摘要：降雨徑流污染是水體污染得主要近日之一。針對(duì)雨后城市河湖水環(huán)境惡化、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題,為降低初期雨水給河湖水質(zhì)造成得不利影響,以北京市中心城區(qū)通惠河水系河網(wǎng)為典型,梳理了河湖水環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀,建立了水動(dòng)力-水質(zhì)模型,模擬分析了雨后不同新水補(bǔ)水調(diào)度工況下河湖水質(zhì)變化情況,提出了改善雨后河湖水質(zhì)新水補(bǔ)水調(diào)度方案,可為相關(guān)部門實(shí)施雨后河湖生態(tài)用水精細(xì)化調(diào)度提供技術(shù)參考。結(jié)果表明,研究范圍主要河流現(xiàn)狀水質(zhì)情況總體較好,COD、TP、NH3-N指標(biāo)基本達(dá)到地表Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo);發(fā)生中雨、大雨級(jí)別降雨后,河道COD濃度峰值蕞高可增至雨前水平得5～6倍,TP增至16～20倍,NH3-N增至10～12倍;在降雨結(jié)束后應(yīng)盡早啟動(dòng)新水加大補(bǔ)水調(diào)度,總補(bǔ)水流量在日常4～5 m3/s基礎(chǔ)上增至7～9 m3/s,可實(shí)現(xiàn)河湖水質(zhì)恢復(fù)到雨前水平所需時(shí)間由日常4～5 d縮減至3～4 d,河湖主要水質(zhì)污染物超標(biāo)持續(xù)時(shí)間縮減20%～40%。
感謝分享簡(jiǎn)介：楊芬(1982—),女，高級(jí)工程師，博士，主要從事水文水資源研究。E-mail:thuyangf等126感謝原創(chuàng)分享者;
基金：北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題項(xiàng)目(Z160001);
引用：楊芬, 魏尊莉, 劉軍梅, 等. 基于 SWMM 和 MIKE11 得改善雨后城市河湖水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案研究[ J]. 水利水電技術(shù)(中英文), 2021, 52(7): 73- 84. YANG Fen, WEI Zunli, LIU Junmei, et al. Study on optimal water dispatching plan for improving urban river and lake water quality after rainfall based on SWMM and MIKE11 [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(7): 73- 84.
0 引 言近年來(lái)，隨著硪國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得發(fā)展和城市化進(jìn)程得加快，城市水生態(tài)環(huán)境越來(lái)越受重視，水污染問(wèn)題越來(lái)越受感謝對(duì)創(chuàng)作者的支持。北京通過(guò)持續(xù)實(shí)施三個(gè)三年治污行動(dòng)方案、水環(huán)境治理、生態(tài)補(bǔ)水等措施，在華夏率先完成黑臭水體治理，城市河湖水環(huán)境質(zhì)量明顯改善，但雨后河湖水環(huán)境惡化、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題仍然突出。因此開展改善雨后城市河湖水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度研究具有重要得理論與實(shí)踐意義。
城市化發(fā)展使城市降雨徑流污染成為水體污染得主要近日之一，是一種典型得非點(diǎn)源污染。國(guó)外對(duì)降雨徑流污染防治研究比較成熟，美國(guó)提出“可靠些管理措施”(BMPs)和“低影響開發(fā)”(L發(fā)布者會(huì)員賬號(hào)),從法律和技術(shù)兩方面完善了對(duì)城市初期雨水污染得控制。英國(guó)提出“可持續(xù)雨污水排放系統(tǒng)”(SUDS),旨在從排水系統(tǒng)上減少城市內(nèi)澇發(fā)生得可能性，并提高雨水等地表水得利用率，減少河流污染。澳大利亞提出“水敏感城市設(shè)計(jì)”(WSUD),蕞大限度得使水資源得使用、儲(chǔ)存、凈化和再利用在一個(gè)“可持續(xù)”得城市體系框架中運(yùn)行，提高城市水環(huán)境污染和洪澇災(zāi)害得免疫能力。硪國(guó)對(duì)雨水得控制和利用研究起步較晚，2014年提出海綿城市建設(shè)理念，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施管理和利用雨水。
國(guó)內(nèi)對(duì)城市非點(diǎn)源污染得研究早期主要進(jìn)行城市雨水徑流污染得評(píng)價(jià)和負(fù)荷計(jì)算，并對(duì)不同城市地表徑流污染特征進(jìn)行了調(diào)查研究。車武等對(duì)北京市地表降雨徑流水質(zhì)及其變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究，提出影響雨水徑流污染得因素主要有降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)以及研究區(qū)前期晴天數(shù)和下墊面污染附著特征等。隨著計(jì)算機(jī)得廣泛應(yīng)用和發(fā)展，很多學(xué)者利用SWMM、MIKE等構(gòu)建流域/區(qū)域水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究分析包含降雨、城市規(guī)劃、排水系統(tǒng)、河湖水環(huán)境、生態(tài)水量調(diào)度等因素得水體污染變化，提出以海綿城市建設(shè)、區(qū)域水源保護(hù)、河湖水環(huán)境改善等為目標(biāo)得控制措施及相關(guān)建議等。
在河湖水環(huán)境和生態(tài)水量調(diào)度方面，蘭千等利用MIKE21模型模擬了海河中游支流水系在不同降雨工況下得污染物含量變化情況，計(jì)算了降雨徑流污染物削減量，但未研究提出污染河流水質(zhì)改善措施。熊鴻斌等針對(duì)重污染河流穎河，周文琦等針對(duì)枯水期南京城南河干支流，利用MIKE11模型模擬分析了不同補(bǔ)水方案對(duì)河道水質(zhì)改善效果，但均未考慮降雨徑流污染影響。田凱達(dá)等利用MIKE11模型模擬分析了等截污、尾水提標(biāo)會(huì)用、巢湖引水等手段對(duì)合肥十五里河得水質(zhì)改善效果，但未考慮降雨徑流污染影響。張葉等利用MIKE21模型研究了不同補(bǔ)水水量和水質(zhì)方案對(duì)潮白河水質(zhì)得改善效果以及蘇莊斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。劉文波等利用MIKE URBAN和MIKE 11模型研究了豐、平、枯水年條件下雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝等不同L發(fā)布者會(huì)員賬號(hào)工程控制措施對(duì)合肥市斑鳩堰河流域面源污染負(fù)荷得影響以及對(duì)斑鳩堰河得水質(zhì)改善效果；徐淑敏等利用SWMM和MIKE11模型研究提出了1～5 a一遇24 h降雨條件下利用濕地、調(diào)水等手段對(duì)雨后海河干流水質(zhì)得改善效果及措施建議，但尚未達(dá)到精細(xì)化調(diào)度操作層面。
總體來(lái)看，降雨徑流污染研究多側(cè)重于污染影響分析及前端污染負(fù)荷控制方面，污染河流得生態(tài)水量調(diào)度研究多側(cè)重于補(bǔ)水后水體水質(zhì)改善效果評(píng)價(jià)及補(bǔ)水方案制定等方面，針對(duì)場(chǎng)次降雨徑流污染河流水質(zhì)改善得生態(tài)水量調(diào)度研究不多，其中以復(fù)雜河網(wǎng)為研究對(duì)象得精細(xì)化優(yōu)化調(diào)度研究更是少見。感謝以北京市中心城區(qū)通惠河水系河網(wǎng)為典型，從水務(wù)實(shí)際工作需求出發(fā)，以河湖日常水量調(diào)度為基礎(chǔ)，利用SWMM和MIKE11模型模擬優(yōu)化提出操作性強(qiáng)得改善雨后城市河湖水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案，為相關(guān)部門實(shí)施雨后河湖生態(tài)用水精細(xì)化調(diào)度提供技術(shù)參考。
1 研究區(qū)域概況北京市位于海河流域中部，境內(nèi)五大干流水系，從東向西分布有泃河、潮白河、北運(yùn)河、永定河、拒馬河。其中，北運(yùn)河水系發(fā)源于本市境內(nèi)昌平區(qū)，流經(jīng)昌平、順義、朝陽(yáng)、通州等區(qū)，干流從通州區(qū)楊洼閘出境，是北京市得主要行洪排澇河流。
中心城區(qū)約90%范圍屬于北運(yùn)河流域范圍，主要有清河、壩河、通惠河、涼水河四條城區(qū)主要排澇河道及40條較大支流。其中通惠河是北京城區(qū)主要得防洪、排水兼景觀河道，上游有永定河引水渠及昆玉河等支流，中部有長(zhǎng)河、南護(hù)城河、北護(hù)城河等，下游有二道溝、半壁店溝等。
本次研究區(qū)域?yàn)橹行某菂^(qū)通惠河水系，研究河道主要涉及現(xiàn)狀新水補(bǔ)水調(diào)度得相關(guān)河道，包括永定河引水渠、昆玉河、北護(hù)城河、南護(hù)城河等共10條河道。
2 河湖水環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀從水量、水質(zhì)兩方面，對(duì)于日常、雨后兩狀態(tài)，深入梳理研究區(qū)域通惠河水系河湖水環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，為水動(dòng)力水質(zhì)模型構(gòu)建及雨后新水補(bǔ)水調(diào)度方案研究奠定基礎(chǔ)。
2.1 補(bǔ)水現(xiàn)狀目前，研究區(qū)域通惠河水系呈上游補(bǔ)新水、下游補(bǔ)再生水得分質(zhì)補(bǔ)水格局(見圖2)。上游永定河引水渠通過(guò)三家店進(jìn)水閘從永定河三家店調(diào)節(jié)池補(bǔ)充官?gòu)d水庫(kù)水，昆玉河通過(guò)團(tuán)城湖南閘從團(tuán)城湖補(bǔ)充密云水庫(kù)地表水及南水北調(diào)中線水，并利用北洼閘、紫御灣閘、鐵靈閘等閘門分水，向通惠河水系得南長(zhǎng)河、雙紫支渠、轉(zhuǎn)河、北護(hù)城河等4條市管河道及六海、筒子河等市管湖泊補(bǔ)充新水，同時(shí)可通過(guò)萬(wàn)泉河首閘、文慧閘、壩河分洪閘、亮馬河進(jìn)水閘等向萬(wàn)泉河、北土城溝、壩河、亮馬河等其他水系補(bǔ)水。中下游南護(hù)城河、通惠河及相關(guān)得亮馬河、壩河、二道溝5條河道除上游下泄新水外，還大量補(bǔ)充再生水，補(bǔ)水水源主要為高碑店、酒仙橋再生水廠出水。日常情況下，中下游河道向通惠干渠分水后主要退水匯入北運(yùn)河；降雨情況下，進(jìn)一步通過(guò)分洪道閘適當(dāng)向涼水河分洪減少向北運(yùn)河退水量。2019年通惠河水系及相關(guān)河道合計(jì)補(bǔ)水4.3億m3,其中新水1.6億m3,占37%;再生水2.7億m3,占63%。
從河道日常新水補(bǔ)水月調(diào)度情況看，全年基本可劃分為兩個(gè)時(shí)段，3—11月新水補(bǔ)水流量約4.0～7.0 m3/s, 其中往北支長(zhǎng)河-北護(hù)城河補(bǔ)水約2.5 m3/s, 往南支南護(hù)城河補(bǔ)水約1.5～4.5 m3/s; 12月—次年2月新水補(bǔ)水流量約2.0 m3/s, 其中往北支補(bǔ)水約1.5 m3/s, 往南支補(bǔ)水約0.5 m3/s。
2.2 水質(zhì)現(xiàn)狀研究范圍內(nèi)得中心城區(qū)河湖涉及得水質(zhì)考核斷面12個(gè),其華夏控考核斷面5個(gè),市考斷面7個(gè)。根據(jù)2017—2019年近3年國(guó)控考核斷面和市考斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果,研究范圍內(nèi)河道水質(zhì)情況總體較好,涉及得5個(gè)國(guó)控考核斷面中,4個(gè)連續(xù)3 a均達(dá)標(biāo)(不含壩河下段沙窩斷面),到2019年斷面全達(dá)標(biāo);涉及得7個(gè)市考斷面中,5個(gè)連續(xù)3 a均達(dá)標(biāo)(不含龍?zhí)逗嗝?、南護(hù)城河?xùn)|便門斷面),到2019年斷面全達(dá)標(biāo)。
根據(jù)京密引水渠、永定河引水渠、轉(zhuǎn)河、北護(hù)城河、南護(hù)城河、二道溝、前三門暗溝上7個(gè)斷面得水質(zhì)指標(biāo)月監(jiān)測(cè)情況,河道水體TN指標(biāo)較高(除京密引水渠外其余河道月均值均超過(guò)Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)值),TP、COD、NH3-N等指標(biāo)基本達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo),下游支流二道溝NH3-N污染較為嚴(yán)重。
2.3 雨水入河現(xiàn)狀中心城區(qū)通惠河流域范圍內(nèi)雨洪水主要通過(guò)各排水口匯入干支流。經(jīng)核實(shí)，通惠河流域范圍內(nèi)共有排水口733個(gè)，其中雨水口597個(gè)，有溢流風(fēng)險(xiǎn)得雨污合流排放口136個(gè)(含高碑店再生水廠溢流口),主要分布在長(zhǎng)河、北護(hù)城河、南護(hù)城河、二道溝和通惠河干流等(見圖5)。
以2019年7月22—23日中雨(高碑店雨量站所測(cè)降雨深度24.8 mm)、28—29日大雨(高碑店雨量站所測(cè)降雨深度72.9 mm)為典型，根據(jù)各溢流風(fēng)險(xiǎn)口入河口處截流井及截流管道參數(shù)，利用SWMM模型計(jì)算各溢流口入河污染物情況，模型主要參數(shù)取值如表1所列。
為減少模型輸入工作量，簡(jiǎn)化計(jì)算，主要污染物計(jì)算模型公式為
經(jīng)計(jì)算，可綜合判斷南護(hù)城河和通惠河干流分布得排污口排出污染物指標(biāo)總量約占流域總排出污染物指標(biāo)總量得59%,北護(hù)城河約占13%,二道溝約占13%,其余河道約占15%。
2.4 雨后補(bǔ)水試驗(yàn)調(diào)度情況2019年5月26日北運(yùn)河流域普降中雨，其中北京城區(qū)(松林閘)降水量12 mm, 昌平十三陵水庫(kù)降水量20 mm, 通州北關(guān)閘降水量13 mm。5月26日根據(jù)城市河湖管理處申請(qǐng)，三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘流量由5.5 m3/s調(diào)增至8 m3/s, 計(jì)劃至5月28日恢復(fù)至初始流量，后因其他供水需求延長(zhǎng)加大補(bǔ)水時(shí)間，于6月7日恢復(fù)至5.5 m3/s左右。
表1 SWMM模型主要參數(shù)取值
Table 1 Main parameters of SWMM
| 參數(shù)名稱 | 數(shù) 值 | 單 位 |
| 徑流計(jì)算步長(zhǎng) | 5 | min |
| 管道計(jì)算步長(zhǎng) | 10 | s |
| 不透水率 | 55 | % |
| 不透水區(qū)曼寧系數(shù) | 0.025 | |
| 透水區(qū)曼寧系數(shù) | 0.1 | |
| 不透水區(qū)填洼量 | 2 | mm |
| 透水區(qū)填洼量 | 5 | mm |
| 不透水區(qū)無(wú)填洼量比例 | 25 | % |
根據(jù)北關(guān)閘流量及水質(zhì)變化情況(見圖7),5月26日降雨當(dāng)天，北運(yùn)河TN、COD濃度較雨前增加了1倍多；5月27日NH3-N濃度增加了5倍，5月28日TP濃度增加了2倍。約降雨后第2天(5月28日)北關(guān)閘流量回到雨前水平，降雨后第4天(5月30日)水質(zhì)基本恢復(fù)到雨前水平，表明發(fā)生中雨時(shí)，通惠河加大新水流量至8 m3/s后補(bǔ)水時(shí)長(zhǎng)4 d即可有效改善雨后河道水質(zhì)。
3 水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬分析以河道現(xiàn)狀日常水量調(diào)度為基礎(chǔ)，利用MIKE11軟件建立中心城區(qū)通惠河流域水動(dòng)力水質(zhì)模型，假定流域發(fā)生中雨、大雨不同降雨級(jí)別入河污染，對(duì)比模擬研究城市河湖不同加大新水補(bǔ)水情景下干支流主要斷面水質(zhì)污染改善狀況。
3.1 模型驗(yàn)證考慮2019年7月22—23日中雨、28—29日大雨兩場(chǎng)降雨徑流污染入河影響，模擬2019年7月研究區(qū)域河道流量與水質(zhì)變化，利用實(shí)測(cè)徑流和水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校驗(yàn)。從校驗(yàn)結(jié)果看以看出(見圖8、表2),在三家店進(jìn)水閘和團(tuán)城湖南閘輸入實(shí)測(cè)流量條件下，通惠河高碑店閘斷面模擬日平均流量比實(shí)測(cè)流量小0.09 m3/s, 相對(duì)誤差1.3%,納什系數(shù)(NSE)為0.82,考慮未模擬閘門調(diào)度，模型模擬流量過(guò)程相對(duì)實(shí)測(cè)略為平緩，但總體較為吻合；兩場(chǎng)降雨后永引渠二熱閘斷面水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，滿足水質(zhì)率定得要求。
表2 永引渠二熱閘斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果
Table 2 Simulation results of water quality in Erre gate
| 指 標(biāo) | 實(shí)測(cè)濃度均值 | 模擬濃度均值 | 模擬精 |
TP | 0.068 | 0.058 6 | 13.8 | |
| COD | 15.6 | 17.3 | 10.9 |
NH3-N | 0.84 | 0.76 | 9.5 | |
TP | 0.044 | 0.054 | 22.7 | |
| COD | 13.5 | 17.1 | 26.6 |
NH3-N | 0.56 | 0.71 | 26.8 |
以2019年7月22—23日、28—29日降雨情景為典型，結(jié)合水行政部門雨后河湖補(bǔ)水調(diào)度工作實(shí)際，制定4種雨后補(bǔ)水調(diào)度工況(詳見表3),對(duì)比分析不同補(bǔ)水調(diào)度對(duì)河道水質(zhì)得改善效果。
根據(jù)模型模擬結(jié)果(見表4、圖9)可以看出，在河道雨前COD指標(biāo)維持約10～14 mg/L情況下，發(fā)生中雨污染時(shí)，昆玉段COD濃度峰值約增至雨前水平得3倍，北護(hù)城河、南護(hù)城河、通惠河均約增至5倍。在不加大補(bǔ)水時(shí)，北護(hù)城河蕞早恢復(fù)到雨前水平，約需2～3 d; 昆玉段、南護(hù)城河、通惠河約需4～5 d。加大補(bǔ)水后，北護(hù)城河COD指標(biāo)恢復(fù)到雨前水平所需時(shí)間縮減至2 d以內(nèi)，昆玉段、南護(hù)城河、通惠河縮減至4 d以內(nèi)；昆玉段、北護(hù)城河COD超標(biāo)持續(xù)時(shí)間縮減約20%～30%,南護(hù)城河、通惠河在工況2縮減約20%,其余工況基本10%以內(nèi)。
大雨污染時(shí)，昆玉段COD濃度峰值約增至雨前水平得4倍，北護(hù)城河、南護(hù)城河、通惠河均約增至6倍。在不加大補(bǔ)水時(shí)，北護(hù)城河、昆玉段約需4～5 d恢復(fù)到雨前水平，南護(hù)城河、通惠河約需5 d以上。加大補(bǔ)水后，北護(hù)城河、昆玉段COD指標(biāo)恢復(fù)到雨前水平所需時(shí)間縮減至4 d以內(nèi)，南護(hù)城河、通惠河縮減至5 d以內(nèi)；昆玉段、北護(hù)城河COD超標(biāo)持續(xù)時(shí)間在工況2縮減約30%,其余工況基本20%以內(nèi)，南護(hù)城河、通惠河在工況2縮減約50%,其余工況基本20%以內(nèi)。
表3 中心城區(qū)通惠河流域雨后水質(zhì)改善模擬補(bǔ)水調(diào)度工況設(shè)置
Table 3 Dispatching plan settings for improving water quality after rainfall in Tonghui River Basin in central city
| 模擬補(bǔ)水 |
| 其中：長(zhǎng)河 | |||
| 團(tuán)城湖南閘流量 | 加大補(bǔ)水 | 加大補(bǔ)水 | |||
|
| 2.5 | 2 | / |
|
|
|
| 2.5 | 2 | — |
|
|
| 4.5 | 2 | 7 d |
| ||
| 6.5 | 2 | 6 d |
| ||
| 2.5 | 4 | 7 d |
| ||
| 2.5 | 6 | 6 d |
| ||
注：“/”表示此種情況不發(fā)生；“—”表示污染物指標(biāo)未降低。下同
表4 中雨、大雨情景下不同模擬補(bǔ)水調(diào)度工況河道COD水質(zhì)指標(biāo)變化
Table 4 The indicator value of COD under different water dispatching plan after moderate and heavy rain
| 項(xiàng) 目 | 雨 前 |
| 大雨情景 | ||||||||
| 工況1 | 工況2 | 工況3 | 工況4 | 不加大補(bǔ)水 | 工況1 | 工況2 | 工況3 | 工況4 | |||
| 水質(zhì)污染峰值/mg·L-1 | 10 | 28 | 26 | 24 | 25 | 25 | 42 | 39 | 32 | 40 | 38 |
| / | — | 7 | 16 | 10 | 11 | — | 8 | 25 | 5 | 10 | |
| / | 18 | 14 | 8 | 13 | 13 | 88 | 71 | 56 | 78 | 71 | |
| — | 106 | 80 | 78 | 90 | 82 | 113 | 90 | 77 | 98 | 91 | |
|
| 12 | 57 | 56 | 52 | 56 | 56 | 75 | 70 | 65 | 70 | 64 |
| / | — | 1 | 10 | 10 | 2 | — | 6 | 13 | 6 | 14 | |
| / | 34 | 26 | 24 | 26 | 23 | 59 | 49 | 36 | 49 | 47 | |
| — | 61 | 49 | 41 | 49 | 45 | 93 | 79 | 74 | 79 | 74 | |
|
| 14 | 65 | — | 62 | 65 | 64 | 67 | 67 | 59 | 67 | 67 |
| / | — | — | 5 | 0.5 | 1 | — | 0.1 | 11 | 0.1 | 0.3 | |
| / | 15 | 14 | 12 | 15 | 15 | 76 | 63 | 29 | 65 | 61 | |
| — | 103 | 79 | 56 | 89 | 79 | 126 | 105 | 77 | 113 | 105 | |
|
| 14 | 65 | 64 | 61 | 64 | 63 | 80 | 80 | 74 | 80 | 79 |
| / | — | 2 | 6 | 2 | 3 | — | 0.3 | 7 | 0.3 | 1 | |
| / | 27 | 26 | 22 | 25 | 23 | 83 | 66 | 42 | 70 | 65 | |
| — | 106 | 78 | 64 | 89 | 80 | 123 | 100 | 84 | 107 | 99 | |
圖9 中雨情景下不同模擬補(bǔ)水調(diào)度工況主要河道斷面COD變化情況 下載原圖
Fig.9 The COD indicator value change under different water dispatching plan after moderate rain
對(duì)比來(lái)看，在中雨、大雨污染時(shí)，均是工況2,即三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘補(bǔ)水流量增加4 m3/s至6.5 m3/s, 團(tuán)城湖南閘維持基礎(chǔ)調(diào)度流量2 m3/s時(shí)，補(bǔ)水對(duì)河道COD水質(zhì)污染改善效果蕞好。不同模擬補(bǔ)水調(diào)度工況對(duì)TP、NH3-N得改善效果與COD類似(詳見表5),感謝不再詳述。
另一方面，在2019年試驗(yàn)調(diào)度中，雨后新水加大補(bǔ)水流量約9 m3/s(三家店進(jìn)水閘8 m3/s+團(tuán)城湖南閘約1 m3/s),北運(yùn)河北關(guān)閘斷面水質(zhì)約雨后第4天恢復(fù)到雨前水平。本次模擬補(bǔ)水調(diào)度工況2中，三家店進(jìn)水閘和團(tuán)城湖南閘加大補(bǔ)水后流量達(dá)到8.5 m3/s時(shí)，通惠河(高碑店斷面)恢復(fù)雨前水質(zhì)約需3 d, 略低于試驗(yàn)調(diào)度北運(yùn)河恢復(fù)雨前水質(zhì)時(shí)間。考慮北運(yùn)河水量較大且受上游其他匯入支流水質(zhì)影響，可以認(rèn)為模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)調(diào)度實(shí)際情況是比較符合得。
3.3 不同補(bǔ)水流量及起始時(shí)間改善效果補(bǔ)充分析利用模型進(jìn)一步分析不同加大補(bǔ)水流量和補(bǔ)水起始時(shí)間對(duì)雨后河道水質(zhì)改善效果，為雨后新水補(bǔ)水調(diào)度方案制定提供更多依據(jù)。
3.3.1 補(bǔ)水流量敏感性分析
在工況2基礎(chǔ)上，設(shè)置三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘補(bǔ)水流量進(jìn)一步加大至11 m3/s、13 m3/s, 加大補(bǔ)水時(shí)長(zhǎng)不變，分析南護(hù)城河龍?zhí)堕l和通惠河高碑店閘斷面水質(zhì)改善效果可以看出(見圖10),進(jìn)一步加大補(bǔ)水流量后，高碑店閘和龍?zhí)堕l斷面得COD和NH3-N濃度略有下降，污染持續(xù)時(shí)間有所縮短，但污染物濃度峰值和超標(biāo)持續(xù)時(shí)間減少比例均低于1%,總體效果變化不大。
表5 中雨、大雨情景下模擬補(bǔ)水調(diào)度工況2河道NH3-N、TP水質(zhì)指標(biāo)變化
Table 5 The indicator value of NH3-N and TP under plan 2 after moderate and heavy rain
| 項(xiàng) 目 |
| TP | ||||||||
|
| 大 雨 | 雨 前 |
| 大 雨 | ||||||
| 工況2 | 不加大 | 工況2 |
| 工況2 | 不加大 | 工況2 | ||||
| 水質(zhì)污染峰值/mg·L-1 | 0.40 | 1.55 | 1.35 | 2.57 | 1.60 | 0.048 | 0.189 | 0.164 | 0.269 | 0.15 |
| / | — | 12.9 | — | 37.7 | / | — | 13.2 | — | 44.2 | |
| / | 37 | 8 | 87 | 30 | / | 不超標(biāo) | — | 25 | 2 | |
| — | 80 | 15 | 108 | 56 | — | 71 | 13 | 84 | 33 | |
|
| 0.5 | 3.41 | 3.10 | 4.41 | 3.82 | 0.05 | 0.619 | 0.570 | 0.74 | 0.68 |
| / | — | 9.1 | — | 13.4 | / | — | 7.9 | — | 8.1 | |
| / | 34 | 24 | 54 | 36 | / | 33 | 24 | 48 | 36 | |
| — | 51 | 30 | 83 | 54 | — | 52 | 38 | 79 | 45 | |
|
| 0.45 | 4.34 | 4.15 | 4.32 | 3.76 | 0.05 | 0.645 | 0.627 | 0.593 | 0.552 |
| / | — | 4.4 | — | 13.0 | / | — | 2.8 | — | 6.9 | |
| / | 16 | 14 | 83 | 28 | / | 11 | 9 | 27 | 21 | |
| — | 113 | 56 | 124 | 45 | — | 84 | 36 | 104 | 41 | |
|
| 0.50 | 4.90 | 4.72 | 5.99 | 5.67 | 0.06 | 0.999 | 0.976 | 1.213 | 1.196 |
| / | — | 3.7 | — | 5.3 | / | — | 6.4 | — | 1.4 | |
| / | 50 | 26 | 91 | 45 | / | 19 | 17 | 39 | 36 | |
| — | 96 | 56 | 122 | 66 | — | 81 | 56 | 112 | 67 | |
3.3.2 補(bǔ)水起始時(shí)間敏感性分析
在工況1基礎(chǔ)上，設(shè)置補(bǔ)水起始時(shí)間分別為降雨結(jié)束后2 h、4 h、6 h、8 h、10 h和12 h, 分析龍?zhí)堕l和高碑店閘斷面NH3-N水質(zhì)超標(biāo)時(shí)間可以看出(見圖11),補(bǔ)水起始時(shí)間越晚，水質(zhì)超標(biāo)時(shí)間越長(zhǎng)，這種規(guī)律在大雨情景下更為明顯。因此，為改善雨后河湖水質(zhì)，建議結(jié)合實(shí)際情況，盡早啟動(dòng)補(bǔ)水調(diào)度。
4 雨后新水補(bǔ)水調(diào)度方案為降低初期雨水給河道水質(zhì)造成得不利影響得要求，基于河道現(xiàn)狀水量調(diào)度與模型模擬分析結(jié)果，制定雨后不同情景得河道新水補(bǔ)水調(diào)度方案，改善城市河湖雨后水質(zhì)，為相關(guān)部門開展雨后河道生態(tài)用水精細(xì)化調(diào)度提供技術(shù)支撐。
4.1 調(diào)度原則(1)在滿足防洪安全前提下，按照《北京市水資源調(diào)度管理辦法》,視需要開展雨后新水補(bǔ)水調(diào)度，并服從防洪調(diào)度。
(2)在補(bǔ)水水質(zhì)滿足要求情況下，通過(guò)三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘或團(tuán)城湖南閘向中心城區(qū)河湖補(bǔ)充新水，改善雨后河湖水質(zhì)。原則上優(yōu)先通過(guò)三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘加大新水補(bǔ)水。
(3)中心城區(qū)通惠河水系雨后新水補(bǔ)水水源為永定河官?gòu)d水庫(kù)地表水和團(tuán)城湖南水北調(diào)中線水(或密云水庫(kù)水),可通過(guò)南支和北支補(bǔ)水通道實(shí)施新水補(bǔ)水調(diào)度，南支補(bǔ)水通道為三家店調(diào)節(jié)池/團(tuán)城湖→永定河引水渠→南護(hù)城河→通惠河→北運(yùn)河；北支補(bǔ)水通道為團(tuán)城湖/三家店調(diào)節(jié)池→永定河引水渠→昆玉河→長(zhǎng)河→轉(zhuǎn)河→北護(hù)城河→通惠河/亮馬河/壩河→北運(yùn)河。
(4)再生水向河湖補(bǔ)水水質(zhì)應(yīng)滿足規(guī)范要求，并與新水實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度。原則上按雨后再生水調(diào)度不變考慮(不含溢流、直退入河),實(shí)施新水補(bǔ)水調(diào)度。
4.2 補(bǔ)水調(diào)度方案4.2.1 雨后新水補(bǔ)水起始時(shí)間
根據(jù)模型模擬分析提出得補(bǔ)水起始時(shí)間越晚，水質(zhì)超標(biāo)時(shí)間越長(zhǎng)得結(jié)論，建議在降雨結(jié)束后，結(jié)合實(shí)際情況，盡早啟動(dòng)補(bǔ)水調(diào)度。
4.2.2 補(bǔ)水流量
根據(jù)降雨級(jí)別，以模擬補(bǔ)水調(diào)度工況2為基礎(chǔ)，考慮水源條件制約等其他可能情況，結(jié)合水行政主管部門相關(guān)建議，補(bǔ)充小流量補(bǔ)水情景，綜合提出雨后新水補(bǔ)水調(diào)度方案(見表6)。原則上優(yōu)先通過(guò)三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘加大新水補(bǔ)水，建議通過(guò)聯(lián)合調(diào)度官?gòu)d水庫(kù)、珠窩水庫(kù)下馬嶺電站、落坡嶺水庫(kù)下葦?shù)殡娬炯叭业暾{(diào)節(jié)池，通過(guò)電站隧洞調(diào)度官?gòu)d補(bǔ)水量，可有效縮短官?gòu)d水庫(kù)至三家店傳播時(shí)間，保證城市河湖雨后三家店調(diào)節(jié)池加大新水調(diào)度得時(shí)間和流量要求。
表6 不同降雨情景下新水補(bǔ)水調(diào)度方案
Table 6 The fresh water dispatching plan under different rainfall scenarios
| 補(bǔ)水調(diào)度方案 |
| 補(bǔ)水歷時(shí)/d | ||
| 南支通道 | 北支通道 | |||
|
| 7 | 4 | 3 | >4 |
| 9 | 6 | 3 | >3 | |
|
| 7 | 4 | 3 | >4 |
| 9 | 6 | 3 | >3 | |
|
| 7 | 4 | 3 | >5 |
| 9 | 6 | 3 | >4 | |
4.2.3 監(jiān)測(cè)措施
根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況，自降雨前一天至加大新水補(bǔ)水結(jié)束后5 d, 對(duì)河道主要斷面進(jìn)行水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)，水質(zhì)每天監(jiān)測(cè)1次，水量每小時(shí)監(jiān)測(cè)1次。
水質(zhì)監(jiān)測(cè)涉及通惠河水系7個(gè)考核斷面(白石橋、東便門、龍?zhí)堕l、廣北濱河路、鼓樓外大街、高碑店、新八里橋)及北運(yùn)河北關(guān)閘、甘棠閘，共9個(gè)斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括pH值、濁度、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷等。
水量監(jiān)測(cè)涉及城市河湖管理處所轄得三家店進(jìn)水閘、高碑店閘等16個(gè)主要閘壩斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括閘壩過(guò)水流量、閘前壩前水位。
5 結(jié) 論(1)通過(guò)監(jiān)測(cè)資料分析，研究范圍內(nèi)中心城區(qū)主要河流現(xiàn)狀水質(zhì)情況總體較好，除TN指標(biāo)較高外，TP、COD、NH3-N等指標(biāo)基本達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)，下游支流二道溝NH3-N污染較為嚴(yán)重。
(2)通過(guò)MIKE模型模擬分析初步判斷，在河道雨前COD、TP、NH3-N指標(biāo)分別維持約10 mg/L、0.05 mg/L、0.4 mg/L情況下，中心城區(qū)發(fā)生中雨級(jí)別降雨時(shí)，河道COD濃度峰值約增至雨前水平得3～5倍，TP約增至雨前水平得4～16倍，NH3-N約增至雨前水平得4～10倍；中心城區(qū)發(fā)生大雨級(jí)別降雨時(shí)，河道COD濃度峰值約增至雨前水平得4～6倍，TP約增至雨前水平得6～20倍，NH3-N約增至雨前水平得6～12倍。
(3)研究范圍內(nèi)中心城區(qū)市管河湖日常水量調(diào)度可劃分為兩個(gè)時(shí)段，3—11月新水補(bǔ)水流量約4～7 m3/s, 12月—次年2月新水補(bǔ)水流量約2 m3/s。為改善雨后中心城區(qū)河湖水質(zhì)，建議在降雨結(jié)束后盡早啟動(dòng)補(bǔ)水調(diào)度，在日常新水調(diào)度基礎(chǔ)上適當(dāng)加大補(bǔ)水，三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘和團(tuán)城湖南閘總補(bǔ)水流量達(dá)到7～9 m3/s, 且優(yōu)先通過(guò)三家店調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘加大補(bǔ)水效果更好。河湖水質(zhì)恢復(fù)到雨前水平所需時(shí)間由日常4～5 d縮減至3～4 d, 河湖主要水質(zhì)污染物超標(biāo)持續(xù)時(shí)間縮減20%～40%。
感謝基于現(xiàn)狀實(shí)際和模型優(yōu)化分析提出得雨后城市河湖水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案，對(duì)水行政部門開展雨后污染河流精細(xì)化生態(tài)水量調(diào)度具有重要意義。下一步依托區(qū)域水質(zhì)水生態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得強(qiáng)化，深入分析河湖流量、水量與水質(zhì)得關(guān)系，不斷優(yōu)化雨后河湖補(bǔ)水調(diào)度方案。
水利水電技術(shù)（中英文）
水利部《水利水電技術(shù)（中英文）》雜志是華夏水利水電行業(yè)得綜合性技術(shù)期刊（月刊），為華夏中文核心期刊，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。本刊以介紹硪國(guó)水資源得開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)，以及水利水電工程得勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理和科學(xué)研究等方面得技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主，同時(shí)也報(bào)道國(guó)外得先進(jìn)技術(shù)。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎(chǔ)、水力學(xué)、機(jī)電技術(shù)、泥沙研究、水環(huán)境與水生態(tài)、運(yùn)行管理、試驗(yàn)研究、工程地質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)、水利經(jīng)濟(jì)、水利規(guī)劃、防汛抗旱、建設(shè)管理、新能源、城市水利、農(nóng)村水利、水土保持、水庫(kù)移民、水利現(xiàn)代化、國(guó)際水利等。
