上海橫沙島水資源調度方式數值模擬研究

宋榮華

摘 要：本文通過Mike11建立橫沙島水動力和水質模型，基于模擬三種工況下兩種主要水資源調度方式的不同方案對比，得出現狀水資源調度方式“北引北排”、后期的“北引西排”與“西引北排”調度方式對橫沙島水質的影響結果。經分析可知，在水系溝通的基礎上，水資源調度的時間在逐漸縮短;從5d的水質調度結果來看，“北引西排”調度方式比“西引北排”調度方式效果略好;從15d的水質調度結果來看，兩種調度方式效果相差不大。綜合考慮，推薦“北引西排”的水資源調度方式。

關鍵詞：上海橫沙島;水資源調度方式;數值模擬;Mike11

中圖分類號：TV21? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0118-03

隨著計算機技術的不斷發展，數值模擬方法越來越頻繁地應用于河道整治中。國際上通用的河口海洋數值模擬軟件有很多，如美國普林斯頓大學的POM、ECOM模式，丹麥水力學研究所的MIKE軟件，荷蘭代爾夫特大學的Delft3D軟件等等[1]。水動力學模型是對河網水系水流運動規律的一種模擬，通過水動力學模型計算可以預測各種降雨標準、邊界條件、控制條件下的河網水位和流量變化。水質模型是描述水體中污染物隨時間和空間遷移、轉化規律的數學方程，可用于模擬污染物在水體中遷移、轉化的特征和規律，對水質變化趨勢進行預測[2-3]。

橫沙島位于長江入?？跂|端，三面環江，一面臨海。橫沙島現有河網布局不合理，島內水系未連接成網、河道水系不通暢，河道水動力不足。根據近2年的水質調查結果，橫沙島水質有逐年下降趨勢，特別是2017年8月水質調查結果顯示島內河道Ⅴ類和劣Ⅴ類水質已占86.7%。橫沙島水系格局基礎薄弱，規劃“三橫一縱一環”骨干河道大多未進行綜合整治，存在亂占亂建現象，農業面源污染較普遍[4]。本文通過Mike11建立橫沙島水動力和水質模型，模擬不同工況下的水資源調度方式，得出水資源調度方式對橫沙島水質的影響結果。

1數值模型

1.1? 控制方程

Mike11模塊由水動力、對流～擴散、水質、降雨～徑流、洪水預報等模塊組成，核心模塊為水動力模塊。Mike11水動力模塊采用6點Abbott～Ionescu有限差分格式對圣維南方程組進行求解。

圣維南方程是反映有關物理定律的微分方程，包括連續方程（質量守衡定律）和動量方程（牛頓第二定律）：

式中：Q為流量，m3/s;q為側向入流，m3/s;A為過水面積，m2;h為水位，m;R為水力半徑，m;C為謝才系數;α為動量修正系數。

1.2? 方程離散

圣維南方程中的連續型方程和動量方程通過有限差分法進行離散，計算網格由流量點和水位點組成，其中流量點和水位點在同一時間步長下分別進行計算。計算網格由模型自動生成，水位點是橫斷面所在的位置，流量點位于兩個相鄰的水位點之間。計算網格點的分布遵循以下規則：①河段上下游端點為計算水位點;②支流入流點為計算水位點;③實測斷面資料點為計算水位點;④模型根據max值自動插入的點為計算水位點;⑤建筑物點為計算水位點;⑥兩個水位點之間只存在一個計算流量點。

1.3? 河網概化

橫沙鄉的現狀河網是基于Mike11一維河流模擬系統，根據2017年現狀河網GIS數據及現狀河道調查數據構建而成，本次計算范圍為橫沙鄉區域，計算面積約51.74km2。橫沙島現狀河網模型見圖1，河道按《崇明區橫沙鄉水利專業規劃[5]實施后的河網模型見圖2。

1.4? 河網泵閘系統控制模塊

泵閘控制方式的模擬是水動力模型的重要組成部分。根據上海的水網特征、水資源合理調度客觀要求以及水利工程運行管理的實踐經驗，遵循防汛時按照防汛安全要求調度、平時按照改善水質和用水需要調度的原則，對閘的運行方式按照上下游的水位進行控制、閘關聯水系的區域水位控制以及時間控制等多重要求進行詳細的調度模擬。

1.5? 模型驗證

本模型降雨徑流模塊采用UHM（單位水文過程線），該模塊適用于單一暴雨時間且無河流流量記錄的地區。匯水面積通過Thiessen平均面積降雨權重法進行計算。模型中的Initial Loss（初損）對應水務規劃院河網模型中的初滲，Constant Loss（常損）對應水務規劃院河網模型中的穩滲、蒸發和攔截，初損值和常損值根據不同用地面積占比進行加權平均計算。

規劃河網經過除澇計算所得到的最高水位為2.66m（見圖3），與《崇明區橫沙鄉水利專業規劃》計算成果一致，因此采用Mike 11構建的橫沙島一維河網的計算結果是可靠的。

2水資源調度方式設計與結果分析

2.1 水資源調度方式設計

根據《上海市水環境功能區劃（2011年修訂版）》，橫沙島屬于Ⅲ類水質控制區。橫沙島現狀水質與水環境功能區劃的要求仍有明顯差距。引清調水是水質提升和水環境治理的重要手段，充分利用現有水利工程設施，發揮區域的水資源、水動力優勢，引入相對優良的水資源，調活水體、改善水質，增加復氧、增強水體自凈能力。橫沙島位于長江口，受長江口潮汐變化影響，橫沙島潮汐為不正規半日潮，其引排水口門有著天然潮差的優勢，本著節能的原則，盡量利用潮差引排水，減少泵站的開啟量。長江口水質Ⅲ類水居多，有時水質可以達到二類水標準。

根據橫沙口門的分布位置，擬定的橫沙鄉水資源調度方式有“北引西排”和“西引北排”兩種方式，“北引西排”即創建港水閘引水其他三個閘門排水，“西引北排”反之。

2.2 水資源調度方式計算

橫沙島的現狀口門中只有創建港水閘可以投入使用，現狀的水資源調度方式為“北引北排”，該調度方式會引起河道中水體來回擺動且影響范圍比較有限。

本文假定所有泵閘工程均可以正常投入使用，在此基礎上采用Mike11水動力和水質模型，針對不同水資源調度方式進行計算，選擇氨氮作為水質考察指標。

2.2.1 計算工況

橫沙水系未形成網絡，距離規劃要求較遠。以水利規劃為基礎提出相應連通方案，便于水資源調度能達到預期效果。方案原則：①近期未整治且對盤活水體相對重要的河段;②局部有阻水點或未與骨干河道連通的河段?；诖诉x擇建東河、東海河、慶德圩河（老文興河～文興河）、新盟河。因此，計算工況選取：①現狀河道+現狀泵閘;②方案實施后+現狀泵閘;③遠期規劃實施后+規劃泵閘。

2.2.2 計算條件

（1）計算邊界條件。模型邊界水位條件采用橫沙站2018年9月10日（初一）～2018年9月25日（十六）的實測潮位過程，為一個完整的大潮、小潮過程。邊界條件中的氨氮濃度設為0.75mg/L（對應Ⅲ類水標準）。

（2）計算初始條件。內河初始水位設為常水位2.3m，氨氮初始濃度設為1.75mg/L（對應Ⅴ類水標準）。

（3）口門控制條件。①引水口門控制條件，即外海潮位高于內河水位時，開啟閘門進行引水，待內河水位上升至最高控制水位2.7m時關閉閘門;外海潮位低于內河水位時，關閉閘門。②排水口門控制條件，即外海潮位低于內河水位時，開啟閘門進行排水，待內河水位下降至起調水位1.7m時關閉閘門;外海潮位高于內河水位時，關閉閘門。

2.3 計算結果分析

通過模型計算得到三種工況下不同調水方向的氨氮濃度分布圖，見圖4～7。

根據計算結果可知，現狀條件下“北引北排”對于橫沙鄉水質改善程度有限，經過15d的引清調度，仍然無法明顯改善橫沙鄉南側區域的水質。

方案實施后，經過10d的“西引北排”調度，基本可以將全鄉的主要河道水體置換一遍;經過15d的“北引西排”調度，也基本可以將全鄉的河道水體置換一遍，只有局部由于水系溝通問題，水質改善緩慢。從5d的水質調度結果來看，“北引西排”調度方式比“西引北排”調度方式效果略好;從15d的水質調度結果來看，兩種調度方式效果相差不大。

遠期規劃實施后，經過3d的“西引北排”或者“北引西排”調度，均基本可以將全鄉的河道主要水體置換一遍，較短時間內能夠滿足水質改善的需要，兩種調水方式區別不大。

3結論

本文通過Mike11建立橫沙島水動力和水質模型，基于模擬三種工況下兩種主要水資源調度方式的不同方案對比，得出現狀水資源調度方式“北引北排”、后期的“北引西排”與“西引北排”調度方式對橫沙島水質的影響結果。經分析可知，在水系溝通的基礎上，水資源調度的時間在逐漸縮短;從5d的水質調度結果來看，“北引西排”調度方式比“西引北排”調度方式效果略好;從15d的水質調度結果來看，兩種調度方式效果相差不大。

由于橫沙西側口門外灘勢呈淤積態勢，如果從西側口門引水，會加重口門外的灘地淤積;如果從西側口門排水，則可以利用大流速的出流對口門外側進行沖刷，使西側口門外的灘地穩定甚至略有沖刷。綜合考慮水資源調度方式的水質改善效果和對口門沖淤的影響，本文推薦“北引西排”的水資源調度方式，即從創建港水閘和反帝圩水閘引水、從紅星港水閘、新民港水閘和文興港水閘排水。

參考文獻：

[1] 申宏偉. Delft3D 軟件在水利工程中的數值模擬[J].水利科技與經濟，2005，11（7）：440- 442.

[2] 郝芳華，李春暉，趙彥偉等. 流域水質模型與模擬[M].北京：北京師范大學出版社，2008，10（3）：3- 10.

[3] 田凱達，劉曉薇等. Mike11模型在合肥市十五里河水質改善研究中的應用[J].水文，2019，39（4）：18- 23.

[4] 顧建，高肖.上海橫沙島骨干河道“一河一策”方案編制探討[J].水利規劃與設計，2019，5：14-16.

[5] 李琦，唐迎洲.崇明區橫沙鄉水利專業規劃[M].上海，上海市水務規劃設計研究院，2018.