淀東水利樞紐引水泵站規(guī)模研究

陳長(zhǎng)太 徐貴泉 李學(xué)峰

(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200233)

淀東水利樞紐引水泵站規(guī)模研究

陳長(zhǎng)太 徐貴泉 李學(xué)峰

(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200233)

淀東水利樞紐具有防洪除澇、水資源調(diào)度和通航運(yùn)輸?shù)染C合功能，其中淀東引水泵站具有跨片水資源調(diào)度的重要功能，不論是對(duì)淀北片還是對(duì)青松片都有十分重要的作用。本文對(duì)淀東泵站設(shè)置的必要性和可行性進(jìn)行了定性分析，并采用一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，從流速變化、水量交換、水質(zhì)改善效果等多角度，對(duì)不同河道工況條件和不同引水泵站規(guī)模下的引水效果進(jìn)行了定量分析，為確定淀東泵站的規(guī)模提供技術(shù)依據(jù)。

引水泵站 泵站規(guī)模 水資源調(diào)度 淀北片 青松片

因淀北片的內(nèi)河水環(huán)境質(zhì)量較差，但片內(nèi)無(wú)清水水源，需從片外引水入片內(nèi)改善河道水質(zhì)。因此，在《上海市城市防洪排水規(guī)劃匯編》中，提出在淀東水閘設(shè)翻水泵站，引淀浦河水經(jīng)骨干河道楊樹(shù)浦港、戰(zhàn)斗河向淀北片河網(wǎng)輸送清水。該泵站的用地范圍線(xiàn)，市水務(wù)局在上世紀(jì)90年代就以藍(lán)線(xiàn)的形式予以了控制，并同時(shí)報(bào)給了上海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院。2005年閔行區(qū)人民政府批復(fù)的《閔行區(qū)水務(wù)規(guī)劃水利篇》中，再次提出利用部分設(shè)施向“淀北片”供水的規(guī)劃要求。2010年，淀東水利樞紐泵閘改擴(kuò)建工程的項(xiàng)目建議書(shū)已經(jīng)市發(fā)改委批復(fù)，淀東引水泵站的實(shí)施開(kāi)始提上議事日程。但相關(guān)規(guī)劃中對(duì)淀東泵站的規(guī)模未開(kāi)展過(guò)專(zhuān)題研究，均籠統(tǒng)的提出暫定40m3/s的規(guī)模。因此，面對(duì)新的水情和工情條件，淀東引水泵站實(shí)施的必要性、可行性和工程規(guī)模，尚需進(jìn)一步科學(xué)論證。

1 淀北片現(xiàn)狀水資源調(diào)度總體格局及水環(huán)境狀況

淀北片水資源常規(guī)調(diào)度采用“南北引、東排”的運(yùn)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(xiàn)的水閘以引為主、東部黃浦江西岸沿線(xiàn)水閘只排不引，詳見(jiàn)圖1。

根據(jù)2001年～2008年上海市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)，近年淀北片河道主要水質(zhì)指標(biāo)基本穩(wěn)定，其中NH3-N較差，大部分為劣于Ⅴ類(lèi)、少部分?jǐn)嗝鏋棰躅?lèi)；CODCr相對(duì)較好，大部分?jǐn)嗝鏋棰簟玍類(lèi)。在暴雨期間，由于市政泵站放江排水，淀北片河道常發(fā)生黑臭現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響周邊區(qū)域的居民生活。

2 淀東引水泵站實(shí)施必要性與可行性分析

2.1 淀東引水泵站實(shí)施必要性分析1

（1）增加引水水源，拓展水質(zhì)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(guò)水能力制約，淀北片沿線(xiàn)引水口門(mén)的引水力度不能過(guò)大。而淀浦河沿線(xiàn)口門(mén)比較少，引水主要依靠南新涇水閘和中橫瀝北閘兩個(gè)口門(mén)，這兩個(gè)口門(mén)較靠近龍華港和張家塘港兩個(gè)排水口門(mén)，易形成短流，改善范圍有限。另外，淀北片西部地區(qū)無(wú)引排水口門(mén)，水質(zhì)無(wú)法得到有效改善。因此，在淀北片的西南地區(qū)增設(shè)引水泵站，增加了引水水源，可進(jìn)一步拓展水質(zhì)改善范圍，提高水資源調(diào)度的整體效果。

（2）增加引水動(dòng)力，調(diào)活水體改善水動(dòng)力條件的需要

淀東閘外沿線(xiàn)口門(mén)引水受潮汐影響較大，在大潮汛期間水動(dòng)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(nèi)段口門(mén)無(wú)法自流引水。特別是在發(fā)生市政泵站放江造成水質(zhì)污染時(shí)，引水動(dòng)力的不足易造成污染團(tuán)的長(zhǎng)期滯留，嚴(yán)重影響水環(huán)境質(zhì)量。因此，設(shè)置淀東引水泵站可以增加淀北片的引水動(dòng)力，為調(diào)活淀北片河網(wǎng)水體、加快改善河網(wǎng)水環(huán)境創(chuàng)造條件。

圖1 淀北片水資源總體調(diào)度格局示意圖

（3）優(yōu)化調(diào)度格局，提高水質(zhì)改善效果的需要

淀東引水泵站實(shí)施后，淀北片水資源調(diào)度具備了更靈活的手段，水資源調(diào)度格局得到了優(yōu)化。另外，青松片受各種條件制約，水資源調(diào)度引水口門(mén)多，排水口門(mén)少，水體置換速度慢。淀北片從淀浦河閘內(nèi)引水時(shí)，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(huán)境改善。因此，設(shè)置淀東引水泵站，可以?xún)?yōu)化區(qū)域的水資源調(diào)度總體格局，不僅有利于淀北片的水環(huán)境改善，也有利于青松片的水環(huán)境改善。

2.2 淀東引水泵站實(shí)施可行性分析

（1）引水水源

根據(jù)對(duì)淀東閘上下兩個(gè)斷面監(jiān)測(cè)，淀浦河在淀北片附近河段近年大部分水質(zhì)指標(biāo)為IV～劣V類(lèi)，其中NH3-N最差，均為劣V類(lèi)，而DO、BOD5和CODCr指標(biāo)相對(duì)較好為IV～V類(lèi)。總體而言，閘內(nèi)斷面略差于閘外，但好于淀北片內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)。因此，近期淀北片從淀東閘內(nèi)引水，對(duì)改善淀北片水質(zhì)是有幫助的。目前，《蕰藻浜、淀浦河環(huán)境綜合整治規(guī)劃》已基本編制完成，蕰藻浜、淀浦河整治將是繼蘇州河環(huán)境綜合整治之后的又一項(xiàng)重大工程。通過(guò)淀浦河綜合整治，淀浦河將有望在2020年前達(dá)到水功能區(qū)劃要求的IV類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，這將為淀北片引水提供更好的引水水源水質(zhì)。

（2）引排通道

引水河道楊樹(shù)浦現(xiàn)狀口寬為22～24m，河底高程0.0m，淤泥厚度為1.0m。根據(jù)《閔行區(qū)水務(wù)規(guī)劃水利篇》，其規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，規(guī)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(guò)戰(zhàn)斗河、廟橋港、北橫涇、橫瀝港等干河向河網(wǎng)腹部地區(qū)擴(kuò)散，最終由龍華港和張家塘排出。詳見(jiàn)圖1。

因此，從技術(shù)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(guī)模需作進(jìn)一步技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3 一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型

本研究將采用上海感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)不同的工況組合進(jìn)行演算，從水量和水質(zhì)兩個(gè)方面來(lái)分析不同規(guī)模的引水泵站調(diào)水的效果及其影響。

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 一維水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模型基本方程采用圣維南方程組，數(shù)值離散方程采用成熟的Preismann四點(diǎn)隱式格式進(jìn)行離散，聯(lián)立方程求解。

一維明渠非恒定流Saint-Venant 方程組：

式中：t—時(shí)間坐標(biāo)；

x—空間坐標(biāo)；

Q—流量；

Z—水位；

U—斷面平均流速；

n—糙率；

A—過(guò)流斷面積；

B—主流斷面寬度；

R—水力半徑；

q—旁側(cè)入流流量；

BW—水面寬度。

3.1.2 一維水質(zhì)模型

水質(zhì)模型基本方程采用物質(zhì)輸移的對(duì)流擴(kuò)散方程，數(shù)值離散方程也采用成熟的Preismann四點(diǎn)隱式格式進(jìn)行離散，聯(lián)立方程求解。

水質(zhì)基本方程：

式中：C—污染物質(zhì)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(shù)；

S—污染物質(zhì)排放量；

K—污染物降解系數(shù)；

x、t—空間和時(shí)間坐標(biāo)；

Sr—底泥釋放系數(shù)。

3.2 計(jì)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(gè)完整的潮汐周期作為計(jì)算典型時(shí)段，并選用同期的外圍潮位、水位變化過(guò)程作為水文計(jì)算條件。

3.2.2 水質(zhì)條件

（1）代表水質(zhì)指標(biāo)

NH3-N是目前淀北片超標(biāo)最嚴(yán)重的指標(biāo)，故選其作為計(jì)算代表水質(zhì)指標(biāo)。

（2）淀北片水質(zhì)初始條件

NH3-N初始濃度值取為4～6mg/L。

（3）引水水源水質(zhì)

按淀浦河達(dá)到水功能區(qū)劃要求考慮，NH3-N取為1.5mg/L。

3.2.3 工況條件

楊樹(shù)浦按現(xiàn)狀和規(guī)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(diào)度控制條件

淀東引水泵站閘內(nèi)水位不超過(guò)3.3m時(shí)開(kāi)泵引水，其它泵閘調(diào)度方式不變。

4 淀東引水泵站的規(guī)模及引水效果分析

4.1 泵站規(guī)模論證

4.1.1 水動(dòng)力計(jì)算分析

（1）流速分析

淀東引水泵站在不同規(guī)模下，楊樹(shù)浦在現(xiàn)狀和規(guī)劃規(guī)劃兩種斷面下，楊樹(shù)浦最大流速情況見(jiàn)圖2。

圖2 楊樹(shù)浦?jǐn)嗝孀畲罅魉僮兓疽鈭D

由圖2可知，楊樹(shù)浦?jǐn)嗝孀畲罅魉倥c引水泵站規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系，泵站規(guī)模越大，斷面流速也越大。要實(shí)現(xiàn)河道不沖（控制流速小于0.8m/s），若楊樹(shù)浦維持現(xiàn)狀斷面，淀東泵站的規(guī)模不宜超過(guò)30m3/s；若楊樹(shù)浦按規(guī)劃實(shí)施，楊樹(shù)浦最大流速明顯降低，淀東泵站達(dá)到60m3/s，楊樹(shù)浦?jǐn)嗝孀畲罅魉賰H為0.653 m/s，也可滿(mǎn)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(guī)模越大，淀北片總引水量也越大。在淀東泵站規(guī)模小于30m3/s時(shí)，楊樹(shù)浦現(xiàn)狀斷面已可滿(mǎn)足過(guò)水要求，因此，在現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種不同斷面下，淀北片總引水量沒(méi)有明顯差異；但淀東泵站規(guī)模超過(guò)30m3/s后，現(xiàn)狀斷面阻水明顯，淀北片引水量明顯小于規(guī)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(tái)不進(jìn)水，淀浦河沿線(xiàn)口門(mén)包括淀東泵站在閘內(nèi)水位超過(guò)3.30m就必須停止引水，因此，當(dāng)?shù)頄|泵站規(guī)模達(dá)到40m3/s以上時(shí)，由于閘內(nèi)水位超限，淀東泵站將會(huì)經(jīng)常被迫停泵，總引水量增加幅度明顯下降，淀東泵站規(guī)模在40m3/s是一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。可見(jiàn)，僅從淀北片總引水量來(lái)分析，若楊樹(shù)浦?jǐn)嗝娌煌貙挘頄|引水泵站規(guī)模不宜超過(guò)30m3/s；若楊樹(shù)浦?jǐn)嗝姘匆?guī)劃實(shí)施，淀東引水泵站規(guī)模不宜超過(guò)40m3/s。

淀東泵站引水規(guī)模還需通過(guò)水質(zhì)計(jì)算來(lái)進(jìn)一步確定，由于淀東泵站規(guī)模在30 m3/s以下時(shí)楊樹(shù)浦現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種斷面下淀北片引水量差異不大，因此，下面的水質(zhì)計(jì)算將按楊樹(shù)浦港規(guī)劃斷面進(jìn)行。

4.1.2 水質(zhì)計(jì)算分析

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

從淀北片NH3-N面平均濃度分析，當(dāng)引水泵站規(guī)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(kuò)大至55.5%。泵站規(guī)模在20 m3/s以下時(shí)淀北片水質(zhì)濃度下降速度較快，泵站規(guī)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(shí)，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(shí)，NH3-N面平均濃度僅下降12.0%，詳見(jiàn)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(guī)模越大改善速度越快。當(dāng)泵站規(guī)模為10m3/s時(shí)，淀北片水質(zhì)改善并穩(wěn)定所需時(shí)間達(dá)10～11d；當(dāng)泵站規(guī)模為20m3/s時(shí)，可縮短至8～9d；當(dāng)泵站規(guī)模為60m3/s時(shí)，可進(jìn)一步縮短為4～5d，詳見(jiàn)圖5。

圖5 NH3-N面平均濃度改善過(guò)程示意圖

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

4.2 推薦泵站規(guī)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(shí)，楊樹(shù)浦在現(xiàn)狀斷面和規(guī)劃斷面兩種斷面規(guī)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(mén)總引水量均為201.7萬(wàn)m3/d，其中淀東引水泵站172.8萬(wàn)m3/d，占總引水量的85.7%。在一個(gè)潮汛周期15d的調(diào)度過(guò)程中，淀北片NH3-N面平均濃度可由無(wú)泵站條件下的5.17mg/L下降為3.49mg/L，可比無(wú)泵站情況下降32.5%。水質(zhì)改善幅度最大的區(qū)域?yàn)榈肀逼髂喜康貐^(qū)，其次為東南部地區(qū)，北部地區(qū)由于離調(diào)度口門(mén)較遠(yuǎn)，改善幅度相對(duì)較小，其中蒲匯塘以南、梅隴港以西地區(qū)NH3-N可穩(wěn)定達(dá)到V類(lèi)，虹橋地區(qū)水質(zhì)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(diào)度方式是“南引東排”，即從黃浦江沿線(xiàn)口門(mén)引水，淀東水閘排水，其引水口門(mén)遠(yuǎn)多于排水口門(mén)，水體置換量主要受排水口門(mén)制約。淀東引水泵站實(shí)施后，青松片的排水量將明顯增加，日平均排水量將由現(xiàn)狀的258.3萬(wàn)m3/d增加至359.5萬(wàn)m3/d，增幅為39.2 %；青松片的水質(zhì)同步得到了明顯改善，NH3-N面平均濃度可由現(xiàn)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(nèi)的河網(wǎng)水質(zhì)狀況與污染源治理的情況密切相關(guān)，點(diǎn)源通過(guò)截污納管較容易得到治理，但面源點(diǎn)多量大治理起來(lái)任重道遠(yuǎn)，特別是區(qū)域復(fù)雜的雨污合流排水系統(tǒng)雨天放江時(shí)，對(duì)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)容易造成巨大沖擊負(fù)荷，因此，淀北片河網(wǎng)水質(zhì)還存在不穩(wěn)定因素。為分析在不同初始濃度條件下引水泵站調(diào)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(guī)模下，淀北片水質(zhì)改善過(guò)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(diào)度初期水質(zhì)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(diào)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(wěn)定時(shí)的濃度和所需時(shí)間并沒(méi)有明顯差異。引水泵站正常調(diào)度時(shí)一般都是調(diào)度到水質(zhì)基本穩(wěn)定后才停止，因此，只要調(diào)度的時(shí)間足夠長(zhǎng)，初始濃度不是影響水質(zhì)調(diào)度效果的主要因素。

圖6 不同初始濃度下水質(zhì)改善過(guò)程分析圖

5 主要結(jié)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(wǎng)水動(dòng)力條件，也有利于加快青松片河網(wǎng)水體置換速度，在優(yōu)化水資源調(diào)度格局、提高河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量、提升人居環(huán)境等方面具有十分重要的作用，因此，其建設(shè)是十分必要的。

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

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

（4）楊樹(shù)浦現(xiàn)狀有一定淤積，若不進(jìn)行疏浚，引水后將會(huì)導(dǎo)致近引水口門(mén)河段淤泥再懸浮，影響調(diào)水效果，建議與淀東引水泵站同步實(shí)施楊樹(shù)浦拓浚工程。

（5）污染源的控制與治理是改善水環(huán)境的根本措施，水資源調(diào)度是維護(hù)河網(wǎng)水質(zhì)的重要手段；污染源不治理，即使淀東引水泵站20 m3/s持續(xù)引水，也不能使淀北片所有河段水質(zhì)均達(dá)到水功能區(qū)劃要求。

1. 徐貴泉，陳長(zhǎng)太，張海燕；蘇州河初期雨水調(diào)蓄池控制溢流污染影響研究[J]；水科學(xué)進(jìn)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(zhǎng)太（1978年— ），男，高級(jí)工程師。