嘉定區蕰南中部地區原型調水試驗研究

楊 琪,李念斌

(1.同濟大學,上海市 200092;2.上海嘉定水務工程設計有限公司,上海市 201800)

嘉定區蕰南中部地區原型調水試驗研究

楊 琪1,李念斌2

(1.同濟大學,上海市 200092;2.上海嘉定水務工程設計有限公司,上海市 201800)

結合上海市嘉定區蕰南中部地區原型調水試驗,分析了不同調水方案的實測數據,得出現有調水方案存在的問題,并提出解決問題的思路。

調水試驗;水量;水質

1 概述

1.1 區域概況

嘉定區位于上海市的西北部,市級河道蕰藻浜橫貫其南部,在穿越滬寧鐵路后折向西南與蘇州河交匯。由此,嘉定區水系形成了界線分明的南北兩片。其中,蕰藻浜以南地區的面積約為106.4 km2,其范圍是:東以嘉定行政區域為界,西以蕰藻浜為界,南北兩側各以蘇州河和蕰藻浜為界,形成了一個相對獨立的區域。這一區域俗稱嘉定的蕰南地區。

嘉定蕰南中部地區西起鹽鐵塘,東至新槎浦,北至蕰藻浜,南至蘇州河,總面積81.65 km2,屬長江三角洲沖積平原,歷來受海洋性氣候影響,季風盛行,四季分明。常年平均氣溫15.2℃,雨量充沛,但降雨量年內、年際分布不均。多年平均降雨量為1 103.01 mm(黃渡水文站資料),其中6～9月份為汛期,多年平均汛期降雨量為577.43 mm,占全年降雨量的52.36%。由于受臺風暴雨等災害性氣候以及太湖洪水下泄的影響,洪澇災害時有發生,是水環境問題最嚴重、矛盾最突出的地區。

嘉定蕰南中部地區涉及南翔、江橋、黃渡三鎮,這一地區是嘉定區經濟最發達的地區之一,為改善這一地區的水環境,促進區域經濟社會的可持續發展,市、區、鎮三級政府近幾年在河道整治、治污截污方面投入了大量資金,水環境治理取得了一定成效,但由于區域河道缺乏必要的水動力條件,導致水體在多數情況下處于“死水”狀態,從整體上講這一區域的水環境質量仍然較差。

1.2 水動力情況

嘉定蕰南中部地區處于平原感潮河網地區，區域內地形平坦，河道水力坡度十分平緩，水動力條件極差。隨著區域內經濟建設的發展,在建設過程中填堵了部分河道，使得河道過水能力進一步削弱。區域中部有滬寧鐵路、滬寧高速公路等多條交通干線與河道相交,大量交叉建筑物形成了多處束水障礙,甚至斷流,嚴重影響了河網水體流動。尤其是自蘇州河整治以后，限制了向蘇州河排水，使原來可以依靠蘇州河潮汐進行水體自然交換的狀態受到了限制， 區域內水體基本失去了依靠自然條件進行的水體流動能力。

1.3 河道及水利工程現狀

嘉定蕰南中部地區的河道以滬寧鐵路為界分割為南北兩部分，目前連通南北僅有封浜河一個口門。其中,滬寧鐵路南側的骨干河道有“二縱三橫”共計5條,為封浜、淺江、西虬江、南虬江和小虬江。滬寧鐵路北側的骨干河道呈“四縱四橫”共計8條,為橫瀝、花園江、封浜、淺江、吾尚塘、地司瀝、走馬塘、連浦。

本次調水試驗將在現有已建水閘泵站工程的基礎上進行,分別涉及橫瀝泵閘、封浜泵閘、走馬塘泵閘、封浜套閘共4座區管泵閘,蘇州河北岸一線的顧岡涇、北周涇、黃巢江、老封浜、小封浜以及蕰東水閘和沿新槎浦一線的市管水閘。其中橫瀝泵閘和封浜泵閘以排水為主,其余水閘泵站以引水為主,形成南引蘇州河水,向北排入蕰藻浜的調水方式［1］。主要水利控制工程如圖1。

2 方案選擇

2.1 試驗目的

(1)驗證已建橫瀝泵閘、封浜泵閘的實際調水效果(包括調水影響范圍、河道水質改善程度)以及每次調水間隔周期，每次調水時間和運行費用等。

(2)通過實時調度和布設測站施測，驗證前期專項規劃提出的調水方案的正確性以及存在的問題，同時提出下一步完善的措施。

圖1 蕰南中部地區主要引調水控制工程分布圖

(3)通過不同組合的調水方案試驗，找出改善蕰南中部地區水質的最佳調水方案，以實現該地區水資源調度的科學化管理。

(4)進一步驗證打通滬寧鐵路下幾處瓶頸的必要性。

(5)找出蕰南片工程調水與江橋西片圩區引調水之間的最佳配合方案。

(6)了解已建調水工程主要設備的可靠性，為下階段建設整個調水工程自動化系統做準備。

2.2 方案設置

根據本次調水試驗要達到的目的［2］,經綜合比選,確定了如下3種試驗方案:

(1)橫瀝泵閘單獨調水,打開走馬塘節制閘,敞開沿蘇州河一線所有節制閘和套閘;

(2)封浜泵閘單獨調水,走馬塘節制閘按預定時間段開閉,敞開沿蘇州河一線所有節制閘和套閘;

(3)封浜泵閘、橫瀝泵閘、走馬塘泵閘聯合調度,開啟所有水泵，關閉節制閘,沿蘇州河一線和沿新槎浦一線的所有節制閘、套閘也全部同時敞開。

3 試驗前期工作及試驗過程

3.1 最低控制水位的確定

考慮到航運及市政建設情況,通過查詢歷史數據及計算試驗區河道庫容量與最大排水量之間的差值,設定最低控制水位2.20 m,建立控制點,并安排人員試驗期24 h值班。

3.2 邊界條件控制

蕰南中部地區淺江泵閘、狗頸骨節制閘、花園江節制閘、西全河節制閘等控制性工程尚未全部建成,因此,為防止蕰藻浜河水從開放的口門向蕰南中部地區回流,事先封堵了沿蕰藻浜一線的口門。

為防止因蕰藻浜水位過高,造成通過遠處的口門向該地區回流,以及對蕰藻浜以北地區造成防汛壓力,試驗方案的實施在蕰東水閘排水實現預降水位后進行。

3.3 試驗過程

試驗方案于2013年8月啟動,由于兼顧汛期及蕰東閘預降水,至9月底完成3個方案的實驗,各方案連續運行72 h。主要調水思路為“南引北排”,由封浜泵閘、橫瀝泵閘向蕰藻浜排水,走馬塘泵閘向試驗區引水,蘇州河沿線市管水閘當蘇州河水位高于內河水位時,開啟外圍工程閘門,否則關閉閘門,能引則引。

試驗區在重要河道、汊點安排水量、水質固定監測點6個,單水質監測點5個,每小時進行一次測驗及采樣,安排巡測組在試驗區進行流動測驗,并安排專人觀測河道流向。

4 試驗結果

4.1 水位變化情況

各方案試驗中,監測點水位基本與邊界河道呈同步變化趨勢,除方案一外,方案二、三試驗中監測河道水位對比邊界河道水位有一定程度的下降,方案二試驗區平均水位下降0.07 m,方案三試驗區平均水位下降0.10 m,方案三水位下降較為明顯。

4.2 水量監測情況

以試驗方案三為例,分析鐵路北片南翔地區水量平衡情況,橫瀝泵閘排水245萬m3、封浜泵閘排水218.8萬m3。由于試驗期間吳淞江水位較試驗區域水位沒有明顯的高低差,且引水時間極短,可忽略對試驗區域的作用,進入試驗區的水量主要由中槎浦提供,其中吾尚塘進水265萬m3、走馬塘59.4萬m3、封浜河鐵路以南進水量128萬m3,引排水誤差2.46%,進出水量基本平衡。水量平衡簡圖如圖2。

圖2 3號方案水量平衡簡圖

4.3 河道流向監測情況

本次引調水試驗3種方案根據不同的泵閘開啟,水流方向有一定的變化,但主要輸水河道的流向基本是一致的,即:鐵路以南地區向封浜河流動,匯入封浜河后向鐵路以北流動。鐵路以北地區,橫瀝河、封浜河由南向北流動,吾尚塘由東向西流動。整體的流向趨勢是橫瀝、封浜泵閘向北排水,中槎浦由東向西對試驗區進行補給。河道流向如圖3。

圖3 河道流向圖

4.4 重要汊點分析

由于本次試驗中封浜河封富橋監測點(以下簡稱封富橋測點)位于試驗區域正中,且是試驗區域南北交界的唯一通道,對各試驗方案是否能帶動鐵路以南地區水體有重要的參考意義,因此有必要對該汊點在不同試驗方案下的水動力情況進行分析。在引調水試驗前對該點位進行的踏勘顯示該點位水體基本沒有流動的跡象,而在引調水3個方案中,該點不僅發生了水體流動,而且在不同方案中顯示了不同的水動力特性。

方案一:封富橋監測點過水量92.7萬m3,占橫瀝泵閘總排水量的37.8%。試驗期間平均流量3.58 m3/s，考慮到橫瀝泵閘9.45 m3/s的排水能力,本方案對鐵路以南地區水動力有可觀的拉動作用。

方案二:對封富橋測點進行觀測,實測發現走馬塘泵閘的開閉對該監測點基本不造成影響。試驗階段的平均流量為3.69 m3/s。從平均流量上來看,方案二對鐵路以南地區的河道拉動能力優于方案一。

同時,由于封浜泵閘的排水能力低于方案一中的橫瀝泵閘,封富橋測點過水量占泵閘排水的43.8%,效率較方案一高。

方案三:封富橋測點過水量128萬m3,占橫瀝泵閘和封浜泵閘總排水量的27.6%,平均流量為4.86 m3/s。由于吾尚塘強力的補給作用,該監測點受到頂托作用,雖然平均流量較大,但總過水量與泵閘排水量的占比變小,對鐵路以南的拉動作用較1號方案減少。

4.5 水質監測情況

由于本次試驗時間跨度為2個月,各方案僅進行24×3 h,蘇州河水位偏低,引水量及其有限,且蘇州河水質未明顯優于試驗區水體,所以整個試驗過程中,試驗區水體水質變化不明顯［3］。

5 試驗發現的問題及解決思路

5.1 發現的問題

5.1.1 蘇州河引水問題

本次引調水試驗由于邊界條件的限制,原計劃從蘇州河一線引水的條件不充分,沒有引入活水,試驗很大程度上是在原水體內進行調節,水質變化較小。同時,試驗期間,蘇州河水質未明顯優于試驗區水體,沒有達到引清的目的。

5.1.2 吾尚塘補給作用

對吾尚塘、橫瀝河汊點進行觀測,結合吾尚塘監測情況,吾尚塘流入265萬m3,橫瀝泵閘排出245萬m3,多出水量合并橫瀝河吾尚塘南段水量經吾尚塘全部往封浜河方向流動。橫瀝泵閘的全部排水量由中槎浦經吾尚塘補給,形成中槎浦→吾尚塘→橫瀝河→蕰藻浜→中槎浦的小循環,一定程度上抵消了本次方案的泵閘排水能力。

5.1.3 泵閘組合的問題

試驗的各個方案在不同的泵閘組合下會產生不同的引調水效果,如:在橫瀝泵閘和封浜泵閘全開的情況下,開啟走馬塘泵閘反而使封富橋監測點流量減小。

5.2 問題解決的方法

5.2.1 納入全市水環境治理方案

蕰南片引調水主要目的是引入蘇州河水體,然而現在的情況是蘇州河的水體水質與試驗區的水體水質沒有明顯區別,即使沒引入足夠的水量,也對試驗區的水環境起不到改善作用。這個問題需待上海市對蘇州河綜合整治的推進,蘇州河水質好轉后解決［4］。

5.2.2 建立水利控制工程

從試驗過程來看,吾尚塘的強力補給作用大大稀釋了泵閘的調度能力,因此有必要在吾尚塘河道上建立控制工程,減弱小循環對整片區域引調水的削弱作用。

5.2.3 利用各種方式進行泵閘組合優化

本次試驗僅采用了有限的幾種泵閘組合方案,而蕰南中部地區含已經建立的和規劃建設的泵閘等水利控制工程多達二十幾座?？梢允褂脭抵的Ｐ偷榷喾N方法對這些控制工程進行優化調度的研究,尋找最優調度方案。

6 結論

利用蕰南地區已有的水利控制工程能夠對蕰南地區進行一定的水利調度,使該地區的水體進行流動,但水體流動效果未及預期,水質好轉的趨勢不明顯。

通過本次調水試驗,驗證了已建水利控制工程的作用,但對整個蕰南中部地區來說,水環境的改善非一朝一夕的事,需要從全市水環境綜合整治的部署、技術措施、水資源管理、水污染治理等方面,多層面、多角度入手,才能最大限度地改善該地區的水環境。

［1］ 匡翠萍，李行偉，劉曙光.大規模圍墾對香港維多利亞港水動力環流的影響［J］.同濟大學學報:自然科學版.2009,(2):176-181.

［2］ 陳江,崔廣柏.原型調水試驗研究在江陰東、南部水系改造中的應用［DB/OL］［2007-03-21］. http://.www.paper.edu.cn.

［3］ 郜會彩，李義天，何用，等. 改善漢陽湖群水環境的調水方案研究［J］.水資源保護,2006(9):41-44.

［4］ 黃偉，何用，李榮，等.感潮地區引清調水方案研究［J］.水電能源科學，2004(6):19-22.

TV68

B

1009-7716(2015)03-0080-03

2014-12-18

楊琪(1982-)，男，上海人，工程師，從事水文水資源調查研究工作。