摘要：遏制水污染、改善水环境是上海临港海绵城市试点区系统化海绵城市建设方案的重要组成部分。利用MIKE21FM软件构建临港试点区二维水环境数学模型并进行参数率定，通过模型计算为水环境容量计算提供设计水文条件、水质降解系数等条件参数，采用公式法计算试点区河湖水系50%、90%保证率下的水环境容量，为试点区开展污染物总量控制，实现海绵城市建设水环境考核指标提供保障。
关键词：上海临港；海绵城市；数学模型；水环境容量
随着城市化建设的高速发展，上海市出现了城市内涝、面源污染、水环境功能退化等全国很多城市在雨水管理和水环境治理方面的共性问题，也进一步加剧了上海水质型缺水的问题，经济社会发展与生态环境保护的突出矛盾，使得传统的城市建设理念越来越受到质疑。
2013年12月，中央城镇化工作会议提出“建设自然渗透、自然积存、自然净化的海绵城市”建设理念，上海市政府以此为契机，深化认识、转变观念，积极推进全市海绵城市建设工作。
城市河湖水系是构成完整城市海绵体的骨架，具有囤积、调节、净化和循环利用功能，以上海临港海绵城市国家试点区为研究对象，开展河湖水系的水环境容量计算研究，是制定遏制水污染、改善水环境的总量控制方案的前提，是临港试点区系统化海绵城市建设方案的重要组成部分，对助力临港试点区海绵城市建设具有重要意义。
1 研究区域概况
1.1 临港试点区概况
临港试点区位于上海市东南角，地处长江口和杭州湾交汇处，东濒东海，正当我国南北海岸线的中部，临港试点区地理位置见图1。试点区范围包括临港城市行政、文化中心的主城区、产业发展聚集的国际物流园区、典型旧城镇芦潮港社区及临港森林（一期），总面积约79.08 km2。
《上海市海绵城市建设试点实施方案》中根据临港试点区不同区域的自然地形地貌、地物的集聚特点、自然和人工元素，将试点区划分为七个不同示范类型的片区，分别为①湖泊水体生态保护净化示范区、②商务街区海绵工程建设示范区、③生态廊道雨水滞蓄净化示范区、④已建城区海绵工程建设示范区、⑤新建城区海绵工程建设示范区、⑥新建城区海绵工程建设示范区、⑦老城区积水改造河道综合治理示范区。七个示范区位置分布见图2。
图1 试点区地理位置图 图2 试点区示范分区图
1.2 水系现状
试点区中，主城区已基本形成“一湖、四涟、七射”的格局，“一湖”为滴水湖，“四涟”为春、夏、秋、冬涟河，“七射”为赤风港、橙和港、黄日港、绿丽港、青祥港、蓝云港、紫飞港，河道呈网状分布，水流流向不定，流动性差。国际物流园区与芦潮港社区河道纵横分布，现状有庙港河、纵一河、纵二河等11条河道。临港森林河道一般呈东西向分布，现状有洋溢港、石皮泐港、石家港等6条河道。现状水系布局见图3。
1.3 水环境功能现状
根据《上海市水环境功能区划（2011年修订版）》，临港试点区中，人民塘随塘河及其以西河道属于Ⅴ类水质区，其余河道属于Ⅳ类水质区。主城区河道、湖泊近四年年均水质在Ⅲ~Ⅳ类，国际物流园区与芦潮港社区河道平均水质在Ⅳ-劣Ⅴ类，临港森林河道平均水质为Ⅳ类。
2 水环境数学模型构建及参数率定
采用MIKE21FM的水动力及对流扩散模块，构建临港试点区河湖水系的二维水动力水质模型，为计算水环境容量提供必要参数和条件。
2.1 模型基本原理
水动力模块的基本方程是基于数值解的二维浅水方程，即沿水深积分的不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes方程，并且服从布辛涅斯克(Boussinesq)和静水压力假设[1]：
（1）
（2）
（3）
式中：t为时间；x，y为右手Cartesian坐标系；η为表面水位，d为静止水深，h=η+d为总水深；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；f=2Ωsinφ为Coriolis参数（Ω是地球自转角速率，φ为地理纬度）；ρ为水的密度，ρ0则是参考水密度；pa为当地的大气压；(τsx，τsy)、(τbx，τby)分别为表面风和底部应力在x，y方向上的分量；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项；S为源汇项；(us，vs)为源汇项水流流速。
对流扩散模块的基本方程为描述污染物在水体中运动变化的对流扩散方程[2]：
（4）
式中：C为垂线平均浓度；Dx，Dy为x，y方向的扩散系数；KC为综合降解系数；s为源汇项。
2.2 水系概化及网格剖分
根据试点区现状水系分布情况，对主要河道、湖泊进行概化，采用非结构化的三角形网格对概化水系进行网格剖分，在网格剖分的基础上，根据实测河湖地形数据，采用自然邻域法进行插值，得到地形文件。概化后水系见图4。
图3 试点区现状水系示意图
图4 试点区概化水系图
2.3 模型参数率定
由于缺乏试点区内水位、流量等水动力监测资料，河道糙率根据相关研究经验，结合试点区河道状况，取0.025~0.03。在此基础上，选择污染因子CODCr、氨氮、TN、TP作为水质模拟对象，采用射河涟河2014年4月15日的实测水质资料对模型进行水质率定，得到CODCr降解系数取0.03~0.06 d-1，氨氮降解系数取0.02~0.04 d-1，TN降解系数取0.02~0.05 d-1，TP降解系数取0.01~0.03 d-1。
主要监测断面水质计算值与实测值对比见图5，相对误差见表1。结果表明水质计算值与实测值的相对误差在30%以内，吻合较好。
图5 监测断面水质计算值与实测值对比图
表1 监测断面水质计算值与实测值相对误差表（%）
3 水环境容量计算
3.1 计算方法
水环境容量的计算方法主要有公式法[3-5]、模型试错法[6-8]、系统最优化法[9]、概率稀释模型法[10]等。本文利用上述构建的试点区水环境数学模型计算并提供设计水文条件、水质降解系数等条件参数，采用公式法计算水环境容量。
（1）河网（道）水环境容量计算公式
（5）
其中：αij为不均匀系数，αij∈(0,1]，河道越宽、水面越大，则αij越小。
（6）
其中：Wij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元，最小空间计算单元为河段（河段为两节点之间的河道），最小时间计算单元为天；Csij为第i河段所在水功能区水质目标值；C0ij为第i河段上方河段所在水功能区水质背景值；K为第i河段污染物降解系数。
对于往复流地区，采用双向流计算公式，具体如下：
（7）
其中：A为正向流计算时间段天数，B为反向流计算时间段天数。
（2）湖泊水环境容量计算公式
（8）
其中：Cs为水库功能区目标值；Qout为水库的出流水量；K为综合降解系数。
3.2 计算条件及参数
（1）设计水文条件
根据试点区附近惠南站1983年至2015年的降雨资料，水环境容量计算的设计典型年选择临港地区枯水年2013年型（P=90%）、丰水年1987年型（P=50%）。按照典型年降雨量资料和现状水利工程调度状况，利用数学模型，对各计算河段的水位、流量进行计算，作水环境容量计算的设计水文条件。
（2）水质目标
根据《上海市水环境功能区划（2011年修订版）》，确定试点区水系的水质控制目标。
（3）水质降解系数
采用上述水环境数学模型率定验证得到的CODCr、氨氮、TN、TP降解系数。
3.3 计算结果
根据上述计算方法，分别计算设计水文条件为保证率90%和50%时试点区各分区的水环境容量，见表2。
4 结论及建议
4.1 结论
（1）利用MIKE21FM软件构建临港试点区二维水环境数学模型，对模型参数进行率定，得到CODCr降解系数为0.03~0.06 d-1，氨氮降解系数为0.02~0.04 d-1，TN降解系数为0.02~0.05 d-1，TP降解系数为0.01~0.03 d-1。
（2）利用模型计算并提供设计水文条件、水质降解系数等条件参数，采用公式法计算试点区河湖水系50%、90%保证率下的水环境容量，计算结果表明：50%保证率下，CODCr、氨氮、TN、TP的水环境容量分别为4701.3 t/a、127.3 t/a、41.1 t/a、143.3 t/a；90%保证率下，CODCr、氨氮、TN、TP的水环境容量分别为4362.8 t/a、118.2 t/a、38.1 t/a、132.9 t/a。
表2 试点区水环境容计算结果表
4.2 建议
为满足试点区海绵城市建设水环境目标，本文对试点区内的水污染物总量控制及截污减排提出建议：
（1）建议以水环境容量为基础，开展试点区入河污染物量核算及总量控制方案的制定，进一步为试点区截污减排工作的开展提供依据。
（2）充分利用试点区海绵城市建设的契机，发挥低影响开发技术在径流污染控制中的作用，有效减缓建成区及待建区降雨径流面源污染物对城市河道水体的污染；
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作者简介：王欢(1991–)，女，江苏常熟，硕士研究生，助理工程师，研究方向为水环境模拟，E-mail：873313871@qq.com
论文作者:王欢1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：水环境论文; 试点论文; 水质论文; 河道论文; 系数论文; 容量论文; 海绵论文; 《基层建设》2018年第26期论文;