應對2-甲基異莰醇風險的水利工程聯合調度策略

朱 宜 平,尚 釗 儀,李 蓓,李 敏,張 旭 坤

(1.上海城投原水有限公司,上海 200125; 2.太湖流域管理局 水利發展研究中心,上海 200434)

0 引 言

飲用水嗅味問題由來已久,自20世紀50年代后,日本琵琶湖、挪威Mjosa湖、法國、加拿大、芬蘭、美國等地均發生過水體嗅味問題影響生活、生產用水的事件[1-2]。相關研究表明,能夠產生土霉味的2-甲基異莰醇(2-MIB)氣味閾值極低且難以氧化,通過常規水處理工藝很難有效去除,還會增加供水生產成本、危及飲用水安全,易對經濟、社會造成一定負面影響,是世界各國最為常見的飲用水致嗅物質[3]。中國對水體嗅味問題的研究起步較晚,但隨著人口的增加和工農業生產的快速發展,水體富營養化問題日益嚴重,河、湖、庫各類飲用水源地水體嗅味逐漸成為一個普遍問題[4-6]。其中,東太湖水源地原水中2-MIB濃度在夏季突增數十倍甚至數百倍于GB 5749-2022《生活飲用水衛生標準》限值要求(10 ng/L),在近10 a發生頻次較高、持續時間較長,已成為威脅周邊城市取供水安全的難點問題[7-9]。

黃浦江上游金澤水源地位于太浦河北岸,取水水源為太浦河,其取水水質受東太湖來水、太浦河兩岸來水、太浦河干流航運污染綜合影響。作為上海市“兩江并舉、多源互補”水源地格局的重要組成部分,金澤水庫日常服務上海市西南五區約750萬人口,在2022年上海市“抗咸潮、保供水”期間通過原水管連通工程進一步輻射至青草沙水源地供水范圍。因此,保障金澤水庫取供水安全對維護和促進上海市社會安定和經濟發展至關重要。東太湖2-MIB濃度季節性急劇增高、高峰濃度時間不斷變長給金澤水庫取水帶來隱患,亟需開展相關研究。

利用水利工程聯合調度保障水源地供水安全的研究較為普遍[10-11],在太浦河及金澤水庫周邊區域也有所實踐,但大多聚焦于通過加大下泄流量解決太浦河兩岸支流來水氨氮濃度超標、重金屬銻污染及太浦河干流航運溢油等突發水污染事件[12-14]。目前針對2-MIB的研究主要圍繞水源地水中嗅味物質的時空變化規律和影響因素分析,以及原水廠嗅味物質的去除技術[15-17],尚缺乏通過水利工程聯合調度應對2-MIB風險、提高取供水安全保障能力的探索研究。

因此,本文針對東太湖2-MIB濃度季節性突增可能影響下游金澤水庫取水安全的潛在風險,在統籌供水調度與夏季高水位防汛調度的基礎上,采用平原河網水動力模型與數學回歸分析耦合的技術方法開展面向應對東太湖來水2-MIB風險的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度策略研究,為進一步提高金澤水庫應急供水保障能力、優化區域水資源配置提供技術支撐,并為相似地區、相似問題提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文研究對象為太浦河樞紐及金澤水庫。太浦河樞紐位于東太湖出湖入太浦河處,太浦閘凈寬120 m,設計流量784 m3/s,校核流量931 m3/s,太浦河泵站設計抽水流量6×50 m3/s。金澤水庫位于太浦河干流北岸、太浦閘以東約43 km處,水庫總庫容約910萬m3,近期設計供水規模351萬m3/d,引水方式為閘引及應急泵站抽引,內徑12 m引水閘共3座,應急泵站規模為6×10 m3/s。太浦河沿線支河共有96條,已建口門控制建筑物88座,京杭運河(江南運河)及南岸蘆墟以西7條支河口門敞開。太浦河樞紐、金澤水庫及周邊河湖關系見圖1。

圖1 金澤水庫、太浦河樞紐及周邊區域水系示意Fig.1 Jinze Reservoir and Taipu Hydrojunction Project and surrounding rivers and lakes

1.2 研究方法

1.2.1技術路線

研究采用平原河網水動力模型與數學回歸分析耦合的方式,分析太浦河樞紐不同下泄流量情景下水流到達金澤取水斷面的時間及金澤斷面來水組成的差異;確定太浦河樞紐下泄流量與水流到達金澤取水斷面時間、金澤取水斷面來水組成的回歸關系;在金澤取水斷面2-MIB控制要求和原水廠處理能力的約束下,確定太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值的關系;結合金澤應急泵站抽水能力,提出應對2-MIB風險的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度策略。研究技術路線見圖2。

圖2 研究技術路線Fig.2 Technical route

1.2.2水量水質數學模型

采用太湖流域水量水質數學模型(以下簡稱“太湖流域數學模型”)模擬太浦河樞紐調度對金澤水庫取水斷面水情的影響。太湖流域數學模型在綜合分析太湖流域平原河網特點的基礎上,根據水文、水動力學等原理,對流域平原河湖、河道汊口連接和各種控制建筑物及其調度運行方式進行模擬,對流域各類供水、用水、耗水、排水進行合理概化,概化圖見圖3。在此基礎上,采用一體化集成模式,將模型核心技術、數據庫技術、地理信息系統技術及最新信息處理技術在系統底層進行集成,建立適用于太湖流域水量、水質等分析計算的系統平臺,可全過程模擬流域降雨-產流-匯流-水動力-水質關系,實現大型復雜河網的水位、流量、控制線交換水量聯合演算。

圖3 太湖流域河網概化Fig.3 Generalization of river network in Taihu Lake Basin

采用泰森多邊形方法計算面雨量。山丘區降雨徑流采用新安江模型進行產匯流計算并同時考慮水庫的調洪作用,平原區降雨產匯流對4類下墊面進行產流模擬后,以分布式匯流單位線方法進行圩區和圩外坡面匯流計算。水動力模擬將流域內影響水流運動的因素概化為零維模型、一維模型、太湖二維模型和聯系要素四類,分別采用水量平衡原理、圣維南方程組、二維淺水波方程和不同聯系要素相應的水力學公式進行計算。河網水質采用零維和一維水質模型模擬,湖泊水質采用二維水質模型模擬。其中,一維河網的水質模型通用方程如下:

(1)

式中:A為斷面面積,m2;C為某種水質指標的濃度,mg/L;t為時間,s;Ex為縱向分散系數,m2/s;U為斷面平均流速,m/s;S為某種水質指標的生化反應項,g/(m3·d);Sw為某種水質指標的外部源匯項,g/s。

分別選取2013年2～9月和2016年2～9月作為典型枯水時段和典型洪水時段進行水量模型參數率定,選取2012年進行模型驗證;水質子模型選取2013年進行率定,2012年進行驗證。降雨徑流、河道糙率、縱向分散系數等參數采用理論公式計算和經驗取值相結合的方法進行初步設定,模型率定階段通過在合理取值范圍內調試參數確定最終取值。模擬結果表明,太湖水位、地區代表站水位過程均與實測值擬合較好,滿足率定、驗證精度要求。太湖水位擬合過程見圖4,太湖和18個地區水位代表站水位相對誤差分析見表1,101個流域重點水功能區114個代表站流水質驗證成果誤差分析見表2。

表1 2013年水位模擬相對誤差分析Tab.1 Relative error of water level simublation in 2013 %

表2 2012年水質模擬相對誤差統計Tab.2 Relative error of water quality simulation in 2012 %

圖4 2013年太湖水位實測與模擬過程線Fig.4 Water level simulation of Taihu Lake in 2013

1.2.3相關參數設定

開展應對2-MIB風險的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度研究,需對太浦河樞紐大流量下泄情景進行設置。由圖5可知,近年降雨偏豐情況下太浦河樞紐大流量下泄情況時有發生。

圖5 2010～2020年太浦河樞紐下泄流量Fig.5 Discharge flow of Taipu Hydrojunction Project in 2010～2020

根據近年太湖流域水情、太湖水位、太浦河樞紐下泄流量及水文整編資料可獲取性,綜合確定2016年為模擬典型年。結合太浦河樞紐實測下泄流量及工程能力,以100 m3/s為間隔在100～1 000 m3/s范圍內設置11組分級流量條件,對每一分級結合2016年實際流量設置若干模擬時段。

根據相關研究,2-MIB濃度與產嗅藍藻密度關系密切,但其在水體中產生、釋放、轉化機制及其水質水生態模型參數尚未得到充分研究[18],因此本文暫僅對其遷移、稀釋等水動力學過程進行模擬。基于已有研究及近年相關監測數據,太浦河兩岸來水及干流2-MIB濃度本底參數設定為40 ng/L,根據金澤原水廠處理能力,金澤取水斷面2-MIB控制濃度設置為500 ng/L。

根據金澤水庫庫容及應急泵站規模,其搶水蓄滿時間為18 h,結合實際工作經驗,包含監測及信息報送的應急響應所需時間至少為1.25 d,預警所需時間為2.5 d。

2 模擬結果分析

2.1 太浦河樞紐下泄水量到達金澤取水斷面時間

根據模擬結果,太浦河樞紐下泄流量100～1 000 m3/s情況下,東太湖來水到達金澤斷面的時間為25～65 h。當太浦河樞紐下泄流量小于800 m3/s時,水流到達時間隨下泄流量增加而縮短;當太浦河樞紐下泄流量大于800 m3/s時,由于處于流域防洪時段,太浦河下游可能出現強降雨和高潮位頂托,受區域及下游水情影響,太浦河部分河段存在往復流,水流到達時間反而有所延長。太浦河樞紐下泄流量與水流到達金澤斷面時間關系見圖6,關系函數見式(2),決定系數R2=0.972 8。

圖6 太浦河樞紐下泄流量與到達金澤斷面時間關系Fig.6 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and time of discharge flow arriving at Jinze section

(2)

式中:t為太浦河樞紐下泄水流到達金澤斷面的時間,h;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

2.2 金澤取水斷面來水比例

根據模擬結果,當太浦河樞紐下泄流量小于400 m3/s時,兩岸支流均有匯入和流出,南岸入太浦河、出太浦河水量均顯著超過北岸入太浦河、出太浦河水量,兩岸總體均為凈匯入,兩岸支流凈匯入水量之和與金澤斷面來水量的比例為7%～52%;當太浦河樞紐下泄流量大于400 m3/s時,兩岸支流均有匯入和流出,南北岸支流在蘆墟斷面以西匯入,在蘆墟斷面以東流出,兩岸總體均為凈流出,兩岸支流凈流出水量之和與金澤斷面來水量的比例為18%～88%。太浦河樞紐下泄流量與兩岸支流凈匯入水量占金澤斷面來水量比例之間的關系如圖7所示,關系函數見式(3),決定系數R2=0.978 8。

圖7 太浦河樞紐下泄流量與金澤斷面兩岸支流凈匯入比例關系Fig.7 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and inflow ratio from both sides into Jinze section

100≤Q太≤1 000

(3)

式中:P支為太浦河兩岸支流凈匯入太浦河水量占金澤斷面下泄水量的比例,當為凈流出時P支為負值;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

2.3 太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關系

以金澤取水斷面2-MIB濃度不超過原水廠處理能力500 ng/L為條件,結合太浦河樞紐下泄流量與太浦河兩岸支流凈匯入比例的關系,分析太浦河樞紐不同下泄流量條件下,滿足金澤取水斷面2-MIB濃度控制要求的東太湖來水2-MIB濃度限值。結果表明,當太浦河樞紐下泄流量小于400 m3/s時,兩岸支流低濃度2-MIB的匯入對稀釋金澤斷面2-MIB濃度有較大的改善作用;當太浦河樞紐下泄流量大于400 m3/s時,兩岸支流匯入水量較小,因此兩岸匯水對金澤斷面2-MIB濃度改善的作用較小。根據物質守恒分析,太浦河樞紐下泄流量為100～1 000 m3/s時,滿足金澤取水斷面2-MIB濃度控制要求的東太湖來水2-MIB濃度限值為525～1 690 ng/L,建立基于金澤取水斷面2-MIB濃度控制要求的太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關系,如圖8所示,關系函數見式(4),決定系數R2=0.970 1。

圖8 基于金澤斷面2-MIB控制濃度要求的太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關系Fig.8 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and 2-MIB concentration in inflow of East Taihu Lake based on requirement at Jinze section

(4)

式中:C東太湖為東太湖來水2-MIB濃度,ng/L;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

由圖8可知,東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合位于圖中曲線以下區域時,為安全組合,金澤水庫不會面臨取水安全風險;東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合位于曲線以上區域時,為風險組合,金澤水庫可能面臨取水安全風險,需進一步研究水利工程聯合調度策略。

3 金澤水庫及太浦河樞紐聯合調度策略

基于已建立的關系公式,根據金澤應急泵站搶水應急響應及預警所需時間兩個關鍵時間節點確定太浦河樞紐下泄流量閾值,并確定其相應的東太湖來水2-MIB濃度閾值,結合流域區域防洪情勢,提出應對2-MIB風險的金澤水庫與太浦河閘泵工程聯合調度建議策略,見表3。

表3 應對2-MIB風險的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度策略Tab.3 Joint scheduling strategy of Taipu Hydrojunction Project and Jinze Reservoir facing 2-MIB risk

(1) 太浦河樞紐下泄流量小于145 m3/s時,預計太浦河樞紐下泄水流抵達金澤斷面時間超過2.5 d,泵站應急搶水蓄滿時間較為充裕。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于1 300 ng/L,預計金澤取水存在2-MIB濃度超限風險,金澤水庫應立刻啟動應急泵站,維持高水位運行,2 d后及時關閉取水口暫停取水,應急供水2 d左右;若東太湖來水2-MIB濃度小于1 300 ng/L,預計金澤取水2-MIB風險可控,金澤水庫常規運行,太浦河樞紐常態調度。

(2) 太浦河樞紐下泄流量在145～500 m3/s時,預計太浦河樞紐下泄水量抵達金澤斷面時間為1.25～2.5 d,泵站應急搶水蓄滿時間較為緊張。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于745～1 300 ng/L區段處于風險組合區,則金澤水庫取水存在2-MIB濃度超限風險,應立即啟動應急取水,蓄滿后關閉取水口,應盡快減少太浦河樞紐下泄流量,若流域防洪形勢不允許,則需及時考慮上海市原水切換;若東太湖來水2-MIB濃度組合小于745～1 300 ng/L區段,處于安全組合區,則金澤取水2-MIB風險可控,金澤水庫可常規運行,太浦河樞紐常態調度。

(3) 太浦河樞紐下泄流量大于500 m3/s時,預計太浦河樞紐下泄流量抵達金澤斷面時間短于1.25 d,泵站應急搶水時間相對不足。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于545～745 ng/L區段,處于風險組合區,金澤取水存在2-MIB超限風險,金澤水庫應直接關閉取水。此時,由于金澤水庫應急供水時間較短,應盡快減少太浦河樞紐下泄流量,若流域防洪形勢不允許,則需及時考慮上海市原水切換。若東太湖來水2-MIB濃度小于545～745 ng/L區段,處于安全組合區,則金澤取水2-MIB風險可控,金澤水庫可常規運行,太浦河樞紐常態調度。

(4) 在任意應急調度期間,應實時關注太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度變化,根據即時時段組合關系確定后續調度策略:當東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合處于安全組合區時,金澤水庫可恢復常規運行;若仍處于風險組合區,需根據東太湖來水2-MIB濃度提出減少太浦河樞紐下泄流量的調度建議,以降低金澤取水斷面2-MIB濃度,盡早恢復水庫正常取水。

4 結論和展望

(1) 本文提出了結合平原河網水動力模型與數學回歸分析的研究方法,以2016年實況年水情為邊界、金澤原水廠2-MIB處理能力為約束條件,開展了應對2-MIB風險的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度策略研究。根據模擬分析結果,分別建立了太浦河樞紐下泄流量與水流到達金澤斷面時間、兩岸支流凈匯入比例、金澤取水斷面2-MIB濃度不超過500 ng/L控制條件下東太湖來水2-MIB濃度限值的關系式,識別到影響水流到達時間、兩岸支流匯入比例的關鍵節點流量分別是800 m3/s、100 m3/s;太浦河樞紐下泄流量在100～1 000 m3/s范圍內時,基于金澤取水斷面控制要求的東太湖來水2-MIB限值區間為525～1 690 ng/L。在統籌考慮金澤應急泵站搶水所需時間、預警響應所需時間、流域區域防洪形勢的基礎上,提出了太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度不同區間組合下的金澤水庫與太浦河樞紐聯合調度策略,可為保障金澤水庫供水安全提供技術參考。

(2) 本文基于2016年實況水情進行模擬分析,在不同水情邊界條件下,各項分析結果可能會有一定差異。在后續研究中,可結合近年豐水時段水文整編數據進一步完善太浦河樞紐大流量下泄期間的模擬分析,提高預測預報精度。同時,建議整合流域、上海、江蘇、浙江水利水務和生態環境部門的多源監測數據,建立跨區域、跨部門的水源地供水安全監測預警平臺,進一步完善上下游協同聯動調度方案和上海多水源調度調控策略,不斷提升城市原水安全保障能級,為青嘉吳長三角生態綠色一體化發展示范區發展建設、跨區域水源保護提供支撐。