基于M IKE模型的環湖閘壩攔截污染物質效果研究

李慧杰，呂永鵬，張 格，莫祖瀾

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.上海城市排水系統工程技術研究中心，上海市200092）

0 引 言

由于近年來環境的不斷惡化，使得城市河道水環境治理期間存在越來越多的問題，不僅對城市建設形成了很大制約，也嚴重影響人們的生活質量[1]。目前常用的水環境整治技術主要有控源截污技術、內源治理技術、生態修復技術以及補水循環、就地處理及旁路治理等技術[2]。在技術選取過程中，應考慮到城市河湖景觀水體是一個復雜的生態系統，影響景觀水感官的因素包括物理因素（懸浮物）、藻類因素（藍綠藻）、微生物因素（腐敗菌）、化學因素（溶氧、富營養物質）[3],單靠傳統單一的技術處理是不能完全解決的，而是要采用綜合技術手段[4]。本文結合上海市臨港主城區水體特點，在分析現狀污染物入湖途徑的基礎上，利用MIKE模型，模擬采用工程手段削減入湖污染物的方法，結合其他水環境改善措施，形成總體污染物控制技術方案。

1 環湖閘壩設計方案

上海臨港主城區水系形成相對獨立的圩區，規劃建設“一湖七射四漣”的水系網絡，構建出“滴水漣漪”的獨特城市風貌。現有水系是自然長期演變加人工改造的結果，部分河道已按規劃實施,主城區內河水位可以通過已建排海閘進行人工調控，根據《臨港主城區水系專業規劃》，主城區內正常水位控制在2.5~2.7m；預降水位為2.2m；除澇最高控制水位為3.3m。擬通過在射河入口處沿湖設置環湖閘，以達到目標90%污染控制要求，閘門沿湖布設位置見圖1。閘門面對不同的工況以采取不同的啟閉狀態，以阻止降雨時大量污染物質入湖。

圖1 滴水湖環湖閘壩示意圖

現將環湖閘壩運行方案詳述如下：

（1）平時工況：平時閘壩打開，河道水經過濕地凈化進入滴水湖。

（2）中小雨工況：雨前，閘壩升起，有必要時預降河道水位，但不需降滴水湖水位，保留水質較好的水。徑流使河道水位升高，但不超過閘壩，河道水質變差，滴水湖中無徑流進入，因此滴水湖水質不受影響。雨后，通過排海閘排出河道中水質較差的水，降下閘壩，滴水湖與河道恢復溝通。

（3）雨季、暴雨工況：雨前，閘壩升起，首先將河道水位降至預降水位，再按需降低滴水湖水位至預降水位與常水位之間，盡可能保留滴水湖水質較好的水。降雨前期，河道水位升高，但未達到閘壩高度河道水質變差，滴水湖水質不變。隨著降雨繼續進行，河道水位升高至壩頂，并溢流進入滴水湖，滴水湖與河道水位一同升高，一般不超過控制高水位，滴水湖水質變差，但變差程度明顯低于河道。雨后，控制河道中水質較差的水通過排海閘優先排海；滴水湖水位與壩頂高程相同，河道水位低于壩。打開閘壩，滴水湖與河道恢復水體交換。河道與滴水湖水均經過濕地循環凈化，水質逐漸恢復。

為證明此方案可行，現分別模擬中小雨工況（年徑流總量控制率80%和95%分別對應的降雨量26.78 mm和59.3 mm）和暴雨工況（百年一遇降雨279.1 mm）下，當河道預降水位為2.2 m時，河道水位的變化過程，通過數據分析得到滴水湖環湖閘壩的適宜高度。

2 滴水湖水質模型建立

2.1 研究方法概述

主要采用DHI公司的水動力數值模擬軟件MIKE中的水動力模塊和水質模塊模擬水體中的水流運動和生物、化學、物理反應，利用MIKE中的結構物模擬泵閘運行，模擬泵閘開啟后，水體流動以及水體中各項水質指標的變化。本研究中用到的數值模擬手段包括水流模擬數學模型、對流擴散數學模型、水質模擬數學模型，幾個模型之間既相對獨立又相互關聯。

2.2 模型范圍

滴水湖地形采用實測地形，漣河和射河采用設計河道斷面。概化后的滴水湖規劃水系見圖2，網格尺寸10~50m（見圖3），能夠細致刻畫滴水湖及其漣河射河河道形態，保證計算精度。

圖2 滴水湖水系概化

2.3 參數選取

（1）糙率系數

二維模型中糙率系數通過模型的率定與驗證來確定，并參照一定的經驗，取值范圍為0.014～0.016。

圖3 計算網格

（2）渦粘系數

根據Smagorinsky公式確定

式中：U，V為x，y方向垂線平均流速；Δ 為網格間距；Cs為計算參數，一般取0.25＜Cs＜1.0。

（3）水質參數選取（見表1）

（4）動邊界處理

為保證模型計算的連續性，采用“干濕判別”來確定計算區域由于水位漲落產生的動邊界。當計算區域水深小于0.005m時，該計算區域記為“干”，不參加計算；當水深大于0.01m時，該計算區域記為“濕”，重新參加計算。

（5）計算時間步長及初始水位

模型采用的計算時間步長Δt=5s，滿足模型計算準確性和穩定性要求。

2.4 計算條件

2.4.1 水文條件

日常調度中，滴水湖水系均采用常水位2.6m，水文氣象數據采用實測資料，平均風速3m/s。其中，外海潮位選用2016年5月蘆潮港潮位過程。

2.4.2 外源污染物負荷

在水質模擬中，外源污染物是一個重要的輸入參數，參考《上海臨港地區海綿城市專項規劃》中的統計數據。

2.4.3 排海閘調度規則

（1）平時工況：當潮位高于河道水位時，排海閘關閉；防治海水倒灌，當潮位低于河道水位時，排海閘開啟。

（2）有雨工況：當潮位高于河道水位時，排海閘關閉；降雨結束且潮位低于河道水位時，排海閘開啟。

表1 水質參數

2.5 參數驗證與率定

2.5.1 水力模型參數率定與驗證

選擇流域實際發生較大洪水、洪水發生時間較近、降雨情況較為典型、實測資料較完整的作為參證洪水。選擇“20120617”降雨作為參證洪水進行模型參數率定，選用“20160915”降雨作為驗證計算。

（1）“20120617”場次降雨模型率定

2012年6月17日~6月18日降雨，24 h最大降雨量174.4mm，最大1小時降雨量為27.5mm。對2012年6月17日至18日的降雨過程進行模擬，計算得到臨港主城區最高水位為2.95m，實測對應最高水位為2.89m，對應各個時段的實測和計算水位過程線見圖4。

圖4 “20120617”驗證計算滴水湖水位過程線

（2）“20160915”場次降雨模型驗證

2016年9月15日~9月16日降雨，最大24 h總降雨量268.5mm，最大1 h降雨量為58mm。計算得到臨港主城區最高水位為3.28m，實測對應最高水位為3.23m，對應各個時段的實測和計算水位過程線見圖5。

圖5 “20160915”驗證計算滴水湖水位過程線

從上述驗證計算的成果可見，采用經參數率定后的模型進行洪流演進計算，實測值與計算值吻合較好，綜合反映了本次建立的水利計算模型及率定的參數是合理的。

2.5.2 水質模型參數率定與驗證

選取兩個月的水質資料，其中一個月監測數據用于參數率定，另外一個月監測數據用于參數驗證，然后與參證水質的實測值進行比較，得出計算參數的調整值，調整計算參數后再重新計算，直至計算值與實測值之間的誤差在計算精度要求范圍之內。

（1）“201611”水質模型率定

臨港新城蘆潮港站11月15日前10日中4天有降雨，其中7日14.0mm，8日0.5mm，12日2.0mm，13日1.5mm。

2016年11月，滴水湖水質綜合評價屬Ⅳ類，其中總磷和總氮均屬Ⅳ類。2016年11月份滴水湖營養狀態指數是49.8，屬于中營養程度。射河、漣河中24個斷面綜合評價為Ⅲ～劣Ⅴ類，其中外漣河臨港大道斷面屬劣Ⅴ類，其余斷面屬Ⅲ～Ⅳ類。主要影響項目為溶解氧和氨氮。從圖6可以看出，經參數率定后的模型進行水質計算的計算值與各斷面實測水質誤差在20%以內，基本吻合，需通過對另外一月的水質計算對模型進行驗證。

圖6 滴水湖與射河漣河污染物質計算值與實測值誤差

（2）“20161214”水質模型驗證

蘆潮港站12月14日前10日中3天有降雨，其中11日1.0mm，12日4.0mm，13日1.0mm。

2016年12月，滴水湖水質綜合評價屬Ⅳ類，其中總磷和總氮均屬Ⅳ類。2016年12月份滴水湖營養狀態指數是52.8，屬于輕度營養程度。射河、漣河中24個斷面綜合評價為Ⅲ～Ⅳ類，主要影響項目為溶解氧和氨氮。從圖7可以看出，經參數率定后的模型進行水質計算的計算值與實測水質誤差值在20%以內，吻合較好，綜合反映了本次建立的水質計算模型及率定的參數是合理的。

圖7 滴水湖與射河漣河污染物質計算值與實測值誤差

3 模擬結果分析

3.1 降雨分配

假設閘門無限高，分別模擬中小雨工況（年徑流總量控制率80%、95%對應的降雨量26.78mm、59.3 mm）和暴雨工況（百年一遇降雨279.1 mm）時污染物入湖情況，其中，當降雨量為26.78mm時，河道不預降水位，當降雨量為59.3 mm和279.1mm時，河道預降水位為2.2m。通過模擬河道水位與滴水湖水位變化情況，分析控污效果最優的閘門高度組合。

年徑流總量控制率80%和95%分別對應的降雨量26.78 mm和59.3 mm，百年一遇降雨量為279.1mm。扣除初雨損失后將其分配至24 h雨型，分配結果見表2。

表2 降雨量分配表

3.2 模擬結果分析

3.2.1 河道水位上升高度分析

為得到閘門最佳控制高度，模型假設閘門高度為無限高，模擬在一定控制率下河道水位上漲情況，由此確定閘門控制高度。以上述降雨、外河潮位、外排海閘常規調度為邊界條件，模擬2035年河道水位上漲情況見表3（當河道水位高于潮位時，外排海閘開啟）。由模擬結果可知，當降雨量為26.78mm時，河道水位上升0.19m；當降雨量為59.3mm時，河道水位上升0.35m。

由上述模擬可知，中小雨工況不預降水位，大雨及雨季預降水位至2.2m，因此閘壩高度控制在2.8m可控制約95%徑流不進入滴水湖。

3.2.2 技術方案及控制效果分析

通過分析不同降雨量場次降雨條件下，建設環湖閘以后的水質情況，可以較直觀地對比出工程建設的作用。分別針對以上各典型場次降雨，計算建閘和不建閘工況下的污染物濃度削減情況。

表3 不同控制率下河道水位變化表

污染物質伴隨徑流匯入河道的過程是十分復雜的。國內外已有學者對這一現象進行研究并給出了水質計算過程中的簡化方法，本次計算采用初期30%的徑流中攜帶整個降雨事件污染物總量的80%[5]。假設各種降雨條件下，前期污染物累積量相同。在扣除30%的源頭污染物削減的前提下，根據35年預測的污染負荷對徑流污染物濃度進行計算，對建立環湖閘壩之前、之后的水質進行模擬，表4、表5為自降雨第48 h時各工況的滴水湖以及河道水質模擬情況。從表4、表5可看到，在不同的降雨工況下，建立環湖閘壩要比未建之前污染物質濃度削減20%～30%。

4 結 論

環湖閘壩對滴水湖的水質有較明顯的保護作用。當河道水位低于2.8m時，由于環湖閘壩的阻截作用，滴水湖內的水質基本不受影響，射河鏈河水質會變差，其污染物濃度增加程度在15%～40%之間。隨著降雨量的增大，河道內的水溢流進滴水湖，但由于雨水匯流量的增大，對污染物的稀釋作用增強，滴水湖水質也不會受太大影響。在279.1mm工況下，河道內污染的水會溢流進滴水湖，但是由于降雨總量太大，稀釋作用強，導致滴水湖內污染物濃度整體較低。而在26.87 mm和59.3mm的降雨條件下，建閘后河道內的水均未流入滴水湖內，因此建立環湖閘壩對阻擋污染物質入湖有顯著效果。

表4 滴水湖各工況水質比較

表5 河道各工況水質比較