1 概述

吴江市近年来经济发展迅速，但是随着经济的快速发展，对水环境的压力逐年增加。水环境质量的改善除了截污治污外，在有条件的地区，采用水利工程引清水改善水环境也是一种见效快、效果明显的方法。吴江市地处沿太湖地区，有良好的引水条件，但目前在引水改善城区水环境方面存在两大问题：一是吴江市目前没有自己控制的引水通道，必须考虑开辟一条能自行控制的引清通道，本文在拟定引清通道的基础上，对引清通道改善水环境效果进行计算分析，论证拟定引清通道改善水环境的可行性；二是目前吴江市改善城区水环境的主要引清通道为牛腰泾河，引水时对城区南部部分地区起不到应有的改善作用，且南部城区水系连通性稍差，有必要实施新开河道及拓浚等涉水工程，本文通过比较工程实施前后引水改善城区水环境的效果，论证实施后引水将会比较明显的改善现状滞水区水环境现状。

2 吴江河网区水环境数学模型建立

2.1 水量水质基本方程

2.1.1水量基本方程

水量计算的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）为未知变量，并补充考虑了漫滩和旁侧入流的完全形式圣维南方程组为：

式中：

Z—水位；

Q—流量；

K—流量模数；

q—单位河长旁侧入流；

A—主槽过水断面面积；

g—重力加速度；

x—沿水流方向距离；

t—时间；

BT—调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽。采用Preissman 四点隐式差分格式离散方程组。

2.1.2水质基本方程

河网对流传输移动问题的基本方程表达如下：

式（3）是河道方程，式（4）是河道叉点方程。式中：

Q、Z—流量及水位；

A—河道面积；

Ex—纵向分散系数；

C—水流输送的物质浓度；

Ω—河道叉点—节点的水面面积；

j—节点编号；

I—与节点j 相联接的河道编号；

Sc—与输送物质浓度有关的衰减项，例如可写为Sc＝Kd AC，Kd是衰减因子；

S—外部的源或汇项。

对时间项采用向前差分，对流项采用上风格式，扩散项采用中心差分格式。

2.2 水量水质模型的率定

2.2.1原型调水试验

2010 年5 月26～27 日在吴江进行一次连续36 h 的原型调水试验，主要监测项目为水位、流量、水质监测断面的COD 和NH3—N 等。在吴江城区内设监测断面共有20 个，流量监测断面共有5 个，水质监测断面共有20 个，观测点位置见图1。监测频率为：

第一天：

1. 预降水位前，9 ∶ 00 监测所有20 个断面水质，共1 次；

2. 水位预降后，16 ∶00 监测所有20 个断面水质，共1 次；

第二天：

1. 9 ∶00、11 ∶00、12 ∶30 分别监测1 次，共3 次，其中水文水质同步监测的断面有：1、4、6、8、9，其他15 个断面仅进行水质监测。

2. 15 ∶00、17 ∶00 分别监测1 次，共2 次，其中水文水质同步监测的断面有：1、11、13、15、16，其他15 个断面仅进行水质监测。

共进行7 次×20 个断面的水质监测；5 次×5 个断面的水文监测。

将吴江城区河网概化为44 条河道，20 个节点，外边界12 个，计算断面88 个。

2.2.2模型参数率定

引水实验前2 d 关闭沿太湖涵闸，实验起始状态为水流静止，各处水位相同。水位边界条件采用开闸引水前实测值，水质边界条件采用边界断面各时段水质实测值。利用调水实验的实测数据进行计算，调整各参数，使各监测点的水量水质模型计算值与实测值基本吻合。水量率定得到的河道糙率值为0.02～0.04。在水质模型率定中，根据试验区的资料，在模型中加入企业污水和生活废水的点污染源，率定得到的水质（COD）日降解系数为0.08～0.15，水质（NH3—N）日降解系数为0.08～0.20。纵向扩散系数取2.5 m3 / s。

图1 调水试验区域示意图

2.2.3率定成果

主要测点水量水质率定成果见

图2～图5。从图2～图5 可以看出：各断面水量水质模型的计算值与实测值吻合较好，水量模型平均相对误差为4.0%，水质模型平均相对误差为20.6%，说明该模型可用于描述实验区域水量水质的变化过程。对于本实验区域的水环境改善方案，可用该模型进行分析计算，为复杂河网区的引水调度提供技术保证。

图2 断面4 流量率定图

图3 断面8 流量率定图

图4 断面6 水质率定图

图5 断面9 水质率定图

3 吴江河网区水环境数学模型建立

3.1 牛腰泾引清通道开辟对城区水环境改善分析

城区主要由牛腰泾闸从东太湖调水入城，引水水量分别取10 m3 /s，15 m3 /s，20 m3 /s，25 m3 /s，水文计算条件同原型调水试验，水质边界污染物浓度分别取调水试验前实测初始质量浓度值。开辟牛腰泾引清通道，不同引水量时城区各主要断面水质情况见图6。

图6 城区主要断面不同引水量水质改善对比

从图中可以看出：从牛腰泾引东太湖水对松陵城区水质有较大改善。引水水量在10 m3/s、15 m3/s、20 m3 /s、25m3/s 时COD 平均改善程度分别37.3%、53.6%、63.2%、64.6%，其中主要过水河道西塘河（断面8）、大江河（断面9）、工农路河（断面11）及牛腰泾河（断面16）在引水水量为20 m3 /s 时的改善程度高达70%以上。但在上述滞水区断面（断面19、20）的改善率并不高，如宾馆河（断面19）在各流量情况时的改善率分别为23.8%、38.1%、42.9%、47.6%。

从各种流量方案的计算水质改善效果，推荐引水量为20 m3/s。为保证城区在不进行水位预降情况下进行引水，建议新建设计流量为20 m3 /s的牛腰泾泵站。

3.2 水利工程及河道功能改变对水环境改善分析

为改善现状城区滞水区引水改善水质效率，通过吴家港闸的控制，将吴家港由圩外河道改为圩内河道，取消内闸，并沟通水厂河与吴家港河，以改善现状滞水区的水系连通性；拓浚大庙港、翁家堂港，增加滞水区引水量。

各工程实施后水文计算条件同原型调水试验，水质边界污染物浓度取调水试验前实测初始浓度值。工程实施前后现状滞水区水质情况见图7。

图7 滞水区主要断面工程实施前后水质改善对比图

从图7 可以看出，上述工程实施后，滞水区COD 的平均改善程度达53.9%，其中与大庙港、翁家堂港直接相连接的梅里河（断面20）改善程度高达70.0%。

4 结论和建议

通过2010 年5 月26～27 日的调水实验监测，对模型进行率定，从率定成果可以看出：各断面的水量水质模型计算值与实测值吻合较好，相对误差在1%～20%左右，说明该模型可用于描述吴江河网区的水量水质变化过程。利用此模型对引水改善吴江市城区水环境方案进行分析计算，从计算结果可以看出：新建牛腰泾泵站，开辟牛腰泾引清通道可提高引水效率，提高引水改善城区水环境的效果，并且引水水量在20～25 m3 /s 时的引水方案最为可行，COD 的平均改善程度为63.2%；城区滞水区实施相应涉水工程后引水水质COD 平均改善程度提高了55.3%。