淀東水利樞紐引水泵站規模研究

陳長太 徐貴泉 李學峰

(上海市水務規劃設計研究院 上海 200233)

淀東水利樞紐引水泵站規模研究

陳長太 徐貴泉 李學峰

(上海市水務規劃設計研究院 上海 200233)

淀東水利樞紐具有防洪除澇、水資源調度和通航運輸等綜合功能，其中淀東引水泵站具有跨片水資源調度的重要功能，不論是對淀北片還是對青松片都有十分重要的作用。本文對淀東泵站設置的必要性和可行性進行了定性分析，并采用一維水動力水質模型，從流速變化、水量交換、水質改善效果等多角度，對不同河道工況條件和不同引水泵站規模下的引水效果進行了定量分析，為確定淀東泵站的規模提供技術依據。

引水泵站 泵站規模 水資源調度 淀北片 青松片

因淀北片的內河水環境質量較差，但片內無清水水源，需從片外引水入片內改善河道水質。因此，在《上海市城市防洪排水規劃匯編》中，提出在淀東水閘設翻水泵站，引淀浦河水經骨干河道楊樹浦港、戰斗河向淀北片河網輸送清水。該泵站的用地范圍線，市水務局在上世紀90年代就以藍線的形式予以了控制，并同時報給了上海市規劃設計研究院。2005年閔行區人民政府批復的《閔行區水務規劃水利篇》中，再次提出利用部分設施向“淀北片”供水的規劃要求。2010年，淀東水利樞紐泵閘改擴建工程的項目建議書已經市發改委批復，淀東引水泵站的實施開始提上議事日程。但相關規劃中對淀東泵站的規模未開展過專題研究，均籠統的提出暫定40m3/s的規模。因此，面對新的水情和工情條件，淀東引水泵站實施的必要性、可行性和工程規模，尚需進一步科學論證。

1 淀北片現狀水資源調度總體格局及水環境狀況

淀北片水資源常規調度采用“南北引、東排”的運行方式，即北部沿蘇州河南岸的水閘（泵站）只引不排、南部淀浦河北岸沿線的水閘以引為主、東部黃浦江西岸沿線水閘只排不引，詳見圖1。

根據2001年～2008年上海市環境質量報告書，近年淀北片河道主要水質指標基本穩定，其中NH3-N較差，大部分為劣于Ⅴ類、少部分斷面為Ⅴ類；CODCr相對較好，大部分斷面為Ⅳ～V類。在暴雨期間，由于市政泵站放江排水，淀北片河道常發生黑臭現狀，嚴重影響周邊區域的居民生活。

2 淀東引水泵站實施必要性與可行性分析

2.1 淀東引水泵站實施必要性分析1

（1）增加引水水源，拓展水質改善范圍的需要

淀北片受地理位置及引排條件制約，主要引水水源為蘇州河和淀浦河閘下段。受蘇州河河道本身過水能力制約，淀北片沿線引水口門的引水力度不能過大。而淀浦河沿線口門比較少，引水主要依靠南新涇水閘和中橫瀝北閘兩個口門，這兩個口門較靠近龍華港和張家塘港兩個排水口門，易形成短流，改善范圍有限。另外，淀北片西部地區無引排水口門，水質無法得到有效改善。因此，在淀北片的西南地區增設引水泵站，增加了引水水源，可進一步拓展水質改善范圍，提高水資源調度的整體效果。

（2）增加引水動力，調活水體改善水動力條件的需要

淀東閘外沿線口門引水受潮汐影響較大，在大潮汛期間水動力足引水量較大，但在小潮汛期引水量有限。而淀東閘為青松片的主要排水口閘內段口門無法自流引水。特別是在發生市政泵站放江造成水質污染時，引水動力的不足易造成污染團的長期滯留，嚴重影響水環境質量。因此，設置淀東引水泵站可以增加淀北片的引水動力，為調活淀北片河網水體、加快改善河網水環境創造條件。

圖1 淀北片水資源總體調度格局示意圖

（3）優化調度格局，提高水質改善效果的需要

淀東引水泵站實施后，淀北片水資源調度具備了更靈活的手段，水資源調度格局得到了優化。另外，青松片受各種條件制約，水資源調度引水口門多，排水口門少，水體置換速度慢。淀北片從淀浦河閘內引水時，可加快青松片的水體置換速度，增加青松片從黃浦江上游引入的水量，加快了青松片的水環境改善。因此，設置淀東引水泵站，可以優化區域的水資源調度總體格局，不僅有利于淀北片的水環境改善，也有利于青松片的水環境改善。

2.2 淀東引水泵站實施可行性分析

（1）引水水源

根據對淀東閘上下兩個斷面監測，淀浦河在淀北片附近河段近年大部分水質指標為IV～劣V類，其中NH3-N最差，均為劣V類，而DO、BOD5和CODCr指標相對較好為IV～V類。總體而言，閘內斷面略差于閘外，但好于淀北片內河網水質。因此，近期淀北片從淀東閘內引水，對改善淀北片水質是有幫助的。目前，《蕰藻浜、淀浦河環境綜合整治規劃》已基本編制完成，蕰藻浜、淀浦河整治將是繼蘇州河環境綜合整治之后的又一項重大工程。通過淀浦河綜合整治，淀浦河將有望在2020年前達到水功能區劃要求的IV類水標準，這將為淀北片引水提供更好的引水水源水質。

（2）引排通道

引水河道楊樹浦現狀口寬為22～24m，河底高程0.0m，淤泥厚度為1.0m。根據《閔行區水務規劃水利篇》，其規模將進一步擴大，規劃最小斷面控制要素為：口寬38m，底寬15m，河底高程-0.50m。它與周邊水系通暢，可通過戰斗河、廟橋港、北橫涇、橫瀝港等干河向河網腹部地區擴散，最終由龍華港和張家塘排出。詳見圖1。

因此，從技術角度分析，利用淀東引水泵站向淀北片供水是必要的也是可行的，但其規模需作進一步技術經濟比較。

3 一維河網水動力水質模型

本研究將采用上海感潮河網水動力水質模型，對不同的工況組合進行演算，從水量和水質兩個方面來分析不同規模的引水泵站調水的效果及其影響。

3.1 數學模型

3.1.1 一維水動力模型

水動力模型基本方程采用圣維南方程組，數值離散方程采用成熟的Preismann四點隱式格式進行離散，聯立方程求解。

一維明渠非恒定流Saint-Venant 方程組：

式中：t—時間坐標；

x—空間坐標；

Q—流量；

Z—水位；

U—斷面平均流速；

n—糙率；

A—過流斷面積；

B—主流斷面寬度；

R—水力半徑；

q—旁側入流流量；

BW—水面寬度。

3.1.2 一維水質模型

水質模型基本方程采用物質輸移的對流擴散方程，數值離散方程也采用成熟的Preismann四點隱式格式進行離散，聯立方程求解。

水質基本方程：

式中：C—污染物質斷面平均濃度；

U—斷面平均流速；

A—斷面面積；

Ex—縱向分散系數；

S—污染物質排放量；

K—污染物降解系數；

x、t—空間和時間坐標；

Sr—底泥釋放系數。

3.2 計算條件

3.2.1 水文條件

以1971年8月1日0:00～16日0:00共15天一個完整的潮汐周期作為計算典型時段，并選用同期的外圍潮位、水位變化過程作為水文計算條件。

3.2.2 水質條件

（1）代表水質指標

NH3-N是目前淀北片超標最嚴重的指標，故選其作為計算代表水質指標。

（2）淀北片水質初始條件

NH3-N初始濃度值取為4～6mg/L。

（3）引水水源水質

按淀浦河達到水功能區劃要求考慮，NH3-N取為1.5mg/L。

3.2.3 工況條件

楊樹浦按現狀和規劃兩種工況考慮，淀東引水泵站分別按0～60m3/s考慮。

3.2.4 調度控制條件

淀東引水泵站閘內水位不超過3.3m時開泵引水，其它泵閘調度方式不變。

4 淀東引水泵站的規模及引水效果分析

4.1 泵站規模論證

4.1.1 水動力計算分析

（1）流速分析

淀東引水泵站在不同規模下，楊樹浦在現狀和規劃規劃兩種斷面下，楊樹浦最大流速情況見圖2。

圖2 楊樹浦斷面最大流速變化示意圖

由圖2可知，楊樹浦斷面最大流速與引水泵站規模成正相關關系，泵站規模越大，斷面流速也越大。要實現河道不沖（控制流速小于0.8m/s），若楊樹浦維持現狀斷面，淀東泵站的規模不宜超過30m3/s；若楊樹浦按規劃實施，楊樹浦最大流速明顯降低，淀東泵站達到60m3/s，楊樹浦斷面最大流速僅為0.653 m/s，也可滿足不沖流速要求。

（2）引水量分析

圖3 淀北片總引水量變化示意圖

由圖3可知，淀東泵站規模越大，淀北片總引水量也越大。在淀東泵站規模小于30m3/s時，楊樹浦現狀斷面已可滿足過水要求，因此，在現狀和規劃兩種不同斷面下，淀北片總引水量沒有明顯差異；但淀東泵站規模超過30m3/s后，現狀斷面阻水明顯，淀北片引水量明顯小于規劃斷面下的引水量。

為確保淀北片防汛除澇安全和河道親水平臺不進水，淀浦河沿線口門包括淀東泵站在閘內水位超過3.30m就必須停止引水，因此，當淀東泵站規模達到40m3/s以上時，由于閘內水位超限，淀東泵站將會經常被迫停泵，總引水量增加幅度明顯下降，淀東泵站規模在40m3/s是一個明顯的拐點。可見，僅從淀北片總引水量來分析，若楊樹浦斷面不拓寬，淀東引水泵站規模不宜超過30m3/s；若楊樹浦斷面按規劃實施，淀東引水泵站規模不宜超過40m3/s。

淀東泵站引水規模還需通過水質計算來進一步確定，由于淀東泵站規模在30 m3/s以下時楊樹浦現狀和規劃兩種斷面下淀北片引水量差異不大，因此，下面的水質計算將按楊樹浦港規劃斷面進行。

4.1.2 水質計算分析

計算結果表明，淀東引水泵站引水對改善淀北片水質有明顯的作用，泵站規模越大，水質改善范圍越大，水質改善程度也越大。從代表斷面分析，不同區位的河道斷面水質改善速度和幅度有明顯差異。在靠近引水口門的蒲匯塘-中春路橋和新涇港-漕寶路橋在泵站規模為10～20m3/s時，水質就可有明顯的改善，泵站規模繼續增加改善幅度明顯下降。但位于淀北片北部的蟠龍塘-諸翟和新涇港-虹橋路橋斷面，在泵站規模為10m3/s時，受南部水量頂托，水質不降反而略有上升；在泵站規模達到40m3/s以上時，水質改善程度還未出現拐點，仍有較快的下降幅度。

從淀北片NH3-N面平均濃度分析，當引水泵站規模由10m3/s增加至60 m3/s，淀北片NH3-N面平均濃度降幅可由12.5%擴大至55.5%。泵站規模在20 m3/s以下時淀北片水質濃度下降速度較快，泵站規模由0 m3/s增加至20 m3/s， NH3-N面平均濃度下降32.5%；但由20 m3/s增加至40 m3/s時，NH3-N面平均濃度下降趨緩，降幅為25.1%；由40 m3/s增加至60 m3/s時，NH3-N面平均濃度僅下降12.0%，詳見圖4。

圖4 淀北片NH3-N面平均濃度示意圖

從淀北片NH3-N面平均改善速度上看，泵站規模越大改善速度越快。當泵站規模為10m3/s時，淀北片水質改善并穩定所需時間達10～11d；當泵站規模為20m3/s時，可縮短至8～9d；當泵站規模為60m3/s時，可進一步縮短為4～5d，詳見圖5。

圖5 NH3-N面平均濃度改善過程示意圖

·淀東引水泵站的規模取為20 m3/s，泵站規模適中，淀北片水質濃度下降速度較快，水質改善效果明顯，具有較高的性價比；引水河道楊樹浦港的斷面流速較小，在現狀斷面條件下，亦可滿足最大流速小于0.8m/s的不沖流速要求，泵站規模與現狀河網規模匹配。因此，綜合考慮引水對淀北片整體水質改善的程度、范圍、速度、效率以及楊樹浦現狀過水能力等多方面因素，建議淀東引水泵站的規模取為20 m3/s。

4.2 推薦泵站規模引水效果分析

4.2.1 淀北片引水效果分析

淀東引水泵站采用推薦的20m3/s引水時，楊樹浦在現狀斷面和規劃斷面兩種斷面規模下，最大流速分別為0.619 m/s和0.259m/s，均可小于不沖流速0.80m/s；兩種斷面下淀北片各引水口門總引水量均為201.7萬m3/d，其中淀東引水泵站172.8萬m3/d，占總引水量的85.7%。在一個潮汛周期15d的調度過程中，淀北片NH3-N面平均濃度可由無泵站條件下的5.17mg/L下降為3.49mg/L，可比無泵站情況下降32.5%。水質改善幅度最大的區域為淀北片西南部地區，其次為東南部地區，北部地區由于離調度口門較遠，改善幅度相對較小，其中蒲匯塘以南、梅隴港以西地區NH3-N可穩定達到V類，虹橋地區水質明顯改善。

4.2.2 青松片引水效果分析

青松片目前采取的主要調度方式是“南引東排”，即從黃浦江沿線口門引水，淀東水閘排水，其引水口門遠多于排水口門，水體置換量主要受排水口門制約。淀東引水泵站實施后，青松片的排水量將明顯增加，日平均排水量將由現狀的258.3萬m3/d增加至359.5萬m3/d，增幅為39.2 %；青松片的水質同步得到了明顯改善，NH3-N面平均濃度可由現狀的4.93mg/L下降至4.67mg/L，降幅為5.26%。

4.3 敏感性分析

淀北片內的河網水質狀況與污染源治理的情況密切相關，點源通過截污納管較容易得到治理，但面源點多量大治理起來任重道遠，特別是區域復雜的雨污合流排水系統雨天放江時，對區域河網水質容易造成巨大沖擊負荷，因此，淀北片河網水質還存在不穩定因素。為分析在不同初始濃度條件下引水泵站調度效果的差異，本研究假定淀北片NH3-N面平均濃度分別為4、6和8mg/L，在推薦的20m3/s泵站規模下，淀北片水質改善過程如圖6所示。

由圖6可知，采用相同的20m3/s泵站引水，在不同的NH3-N面平均初始濃度條件下，在調度初期水質改善速度有一定差異，初始濃度高下降速度快、初始濃度低下降速度慢。但是在調度后期，不同初始濃度下面平均濃度趨于一致，面平均濃度整體改善并穩定時的濃度和所需時間并沒有明顯差異。引水泵站正常調度時一般都是調度到水質基本穩定后才停止，因此，只要調度的時間足夠長，初始濃度不是影響水質調度效果的主要因素。

圖6 不同初始濃度下水質改善過程分析圖

5 主要結論與建議

（1）新增淀東引水泵站不僅有利于改善淀北片河網水動力條件，也有利于加快青松片河網水體置換速度，在優化水資源調度格局、提高河網水環境質量、提升人居環境等方面具有十分重要的作用，因此，其建設是十分必要的。

（2）綜合考慮引水對淀北片整體水質改善的程度、范圍、速度、效率以及楊樹浦現狀過水能力等多方面因素，建議淀東引水泵站的規模取為20 m3/s。

（3）淀東引水泵站引水對改善淀北片水質有比較顯著的作用，泵站規模越大，水質改善范圍和改善程度也越大。但是要依賴于整個青松片的水環境綜合治理和水資源綜合調度成效，才能取得較好的水質改善效果。

（4）楊樹浦現狀有一定淤積，若不進行疏浚，引水后將會導致近引水口門河段淤泥再懸浮，影響調水效果，建議與淀東引水泵站同步實施楊樹浦拓浚工程。

（5）污染源的控制與治理是改善水環境的根本措施，水資源調度是維護河網水質的重要手段；污染源不治理，即使淀東引水泵站20 m3/s持續引水，也不能使淀北片所有河段水質均達到水功能區劃要求。

1. 徐貴泉，陳長太，張海燕；蘇州河初期雨水調蓄池控制溢流污染影響研究[J]；水科學進展；2006年第5期（第17卷），2006.09

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.001

TV675

A

1672-2469（2014）08-0001-05

陳長太（1978年— ），男，高級工程師。