平原河網(wǎng)區(qū)活水暢流對(duì)水動(dòng)力和水質(zhì)的改善效果

陳慶江，丁 瑞，趙 海

(1.上海城投(集團(tuán))有限公司，上海 200020； 2.南京水利科學(xué)研究院水工水力學(xué)研究所，江蘇 南京 210029； 3.上海市青浦區(qū)河道水閘管理所，上海 201700)

長(zhǎng)江下游平原河網(wǎng)區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍、開放程度最高、創(chuàng)新能力最強(qiáng)的區(qū)域，GDP約占全國(guó)20%、城鎮(zhèn)化率高達(dá)80%、人口密集，水生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，河網(wǎng)動(dòng)力弱、連通性差、入河污染負(fù)荷強(qiáng)，控源截污治污略顯滯后，河網(wǎng)水質(zhì)提升難。

平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境提升在控源截污的基礎(chǔ)上，通過活水暢流引入優(yōu)質(zhì)水源、合理分配水資源，可有效提升河網(wǎng)水動(dòng)力，提高水體復(fù)氧，加快污染物降解，增加河道水環(huán)境容量與水體自凈能力，是有效改善水環(huán)境質(zhì)量的治理措施之一[1-4]。21世紀(jì)以來，上海[5-6]、蘇州[7-10]、無錫[11]、常州[12]等長(zhǎng)江下游平原河網(wǎng)城市陸續(xù)開展活水暢流的研究與實(shí)踐，根據(jù)區(qū)域水系特點(diǎn)，因地制宜提出活水暢流方案，在河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，開展引水試驗(yàn)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)水量、水質(zhì)變化及改善效果[13-14]，但缺乏對(duì)引水效果的長(zhǎng)期原型觀測(cè)與分析。

青浦區(qū)青松片為長(zhǎng)江下游典型感潮平原河網(wǎng)區(qū)，本文以青浦區(qū)青松片為例，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析現(xiàn)狀問題，充分利用現(xiàn)有水利工程，建立了河網(wǎng)水動(dòng)力精細(xì)化數(shù)學(xué)模型，分析了不同方案的河網(wǎng)流速變化情況，以提高水體流動(dòng)性為目標(biāo)，提出青浦區(qū)青松片活水暢流方案，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證活水暢流方案改善水環(huán)境的效果。本文的成果可為平原河網(wǎng)城市水資源調(diào)度提供理論與技術(shù)參考。

1 區(qū)域概況

青浦區(qū)位于上海市西部，太湖下游，黃浦江上游，是典型的感潮平原河網(wǎng)區(qū)，是長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)。本文以青浦區(qū)青松片為研究重點(diǎn)，活水范圍擴(kuò)至青松片，面積約758 km2。青松片為平原感潮水網(wǎng)地區(qū)，屬黃浦江水系。境內(nèi)河港多受黃浦江潮汐和江浙兩省的客水下泄影響和入侵，由吳淞江、淀浦河、太浦河、紅旗塘、急水港等流經(jīng)區(qū)境入浦歸海，青浦區(qū)境內(nèi)東部主要河流以南北流向?yàn)橹鳎鞑恐饕恿鞫鄸|西走向。

目前青浦區(qū)青松片河道水質(zhì)相對(duì)差，控源截污不到位，雨后入河污染物多；水體流動(dòng)性差，水動(dòng)力不足；河岸被侵占、過水?dāng)嗝媸徊糠趾拥来嬖跀囝^現(xiàn)象等。2017年6月，對(duì)淀浦河以北區(qū)域全覆蓋水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，900條采樣河道中，劣Ⅴ類水體占比66%，Ⅴ類水體占比17%，Ⅳ類及以下水體占比17%，總體水質(zhì)較差。上海市制定了水資源調(diào)度細(xì)則，活水暢流是其中一項(xiàng)重要措施，對(duì)改善區(qū)域水環(huán)境的提升具有重要意義。

2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

2.1 模型構(gòu)建

本文通過構(gòu)建青松片一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，分析現(xiàn)狀活水方案。采用有限差分法求解一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，采用Preissman四點(diǎn)隱格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散。

一維河網(wǎng)的洪水運(yùn)動(dòng)用圣維南方程組描述，其上、下游邊界條件一般采用水位、流量、流量-水位關(guān)系等[15]。圣維南方程組由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

(1)

(2)

式中：x、t分別為河道縱向坐標(biāo)及時(shí)間；n為糙率系數(shù)；Q、H分別為斷面流量及水位；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e；R為過水?dāng)嗝嫠Π霃剑沪聻閯?dòng)量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；α為旁側(cè)入流流向與河流流向的夾角；g為重力加速度。

初始條件：流速場(chǎng)取為靜止場(chǎng)，水位則取控制斷面的水位值。

模擬范圍為青松片河網(wǎng)，北至吳淞江，東臨小淶港、茜浦涇，南到黃浦江、攔路港，西至淀山湖，青松片概化大小河道947條，內(nèi)部河網(wǎng)總長(zhǎng)度約1 745 km。模型中創(chuàng)建的河道斷面為實(shí)測(cè)斷面與概化斷面相結(jié)合，共創(chuàng)建斷面7 593個(gè)、河段3 518段、閘門506座、泵站326座，如圖1所示。

圖1 青松片河網(wǎng)水動(dòng)力模型

圖2 青松片河網(wǎng)水動(dòng)力模型水位邊界條件

青松片為上海市14個(gè)水利分片之一，外圍都建設(shè)了泵閘，形成相對(duì)封閉的水力邊界，引水口門采用入流邊界條件，排水口門根據(jù)泵閘運(yùn)行和水位邊界控制，模型水位邊界為吳淞江上游趙屯、淀山湖和黃浦江下游吳淞口，水位邊界條件如圖2所示。

根據(jù)《河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)河道賦予不同的糙率初值，一級(jí)河道(攔路港、黃浦江、吳淞江)n=0.025，二級(jí)河道(西大盈港、東大盈港、新通波塘等)n=0.03，三級(jí)河道(小淶港，東向陽河等)n=0.035。

2.2 模型率定驗(yàn)證

采用2019年4月18—22日現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行模型率定驗(yàn)證，以青松片特征水位點(diǎn)青浦南門作為內(nèi)部控制點(diǎn)，模型經(jīng)過率定，最終確定一級(jí)河道(攔路港、黃浦江、吳淞江)n=0.022 5～0.025，二級(jí)河道(西大盈港、東大盈港、新通波塘等)n=0.025～0.027 5，三級(jí)河道(小淶港，東向陽河等)n=0.032 5～0.035。水位實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比如圖3所示，計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的變化趨勢(shì)相似，水位最大誤差能控制在5 cm內(nèi)，流量誤差10%以內(nèi)，能夠滿足模型計(jì)算要求。

圖3 青浦南門站模型水位率定驗(yàn)證過程

3 現(xiàn)狀活水方案分析

近年來，青松片實(shí)施的水資源調(diào)度方案為“西引東排，南引北排”，如圖4所示，即以沿黃浦江上游及其斜塘-泖河-攔路港北岸河道水閘和連接淀山湖的淀浦河西閘引水，以淀浦河?xùn)|泵閘及蘇州河南岸沿線水閘排水。現(xiàn)狀水資源調(diào)度方案對(duì)青浦區(qū)青松片總體水質(zhì)改善效果不明顯，2017—2018年大部分水體水質(zhì)為Ⅴ至劣Ⅴ類。

圖4 青松片水資源調(diào)度方案

3.1 數(shù)值計(jì)算

模型計(jì)算的閘泵調(diào)度包括：青浦區(qū)淀山湖、攔路港沿線水閘只引不排，其中張馬泵站、朱泖河泵站閘引不能實(shí)施時(shí)，各開泵兩臺(tái)引水6 h；淀浦河西閘打開。吳淞江、江蘇界、虬江、小淶港沿線水閘只排不引；蘇州河南岸沿線水閘能排則排，不能自排時(shí)西大盈、東大盈、華新泵閘動(dòng)力北排。淀浦河?xùn)|閘保證全天2潮排水，控制閘內(nèi)水位不低于2.2 m，夜間控制閘內(nèi)水位不低于2.0 m；白天不能自排時(shí)，單泵3～5 h排水。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，流速大于5 cm/s的河道主要為西大盈港、東大盈港、油墩港、新通波塘、淀浦河、淀山港、朱泖河、華田涇、上達(dá)河等主干河道，其他中小河道流速基本小于5 cm/s，現(xiàn)狀活水方案下，水體流動(dòng)性較弱。

3.2 試驗(yàn)觀測(cè)

2018年對(duì)現(xiàn)狀調(diào)度方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)，采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP進(jìn)行流量觀測(cè)，對(duì)骨干河道及主要引排口門進(jìn)行持續(xù)3 d的流量觀測(cè)，觀測(cè)漲落潮時(shí)的流量變化。

試驗(yàn)結(jié)果表明，西引東排流量較小，主要體現(xiàn)在西引淀山湖流量較小，平均約10 m3/s，淀東泵閘東排流量平均約20 m3/s。北排吳淞江效果較差，吳淞江水位較高，依靠閘門無法自排，主要依靠西大盈、東大盈、華新三座泵站北排，但泵站北排可帶動(dòng)西大盈港、東大盈港、新通波塘等南北骨干河道水體向北流動(dòng)的影響范圍約3～4 km，其余河段基本為滯留區(qū)。南引黃浦江沿線水閘高潮位時(shí)引水量大，但引水時(shí)間短，每天約2～3 h，南引水量難以進(jìn)入淀浦河以北區(qū)域。因此，現(xiàn)狀“西引東排、南引北排”水資源調(diào)度方案下，青浦區(qū)青松片水動(dòng)力較弱。

4 活水方案優(yōu)化

4.1 活水暢流優(yōu)化方案制定

2018年吳淞江趙屯與青浦南門水位如圖5所示，吳淞江水位一直高于青浦南門10 cm左右。此外，2019年吳淞江水質(zhì)比2018年同期水質(zhì)有很大改善，由Ⅴ至劣Ⅴ類提升至Ⅳ類，如圖6所示。因此，充分利用吳淞江高水位的自然條件，打開吳淞江沿線閘門，自流北引吳淞江水到青浦區(qū)；攔路港、黃浦江沿線潮差大，打開沿線閘門自然引排，恢復(fù)河網(wǎng)自然流動(dòng)狀態(tài)。因此，制定“北引東排，西南自然引排”活水暢流優(yōu)化方案，如圖7所示，當(dāng)攔路港、黃浦江低潮位時(shí)，主要引水路徑為北引吳淞江，淀浦河?xùn)|泵閘東排，南排攔路港與黃浦江；當(dāng)攔路港、黃浦江高潮位時(shí)，主要引水路徑為北引吳淞江，南引攔路港、黃浦江，淀浦河?xùn)|泵閘向東排水。

圖5 2018年吳淞江與青浦南門水位對(duì)比

圖6 2018—2019年吳淞江趙屯斷面水質(zhì)變化

圖7 青松片活水優(yōu)化方案引排格局

4.2 優(yōu)化方案效果模擬

河網(wǎng)流速分布計(jì)算結(jié)果表明，西大盈港、東大盈港、油墩港、新通波塘等主干河道流速基本大于10 cm/s，不少中小河道流速大于5 cm/s，相比現(xiàn)狀活水方案，水體流動(dòng)性顯著提升。現(xiàn)狀活水方案與優(yōu)化方案的主干河道流速如圖8所示，可以看出，優(yōu)化方案的幾條主干河道流速明顯增大。青松片河道流速總體提升20.4%，主干河道流速提升27.5%，中小河道流速提升18.5%。現(xiàn)狀調(diào)度與優(yōu)化方案的河道流速大小占總河道長(zhǎng)度的占比如表1所示，可以看出，優(yōu)化方案水動(dòng)力明顯提升。

圖8 青松片主干河道流速變化

表1 不同流速u的河道長(zhǎng)度占比%

4.3 效果現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證活水暢流優(yōu)化方案效果，2019年1—8月開展了青松片水資源調(diào)度優(yōu)化方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，期間對(duì)水動(dòng)力與水質(zhì)進(jìn)行原型觀測(cè)。采用ADCP對(duì)主干河道水動(dòng)力進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示，西大盈港、東大盈港、油墩港、新通波塘4條主干河道北引吳淞江流量約40 m3/s，水動(dòng)力極大提升，與水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本吻合。淀浦河?xùn)|排流量約20 m3/s，部分?jǐn)嗝媪飨蛲鶑?fù)，受淀東水閘調(diào)度影響很大。

表2 青松片淀浦河以北主干河道流量

圖9 現(xiàn)狀方案與優(yōu)化方案氨氮質(zhì)量濃度對(duì)比

圖10 各關(guān)注點(diǎn)現(xiàn)狀方案與優(yōu)化方案總磷質(zhì)量濃度對(duì)比

2018年青松片主要采用“西引東排、南引北排”現(xiàn)狀活水方案，2019年青松片開展優(yōu)化活水方案試驗(yàn)。兩種活水方案調(diào)度模式下，對(duì)青松片水質(zhì)進(jìn)行逐月采樣測(cè)量分析，如圖9和圖10所示，結(jié)果表明，采用優(yōu)化活水方案以來，西大盈港、東大盈港、油墩港、新通波塘、淀浦河、上達(dá)河等主干河道水質(zhì)整體得到很大改善，總體水質(zhì)由Ⅴ至劣Ⅴ類提升至Ⅳ類。

5 結(jié) 論

a. 構(gòu)建了青松片河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)現(xiàn)狀調(diào)度方案進(jìn)行了數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)，結(jié)果表明，西引東排流量較小，為10～20 m3/s；北排吳淞江無法自排只能泵排，且對(duì)河道流動(dòng)性影響范圍只有泵站南側(cè)3～4 km，其余河段多為滯留水體；南引黃浦江水難以進(jìn)入淀浦河以北區(qū)域，青浦區(qū)青松片現(xiàn)狀活水方案下水動(dòng)力較弱。

b. 基于吳淞江水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)，根據(jù)吳淞江水位高、攔路港—黃浦江潮差大等水動(dòng)力特點(diǎn)，提出“北引東排、西南自然引排”活水暢流優(yōu)化方案，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化方案水動(dòng)力顯著提升，主干和中小河道流速分別提升27.5%和18.5%。

c. 對(duì)活水優(yōu)化方案開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)結(jié)果表明，引排流量顯著提升，西大盈港、東大盈港、油墩港、新通波塘北引吳淞江流量約40 m3/s，試驗(yàn)期間水質(zhì)顯著提升，主干河道水質(zhì)由Ⅴ至劣Ⅴ類提升至Ⅳ類。