4.2水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

該模型以水文、污染源和水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料為主，根據(jù)各類數(shù)據(jù)的信息特征，利用SQLServer2012設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，對(duì)基礎(chǔ)資料進(jìn)行整理和錄入，建立集水文、水質(zhì)、污染源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然條件等數(shù)據(jù)信息于一體的模型。秦淮河流域骨干河道河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型包括降雨徑流模型、污染負(fù)荷模型、河網(wǎng)水量模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型。

(1)降雨徑流模型

研究區(qū)主要位于秦淮河流域下游平原地區(qū)，下墊面分布是影響平原區(qū)產(chǎn)流的主要因素，針對(duì)骨干河道沿線不同下墊面類型，本文按水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地等4類，采用不同產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行模擬，分別構(gòu)建相應(yīng)的降雨徑流模型。

(2)污染負(fù)荷模型

污染負(fù)荷模型通過收集研究區(qū)內(nèi)的點(diǎn)、面源數(shù)據(jù)資料，開展各類污染源產(chǎn)生、分布、排放路徑和最終去向調(diào)查。污染負(fù)荷模型由產(chǎn)生模型和處理模型構(gòu)成，其中產(chǎn)生模型估算各種污染源的產(chǎn)生量，包括PROD、UNPS、DNPS和PNPS計(jì)算模式，處理模型計(jì)算各類污染源經(jīng)治理后，最終進(jìn)入水體的污染負(fù)荷入河量。

(3)河網(wǎng)水量模型

河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合計(jì)算模塊基本控制方程為

式中：q為旁側(cè)入流；Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量；K為流量模數(shù)，反映河道的實(shí)際過流能力；α為動(dòng)量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。
 

(4)河網(wǎng)水質(zhì)模型

河網(wǎng)水質(zhì)模型是模擬骨干河道水量、水質(zhì)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)遷移變化。通過分析氮、磷元素在水體中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，構(gòu)建不同形態(tài)氮、磷元素轉(zhuǎn)化的動(dòng)力反應(yīng)過程的計(jì)算公式。模型共模擬5種氮素、4種磷素狀態(tài)變量，分別是2種有機(jī)形態(tài)氮(顆粒態(tài)和溶解態(tài)有機(jī)氮)、2種無機(jī)態(tài)氮(氨氮和硝態(tài)氮)、總氮、2種有機(jī)形態(tài)磷(顆粒態(tài)和溶解態(tài)有機(jī)磷)、1種無機(jī)態(tài)磷(磷酸鹽)、總磷。

4.3秦淮河流域調(diào)度方案的多情景模擬與比選

4.3.1研究方法

通過秦淮河流域骨干河道河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型的建立，設(shè)定多組水利工程調(diào)度方案，開展基于多情景下的骨干河道調(diào)度效果數(shù)值模擬，評(píng)估各調(diào)度方案對(duì)水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度目標(biāo)的滿足程度，確定骨干河道的生態(tài)基流和生態(tài)水位，比選非洪澇期研究區(qū)骨干河道水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度模式，提出調(diào)度建議方案。

4.3.2研究站點(diǎn)選取

本研究水量調(diào)度的控制站點(diǎn)為東山站，調(diào)度對(duì)象為長(zhǎng)江入江口秦淮新河水利樞紐、外秦淮河武定門閘和下游入江口三汊河口閘;水質(zhì)檢測(cè)比選站點(diǎn)為秦淮河七橋甕斷面、秦淮新河鐵心橋斷面和外秦
淮河石城橋斷面。

4.3.3研究成果

根據(jù)不同調(diào)度方案的河網(wǎng)水量和水質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，采用上述水環(huán)境和水生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法，得到各控制站點(diǎn)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值，評(píng)估各調(diào)度方案對(duì)研究區(qū)骨干河道水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度目標(biāo)的滿足程度，得出分析結(jié)論。

4.3.3.1東山站水位控制

適當(dāng)降低武定門閘的調(diào)控水位有利于改善非汛期水系連通性，促進(jìn)水體流動(dòng)，對(duì)水質(zhì)改善也具有積極作用，因此，建議非汛期將東山站水位控制在6.8m左右。

4.3.3.2在枯水年非汛期(90%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，流域上游補(bǔ)水6～17m3/s，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，能夠使鐵心橋和石城橋斷面水質(zhì)(氨氮除外)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，七橋甕斷面水質(zhì)基本滿足要求。泵引流量≥50m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，可滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

4.3.3.3在平偏枯年型非汛期(75%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，流域上游補(bǔ)水1～10m3/s，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，能夠使鐵心橋和石城橋(氨氮除外)斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，七橋甕斷面水質(zhì)基本滿足要求。泵引流量≥50m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，可滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

4.3.3.4在平水年非汛期(50%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，上游不需要補(bǔ)水即可基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，能夠使鐵心橋和七橋甕斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，石城橋斷面水質(zhì)基本滿足要求(達(dá)標(biāo)率超過70%)。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河不需要引水，即可使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥20m3/s，可基本滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求(秦淮新河1月份除外)。

5結(jié)論與建議

(1)秦淮河流域骨干河道的最小生態(tài)基流可為13.2～42.4m3/s，最小生態(tài)水位為6.3～6.8m。

(2)適當(dāng)降低武定門閘的調(diào)控水位有利于改善水質(zhì)，建議非汛期將東山站水位控制在6.8m左右。

(3)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，且流域上游補(bǔ)水時(shí)，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求;泵引流量≥50m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(5)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30m3/s，可基本滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

(6)下一步將研究范圍擴(kuò)大至整個(gè)秦淮河流域，針對(duì)流域不同水體的生態(tài)功能特征，確定生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，構(gòu)建全流域水量水質(zhì)耦合模型，開展多情景調(diào)度模擬，評(píng)估水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度效果。

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