一种面向平原城市河网水环境改善的水动力调控阈值确定方法与流程

本发明涉及水利工程领域中的水动力调控理论，特别涉及一种面向平原城市河网水环境改善的水动力调控阈值确定方法。

背景技术：

平原城市经济发达、人口密集、城镇化率高，地势低平、河网密布、水动力条件弱。近年来，我国正处于社会经济高速发展的时期，入河污染负荷持续增强，城市河道被挤占、河网分割、水系畅通性差，控源截污不到位、水环境保护措施建设滞后，导致平原城市河网水环境污染问题日趋严重。根据近几年《水环境质量公报》，我国城市中心区大部分河道属于ⅴ类和劣ⅴ类，水功能区达标率低，城市河网水环境承载能力不足已经成为制约经济社会可持续发展和宜居环境的瓶颈之一，改善城市河网水环境迫在眉睫。

城市水环境治理是一个综合系统的工程，包括控源截污、清淤疏浚、河道整治、水系连通、动力调控、强化净化、生态修复等城市水环境综合治理措施。其中，水动力调控是改善平原城市河网水环境的“灵魂”，能够调节河道水体置换时间、改善水动力条件、提升河流溶解氧水平、提高水体自净能力，科学有效地增加城市水资源量，提高水环境承载力，使有限的水资源发挥更大的效益，目前，水动力调控已成为河道水质改善和长效维持不可或缺的重要措施之一。

近几年，在平原城市河网区，特别是太湖流域多个城市实施了水动力调控工程，大幅提升了区域河道水体流动性，改善了部分城市的水环境，但是，由于目前水动力调控改善水环境的基础理论不够完善，缺乏指导水环境改善的水动力调控阈值，目前大多数平原城市选用水动力调控方法改善水环境时，将河道流速调节到多大合理、如何调控河道流速，往往都采取试探方式，或者根据经验判断，经常导致河道流速忽高忽低，流向反复变化，水资源利用率不高，水环境改善效果不好。因此，为确定平原河网水动力调控中合理的水动力条件，为更科学高效地利用有限的水资源改善平原城市水环境，急需开展水动力-水质调控阈值确定方法研究，本研究成果将对平原城市水动力调控的实际应用具有重要的指导意义。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对平原城市水动力调控改善水环境理论研究的不足，考虑在动力调控中易引起的底泥内源污染释放这一重要因素，并从保障城市水环境的角度，提出改善平原城市水环境的水动力调控阈值确定方法。

技术方案：一种面向平原城市河网水环境改善的水动力调控阈值确定方法，包括以下步骤：

步骤1、在城市河道内采集新鲜底泥和河水水样；

步骤2、建立数学模型；

步骤3、将该切应力作为中间变量，建立室内试验中的扰动转速与野外天然河道表面流速之间的相关关系；

步骤4、获取实际河道表面流速与上覆水水质指标浓度间的响应关系；

步骤5、按照水环境容量计算的理论，根据水质本底值与目标水质，确定水动力调控改善水环境中的流速下限阈值；

步骤6、在步骤5的基础上代入河道进口断面水流流速值、进口和出口断面的水深值，计算得出能够保证河道水质的流速下限阈值。

在进一步的实施例中，步骤1进一步包括：将采样得到的样本避光密封保存并带回实验室进行试验，模拟分析不同水动力条件下的底泥释放与吸附规律，根据试验结果，得到促使底泥快速释放的扰动转速。

在进一步的实施例中，步骤2进一步包括：计算不同扰动强度条件下圆筒试验装置中的流场，提取泥水界面的流速数据，采用切应力计算公式，计算得到装置中泥-水界面的切应力：

式中，τ为切应力，n/m²；u为流速，m/s；y为水深，m；μ为水的动力粘度。

在进一步的实施例中，步骤3进一步包括：采用对数流速分布公式计算实际不同水深河道的表面流速：

式中，u为流速，m/s；u*为摩阻流速，m/s；y为水深，m；δ为绝对粗糙度，mm；ρ为水的密度；τ为河道底部切应力，n/m²。

在进一步的实施例中，步骤4进一步包括：基于扰动转速与野外天然河道表面流速之间的相关关系和试验中上覆水水质浓度变化，得到实际河道表面流速与上覆水水质指标浓度间的响应关系，以水质变化拐点处的流速作为平原城市河网水动力调控的流速上限阈值。

在进一步的实施例中，步骤5进一步包括：选择总体达标法计算水环境容量，总体达标计算法采用零维模型进行水质计算，考虑点源污染、面源污染、直接入河的粉尘、底泥污染物的释放、河道水体的自净、水中植物对污染物的吸收等多种影响河道水质的因素，由污染物的质量守恒，得到以下公式：

式中，q上、c上分别为河道上游来水的流量(m³/s)以及水质浓度(mg/l)；w为水环境容量(mg/s)；q点、c点分别为入河点源污染的流量(m³/s)和污染物浓度(mg/l)；q面、c面分别为入河面源污染的流量(m³/s)和污染物浓度(mg/l)；f粉为直接入河粉尘所含污染物的质量函数；rs为底泥污染物的释放速率(mg/(m²*d))；l为河道长度(m)；b为河宽(m)；cs为河道出口断面的目标水质浓度(mg/l)；k为污染物降解系数(1/d)；v为河段内的水体体积(m³)；f植为水生植物吸收的污染物的质量函数，与光照、温度、植物种类、种植密度以及水深等因素有关。

在进一步的实施例中，步骤6进一步包括：设河道进口断面水流流速为u，进口和出口断面的水深分别为h1和h2，代入步骤5的公式中得：

上式化简得：

式中，若水环境容量w＝0，即该河道水体不再能够承受污染物的排放，此时的流速u为能够保证河道水质的流速下限阈值u小，即：

上式中，各符号含义同上。

有益效果：本发明根据发明提出的平原城市水动力调控阈值确定方法，可以判定平原城市实际水动力调控的合理流速范围，为改善水环境的水动力调控流速合理取值提供依据，提升水资源利用效率、提高水环境改善效果。

附图说明

图1为本发明的研究思路图。

图2为本发明水环境容量计算示意图。

图3为本发明试验装置示意图。

图4为本发明计算模型图。

图5为本发明模型计算网格图。

图6为本发明不同转速条件纵剖面流速分布图。

图7为本发明距轴线12cm位置沿水深方向流速分布图。

图8为本发明转速-流速相关关系图。

图9为本发明水质-水动力相关关系图。

图10.1为上覆水do浓度变化过程图。

图10.2为上覆水浊度变化图。

图10.3为试验第18天m点上覆水样对比照片。

图10.4为tp浓度和释放速率变化图。

图10.5为nh3-n浓度及释放速率变化图。

图10.6为tn浓度和释放速率变化图。

具体实施方式

申请人认为，目前大多数平原城市选用水动力调控方法改善水环境时，将河道流速调节到多大合理、如何调控河道流速，往往都采取试探方式，或者根据经验判断，经常导致河道流速忽高忽低，流向反复变化，水资源利用率不高，水环境改善效果不好。

为此，本发明基于泥水界面的临底流速与切应力作用机理，建立了扰动强度与实际河道表面流速的关系，提出了以抑制平原城市河道底泥快速释放为准则的水动力调控上限阈值范围；首次采用最小水环境容量理论，考虑河道沿程点源污染、面源污染、直接入河的粉尘污染、底泥污染物释放、河道水体自净、水生植物吸收等多种影响河道水质的因素，利用总体达标方法推导了改善城市水环境的水动力调控下限阈值计算公式。

下面通过具体实例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体说明。

一种面向平原城市河网水环境改善的水动力调控阈值确定方法，分为以下步骤：

步骤1，在城市河道内采集新鲜底泥和河水水样，避光密封保存并带回实验室进行室内试验。

本实例在典型平原城市苏州和常州分别采集底泥样四处(h、s、m及x点)，选用有机玻璃圆筒作为反应装置，反应器直径27cm，高50cm，有效容积28.6l。距离反应器上边缘5cm以下部分的侧面贴铝箔纸，模拟河道侧面的避光环境，使光线仅从上方照射，采用电动恒速搅拌器，型号jb60-sh，通过设置不同转速模拟不同的水动力条件，试验装置如图3所示。共设置六种工况，分别为转速100rpm、200rpm、300rpm、400rpm、500rpm以及静置组，为减少试验误差，每种工况设3个平行组，共18套装置同时试验。

试验分析了上覆水体浊度、do、tp、tn、nh3-n等水质指标的变化规律以及底泥对氮磷营养盐的吸附和释放规律，主要分析成果如下：

1)上覆水do变化规律

试验期间，h点、s点、m点和x点四种泥样的上覆水溶解氧浓度变化如图10.1所示，对比h点、s点、m点和x点四种泥样的上覆水do浓度，可以看出不同泥样do浓度随时间的变化规律类似，扰动工况与静置工况均存在一定差异。扰动工况条件，四种泥样的上覆水do浓度均随试验的进行而增大，并在扰动刚开始时，do浓度迅速增加，响应时间短，随着试验的进行，除s点的do浓度稍有下降外，其余点位均缓慢增加；静置工况条件，试验初期，do浓度均有不同程度的下降，后期缓慢上升并趋于稳定。上覆水do浓度主要与微生物活动有关，水体中的氧气为微生物的活动提供条件，影响微生物的有机物降解、矿化速率，污染较轻的河道水体耗氧量小，h点所在河道为景观河道，因此其静置工况的do浓度降幅较小。

另外，在整个试验期间，h点、s点、m点和x点四种泥样的上覆水do浓度均随扰动强度的增大而增加，统计结果也显示，四个底泥样本在五种扰动工况下的do浓度均与静置工况之间差异性极显著(p<0.01)，由此可见，扰动能够增加水体中的do浓度，流动水体中的do浓度明显高于静置水体，但扰动工况之间，扰动强度相差较大的工况之间具有显著性差异(p<0.05)，说明增大扰动强度对于提升水体do浓度是有益的。

2)上覆水浊度变化规律

试验期间，不同工况条件下四个采样点的上覆水浊度变化情况如图10.2所示。对比h点、s点、m点和x点上覆水浊度变化，可以发现，四种浊度随时间的变化趋势不完全相同，h点底泥样本在试验初期受扰动影响较大，颗粒迅速向上覆水悬浮，然后又逐渐下降，且该底泥颗粒粒径相对较大，容易碰撞凝聚成更大颗粒而沉降，而s点、m点和x点三种底泥在试验初期受突加扰动作用的影响小，在试验中后期由于其粒径相对小，当r>400rpm时，颗粒大量起悬，且小颗粒沉速较慢，因此，后期稳定时，其浊度比h点上覆水的浊度大，而且，h点、s点、m点和x点四种底泥的粒径大小关系为：h点>s点>x点>m点，粒径越小的颗粒越容易起悬，因此试验后期稳定时，浊度的大小关系应为：m点>x点>s点>h点，而本文的试验结果也显示出此种关系，说明本文的试验结果合理。另外，根据前文含水率监测成果，m点>x点>s点>h点，因此m点更容易悬浮，x点、s点次之，h点最不容易悬浮。

对比不同工况之间的浊度数值，可以看出，四种底泥试验的上覆水浊度随扰动强度的变化趋势相同，均随扰动强度的增大，浊度逐渐增大，且当转速r＝0～400rpm时，随着扰动强度的增大，四个点位上覆水浊度数值略有上升，增幅不明显，但当转速r＝500rpm时，浊度大幅增加，水体感官明显变差，h点、s点、m点和x点四个点位的500rmp工况时的上覆水浊度最大值比其他扰动工况分别增大约140ntu、270ntu、390ntu和200ntu，由此可见，引起上述四种底泥颗粒大量悬浮的临界扰动强度均介于400～500rpm之间。选取m点在试验后期各扰动强度工况的一个平行样，其上覆水感官状况如图10.3所示，可以看出，静置、100rpm、200rpm和300rpm工况的上覆水几乎清澈见底，400rpm工况有部分底泥颗粒悬浮，500rpm工况则有大量底泥颗粒悬浮，特别是m点，其500rpm工况的上覆水非常浑浊。

另外，统计结果显示，h点、s点、m点和x点四种底泥几乎每个扰动工况的浊度之间均具有显著性差异(p<0.05)，而且，大部分工况之间的差异性极显著(p<0.001)。由此可见，浊度是随扰动条件变化的敏感指标，随扰动强度的增大，浊度逐渐增大。

3)底泥对tp的吸附与释放规律

h点、s点、m点和x点上覆水tp浓度及tp释放速率随时间的变化如图10.4所示。对比各点不同工况之间的tp浓度和tp释放速率可以发现，静置和100～400rpm工况基本一致，由于底泥颗粒未大量起悬，此时底泥中可溶性磷是底泥释放磷的主要途径，tp浓度数值和变化趋势均无较大差异，但500rpm试验工况的tp浓度则明显高于其他组次，这是因为高速扰动的底泥颗粒再悬浮，导致了tp浓度的显著增加，国内外较多学者也研究表明，扰动悬浮引起的总磷增大，是因为悬浮颗粒态磷的增加。由此可见，与浊度分析成果类似，400～500rpm是本文选取的四种底泥上覆水tp变化的临界扰动强度。

h点、s点、m点和x点各点不同工况之间tp浓度的差异性分析统计结果表明，各点500rmp工况的上覆水tp浓度与其他工况间具有显著性差异(p<0.05)，但0～400rmp工况间的上覆水tp浓度不具有显著性差异。因此，tp是随扰动强度变化而改变的敏感指标，tp浓度随扰动强度的增大呈上升趋势，但较小的扰动条件对tp影响不显著，当扰动强度较大时，水体中的tp浓度则会显著增加。

4)底泥对nh3-n的吸附与释放规律

不同扰动工况上覆水nh3-n浓度及释放速率随时间的变化情况如图10.5所示。综合分析不同地点的nh3-n变化规律，可以发现，nh3-n浓度随时间呈先上升后下降或逐渐下降的趋势，不同采样点位由于初始浓度的不同，其变化规律也不尽相同，但对比同一时刻不同工况的nh3-n浓度变化规律，发现不同点位均相似，即随扰动强度增大，nh3-n浓度呈下降趋势，这是因为扰动强度越大，do浓度越高，硝化作用更迅速，因此，nh3-n下降速度越快，这也说明了增大扰动强度可以控制底泥中nh3-n污染物质的释放。另外，统计学结果显示，各点的静置工况或低扰动工况与高扰动工况的nh3-n浓度差异性极显著(p<0.01)，由此可见nh3-n是随扰动强度改变而变化的敏感指标，但只要稍增大扰动强度，增加受污染水体中的do浓度，达到降低水体的nh3-n指标浓度的效果，实现水质的改善。

5)底泥对tn的吸附与释放规律

h点、s点、m点和x点四种泥样的上覆水tn浓度和释放速率变化如图10.6所示。tn在底泥沉积物和上覆水中的迁移转化是一个动态过程，底泥间隙水和上覆水之间的tn浓度差有一定关系，当底泥间隙水的tn浓度高于上覆水时，表现出底泥向上覆水的释放过程，且浓度差越大，tn的释放量越大，但当上覆水中的tn浓度逐渐上升至一定数值时，又会发生底泥对上覆水中tn的吸附过程，这与以往的相关研究成果一致的。由于h点、s点、m点和x点四个点位的底泥和河道原水的tn浓度不同，其tn浓度和释放速率随时间变化规律不一致，但随扰动强度的变化幅度均不大，统计分析发现，各扰动工况之间的tn释放强度不具有显著性差异(p>0.05)，因此，tn随扰动强度变化不敏感。

步骤2，为了确定不同转速下试验装置中的流场分布特征，采用fluent软件进行模拟计算。根据圆筒中的水深和直径构建圆柱形三维模型(直径27cm，高40cm)，距离圆柱顶部以下5cm距离的中心位置布置十字形旋浆，旋浆的尺寸根据恒速电动搅拌器搅拌棒和底部十字形旋叶的实际尺寸设置，构建的模型如图4所示。采用非结构化网格划分方法对模型进行网格划分，划分的网格数量为287269，网格分布如图5所示。

本实例的研究对象是复杂的高速动边界，在桨叶周边区域存在高雷诺数的复杂湍流，为此选择标准k-ε模型作为湍流模型多参考坐标系处理桨叶动边界，根据相应的搅拌器转速，在桨叶边界及周边区域设置旋转参考坐标系，采用vof模型处理自由表面边界。将搅拌器转速r分别设置为100rpm、200rpm、300rpm、400rpm、500rpm五种工况分别进行数值模拟，各工况从旋桨下缘至圆筒底部的纵剖面流速分布如图6所示。计算结果显示，装置中心轴线位置流速较小，靠近壁面处流速较大，从装置轴线至壁面水流速度逐渐增大；由于装置中水流的螺旋运动，靠近底部中心轴线位置一定水深的水流流速接近于0；随着转速的增大，装置中水流的最大流速逐渐增大。

步骤3，试验装置中搅拌器促使水体旋转会产生离心力，易造成水体震荡，导致同一水平面的切应力不等，这种现象的形成也很显然，为此，为尽可能地规避旋转水体带来的切应力不均的问题，本文选用同一水平面的切应力平均值作为每种扰动工况最终的切应力计算结果，具体计算方法如下。

分别统计分析不同转速条件，距试验装置轴线0、1cm、2cm～13cm位置的速度垂向分布，例如，距轴线12cm位置的速度分布如图7所示。流体的切应力代表速度梯度的大小，由图7可见，不同转速条件，均为距泥-水交界面深度1cm以下的速度变化最大，1cm以上的速度基本恒定，因此，取距泥-水交界面深度1cm水深范围内、距试验装置中轴线不同位置的切应力的平均值作为每个扰动工况的切应力，切应力计算公式如下：

式中，τ为切应力，n/m²；u为流速，m/s；y为水深，m；μ为水的动力粘度，试验过程中的水温基本维持在15℃左右，因此这里取15℃时水的动力粘度1.197*10^-3pa·s。

不同转速的切应力如表1所示。

表1不同转速泥水界面切应力统计表

步骤3，将该切应力作为中间变量，采用对数流速分布公式计算实际不同水深河道的表面流速，建立室内试验中的扰动转速与野外天然河道表面流速之间的相关关系。

h点、s点、m点和x点四处底泥采样点位所在河道的河道平均水深分别约为2.5m、2.5m、2.0m和2.0m，利用对数流速分布公式即可计算水深分别为2.0m、2.5m的河道表面流速，如图8所示。

步骤4，基于图8中扰动转速与野外天然河道表面流速之间的相关关系和试验中上覆水水质浓度变化，得到h点、s点、m点和x点的上覆水浊度、do、tp和nh3-n四项敏感水质指标随流速的变化情况，如图9所示。

在上述四项水质指标中，do浓度随水流流速的增大而增加，nh3-n释放强度随水流流速的增大而减小，该两项指标的变化情况说明，增大流速对河道水质改善有益，一定程度上解释了“流水不腐”的科学道理，但浊度和tp释放强度的变化趋势则不同，均随水流流速的增大而增加，因此，从浊度和tp指标来说，增大流速会促进底泥悬浮，并向上覆水释放tp，对河道水环境带来不利影响，且h点、x点、m点和s点四个点位分析结果均发现u＝0.13～0.15m/s为临界流速范围，当u<0.13m/s时，浊度和tp释放的变化量不大，增幅不明显，可以忽略，但是当u>0.13～0.15m/s时，底泥快速悬浮，浊度显著增大，总磷释放量显著增加。由此可见，水动力调控中抑制底泥快速释放的流速上限阈值u大的范围为0.13～0.15m/s。

步骤5，按照水环境容量计算的理论，根据水质本底值与目标水质，确定水动力调控改善水环境中的流速下限阈值。

以苏州市平江河、临顿河为例，以nh3-n浓度达到iv类标准(cs＝1.5mg/l)为目标，计算分析其流速下限阈值。

如图2，选择总体达标法计算水环境容量，考虑点源污染、面源污染、直接入河的粉尘、底泥污染物的释放、河道水体的自净、水中植物对污染物的吸收等多种影响河道水质的因素。由污染物的质量守恒，得到以下公式：

步骤6，假设河道进口断面水流流速为u，进口和出口断面的水深分别为h1和h2，则：

化简得：

上式中，若水环境容量w＝0，即该河道水体不再能够承受污染物的排放，此时的流速u为能够保证河道水质的流速下限阈值u小，即：

平江河河道长度l＝2850m，平均河宽b＝9m，进出口断面水深取平江河的平均水深2.5m；引水浓度取西塘河2014-2017年平均nh3-n浓度(西塘河为苏州古城区的主要引水水源)，即c上＝0.85mg/l；平江河的点源污染由苏州市水利局提供，经调查，平江河沿线排放的nh3-n总浓度c点＝7.68mg/l，污水排放流量q点＝0.1m³/s；rs取前文四组底泥释放试验中nh3-n释放率最大值的平均值，为150mg/(m²*d)；k取文献中太湖流域nh3-n降解系数率定结果的平均值0.085d^-1；忽略粉尘和面源污染，且无植物净化作用。

将上述相关数据代入u小计算公式得，平江河的流速下限阈值u小＝0.04m/s，即在该条件下，当平江河流速高于0.04m/s时，才能保证该河道的nh3-n浓度达到iv类标准。

2)临顿河

临顿河河段长度l＝1600m，河宽b＝8m，水深h＝2.5m，调查污水浓度c点＝5.28mg/l，引水浓度c上＝0.85mg/l，rs取值与前文相同，150mg/(m²*d)，同样忽略粉尘和面源污染，且无植物净化作用。

根据步骤6中的公式得，临顿河的流速下限阈值u小＝0.03m/s。该条件下，当临顿河流速高于0.03m/s时，可保证该河道的nh3-n浓度达到iv类标准。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。