台河同一流量条件下过流面积最大的断面，分别位于秦皇河下游、新立河下游和秦台河中游;四环河上的流速控制断面位于流量最小的北环河东段，即保障在控制断面达到设置流速时，城区河流绝大部分河段均可达到设置流速。

（2）水位设置。根据滨州市城市水系规划对于景观水位的要求，设置东环河南端水位为7.7 m;考虑到滨州市河道底部高程为4.7～7.0 m，水位设置为7.7 m时北环河（底部高程为4.7m）水深将超过3 m，不利于沉水植物生长[14-15]，同时适当降低水深能节约能耗，因此设置中等水位为7.3 m，低水位为7.0 m。

由水位和流速调控方案可以得到6种水动力调控情景，见表1。

2.2.2 水动力方案比选

从水动力、水质和经济三方面对各水动力情景进行评价，选取最优水动力情景。

（1）水动力条件。水体中的沉水植物对水体生态环境稳定和健康具有重要作用[14]，因此将沉水植物的生长对水动力条件的要求作为水动力条件比选标准。沉水植物生长的最佳水深为1～3 m[15]，将最佳生长水深与各水动力情景的水深模拟结果进行对比，根据对比结果对各水动力情景进行评选。

（2）水质条件。滨州市城市规划要求城区内河道水质达到Ⅳ类，因此根据水质模拟结果中污染物的超标率对各情景的水质条件进行评选。超标率=超标河段长/河道总长，其中四环河总长55 482 m，新立河总长12 000 m，秦台河总长7 857 m。

（3）经济条件。考虑到方案的实用性，各情景下以水泵将水从下游抽取到上游（即从东环河南端抽取到南环河东端）所需要消耗的电量为经济考核目标，遵循耗能最小的原则对各水动力情景进行评选。各水动力情景下水泵提水所消耗电量为

式中：T为耗电量;Q为水泵流量;h为水泵提水高度;D为水泵运行天数;g为重力加速度。

研究区7月处于汛期，河道內水动力、水质条件均达到规划要求，不需要使用泵站提升水体水动力水质条件;入冬后12月至次年2月城市河道进入冰封期泵站无法使用，因此泵站每年使用8个月，共244 d。

2.3 污染负荷削减方案

若在最优水动力情景下水系水质仍达不到水质目标，则采取污染负荷削减措施。城区水系现状污染源主要包括河道沿线的12个生活污水排放口、4座污水处理厂，其中污水处理厂中有1座出水标准为一级B，其他3座均为一级A，排放标准见表2。污染物削减措施包括取缔沿线12个生活污水排放口和提高污水处理厂出水标准。根据MIKE11 AD模拟结果反推能够使水系水质全部达到Ⅳ类水的污水处理厂排放标准。

3 结果和讨论

3.1 水动力调控方案比选

（1）水动力条件比选。运用MIKE11 HD对各个水动力情景进行模拟，模拟得到的四环河和秦皇河、新立河和秦台河沿程水深分布见表3。从表3可以看出，各水动力情景的水深均大于1 m，满足沉水植物生长的最低水深要求，其中：B4、B5、B6方案水深超出3 m的比例超过20%，河道水深偏深，不适合沉水植物生长;B1、B3方案水深为1.0～1.5 m的比例超过20%，河道水深偏浅，不利于景观发展和河道内生态环境构建;B2方案水深分布较为合理，更适合沉水植物生长。

（2）水质模拟结果。各方案水质模拟结果见表4，其中秦皇河水质全部达标，因此秦皇河水质模拟结果不予展示。由水质模拟结果可以得出：①四环河水质超标率在49%以内，新立河水质超标率在30%以内，秦台河水质超标率在43%以内，较水动力提升前水质有较大改善;②除秦台河下游外，COD浓度都在Ⅳ类水标准内;③氨氮超标情况比COD严重，主要集中在西环河北段，北环河、新立河下游和秦台河下游;④总氮超标情况最严重，主要集中在西环河北段，北环河、东环河、新立河下游和秦台河下游。

根据水质超标率可以看出，高流速（0.10 m/s）情景水质条件比低流速（0.05 m/s）情景水质条件好，其中B6情景下水质条件最优，B2、B4情景次之，且二者与B6差距较小，在四环河上NH3-N超标率相差小于6%、TN超標率相差小于0.1%。

（3）耗电量计算。水动力情景B1、B2、B3、B4、B5、B6下水泵耗电量分别为126.7万、355.4万、132.6万、358.1万、146.7万、370.2万kW·h/a，可以看出，B6耗电量最大，B1耗电量最小;低流速（0.05 m/s）下的耗电量普遍较小，且耗电量随着水位的升高而增大。

（4）水动力调控方案比选。由水质模拟结果可得，B6情景下水质条件最优，B2、B4情景次之，且二者与B6差距较小。B2情景更有利于沉水植物生长，耗电量相对较小，综合考虑，B2为满足水生动植物生存水深和水质要求的最优水动力情景，建议采用B2情景为河道水系提供水动力条件。

3.2 污染负荷削减方案比选

由表4水质模拟结果可知，在水动力提升后水体水质得到明显改善，但即使是在水质最优情景B6下，河道内仍存在超标河段，仍需要开展水环境治理才能使河道内水质全部达标。以B2情景为水动力条件，在滨城区内实施污染物削减措施。铺设污水管网，将河道沿线12个生活污水排放口的生活污水收集后引入污水处理厂，并提高污水处理厂出水标准，即在模型中取消12个生活污水入流点，将其流量叠加进污水处理厂出水流量。以最优水动力情景为河道提供水动力条件，模拟生活污水全部收集后，将污水处理厂出水标准提高到一级A和Ⅴ类水时四环河河道水质状况，模拟结果见图3。从图3可以看出，污水处理厂出水标准全部提高到一级A时，河道内水质情况较未提高水质标准前（B2情景）有所提高，但西环河和北环河部分河段TN仍超标;当污水处理厂出水水质达到Ⅴ类水时，河道内水体全部达到Ⅳ类水标准。因此，若使全河段水质达标需将污水处理厂的出水标准提升至Ⅴ类水，在没有条件提升至Ⅴ类水时也可以提升至一级A，此时需在西环河和北环河采取生态恢复等方法改善水质，使该河段水质达标。

4 结 语

运用MIKE11水动力水质模型寻求对沉水植物生长最优的水动力情景以及使水系水质达标的污水处理厂出水标准。水动力调控结果显示，当下游水位为7.0 m、河道内流速为0.10 m/s时，河道内水深条件适合沉水植物生长;水污染负荷调控结果显示，在最优水动力情景下取消河流沿线生活污水排放口，将所有污水处理厂出水水质提升至Ⅴ类水后河道内水质全部达到Ⅳ类水要求。通过水动力和水环境综合调控，城区河道水质全部达到Ⅳ类水标准，与调控前相比河道的连通性、水动力条件和水质条件都有较大提升。调控后河道水动力和水质条件更适合沉水植物生长，有助于水体生态环境的恢复。

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【责任编辑 吕艳梅】