上海橫沙島水資源調(diào)度方式數(shù)值模擬研究

宋榮華

摘 要：本文通過Mike11建立橫沙島水動(dòng)力和水質(zhì)模型，基于模擬三種工況下兩種主要水資源調(diào)度方式的不同方案對(duì)比，得出現(xiàn)狀水資源調(diào)度方式“北引北排”、后期的“北引西排”與“西引北排”調(diào)度方式對(duì)橫沙島水質(zhì)的影響結(jié)果。經(jīng)分析可知，在水系溝通的基礎(chǔ)上，水資源調(diào)度的時(shí)間在逐漸縮短;從5d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，“北引西排”調(diào)度方式比“西引北排”調(diào)度方式效果略好;從15d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，兩種調(diào)度方式效果相差不大。綜合考慮，推薦“北引西排”的水資源調(diào)度方式。

關(guān)鍵詞：上海橫沙島;水資源調(diào)度方式;數(shù)值模擬;Mike11

中圖分類號(hào)：TV21? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0118-03

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法越來越頻繁地應(yīng)用于河道整治中。國際上通用的河口海洋數(shù)值模擬軟件有很多，如美國普林斯頓大學(xué)的POM、ECOM模式，丹麥水力學(xué)研究所的MIKE軟件，荷蘭代爾夫特大學(xué)的Delft3D軟件等等[1]。水動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)河網(wǎng)水系水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種模擬，通過水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算可以預(yù)測各種降雨標(biāo)準(zhǔn)、邊界條件、控制條件下的河網(wǎng)水位和流量變化。水質(zhì)模型是描述水體中污染物隨時(shí)間和空間遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，可用于模擬污染物在水體中遷移、轉(zhuǎn)化的特征和規(guī)律，對(duì)水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行預(yù)測[2-3]。

橫沙島位于長江入?？跂|端，三面環(huán)江，一面臨海。橫沙島現(xiàn)有河網(wǎng)布局不合理，島內(nèi)水系未連接成網(wǎng)、河道水系不通暢，河道水動(dòng)力不足。根據(jù)近2年的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，橫沙島水質(zhì)有逐年下降趨勢，特別是2017年8月水質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示島內(nèi)河道Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)已占86.7%。橫沙島水系格局基礎(chǔ)薄弱，規(guī)劃“三橫一縱一環(huán)”骨干河道大多未進(jìn)行綜合整治，存在亂占亂建現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)面源污染較普遍[4]。本文通過Mike11建立橫沙島水動(dòng)力和水質(zhì)模型，模擬不同工況下的水資源調(diào)度方式，得出水資源調(diào)度方式對(duì)橫沙島水質(zhì)的影響結(jié)果。

1數(shù)值模型

1.1? 控制方程

Mike11模塊由水動(dòng)力、對(duì)流～擴(kuò)散、水質(zhì)、降雨～徑流、洪水預(yù)報(bào)等模塊組成，核心模塊為水動(dòng)力模塊。Mike11水動(dòng)力模塊采用6點(diǎn)Abbott～I(xiàn)onescu有限差分格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行求解。

圣維南方程是反映有關(guān)物理定律的微分方程，包括連續(xù)方程（質(zhì)量守衡定律）和動(dòng)量方程（牛頓第二定律）：

式中：Q為流量，m3/s;q為側(cè)向入流，m3/s;A為過水面積，m2;h為水位，m;R為水力半徑，m;C為謝才系數(shù);α為動(dòng)量修正系數(shù)。

1.2? 方程離散

圣維南方程中的連續(xù)型方程和動(dòng)量方程通過有限差分法進(jìn)行離散，計(jì)算網(wǎng)格由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)組成，其中流量點(diǎn)和水位點(diǎn)在同一時(shí)間步長下分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格由模型自動(dòng)生成，水位點(diǎn)是橫斷面所在的位置，流量點(diǎn)位于兩個(gè)相鄰的水位點(diǎn)之間。計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的分布遵循以下規(guī)則：①河段上下游端點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn);②支流入流點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn);③實(shí)測斷面資料點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn);④模型根據(jù)max值自動(dòng)插入的點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn);⑤建筑物點(diǎn)為計(jì)算水位點(diǎn);⑥兩個(gè)水位點(diǎn)之間只存在一個(gè)計(jì)算流量點(diǎn)。

1.3? 河網(wǎng)概化

橫沙鄉(xiāng)的現(xiàn)狀河網(wǎng)是基于Mike11一維河流模擬系統(tǒng)，根據(jù)2017年現(xiàn)狀河網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀河道調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建而成，本次計(jì)算范圍為橫沙鄉(xiāng)區(qū)域，計(jì)算面積約51.74km2。橫沙島現(xiàn)狀河網(wǎng)模型見圖1，河道按《崇明區(qū)橫沙鄉(xiāng)水利專業(yè)規(guī)劃[5]實(shí)施后的河網(wǎng)模型見圖2。

1.4? 河網(wǎng)泵閘系統(tǒng)控制模塊

泵閘控制方式的模擬是水動(dòng)力模型的重要組成部分。根據(jù)上海的水網(wǎng)特征、水資源合理調(diào)度客觀要求以及水利工程運(yùn)行管理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵循防汛時(shí)按照防汛安全要求調(diào)度、平時(shí)按照改善水質(zhì)和用水需要調(diào)度的原則，對(duì)閘的運(yùn)行方式按照上下游的水位進(jìn)行控制、閘關(guān)聯(lián)水系的區(qū)域水位控制以及時(shí)間控制等多重要求進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)度模擬。

1.5? 模型驗(yàn)證

本模型降雨徑流模塊采用UHM（單位水文過程線），該模塊適用于單一暴雨時(shí)間且無河流流量記錄的地區(qū)。匯水面積通過Thiessen平均面積降雨權(quán)重法進(jìn)行計(jì)算。模型中的Initial Loss（初損）對(duì)應(yīng)水務(wù)規(guī)劃院河網(wǎng)模型中的初滲，Constant Loss（常損）對(duì)應(yīng)水務(wù)規(guī)劃院河網(wǎng)模型中的穩(wěn)滲、蒸發(fā)和攔截，初損值和常損值根據(jù)不同用地面積占比進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算。

規(guī)劃河網(wǎng)經(jīng)過除澇計(jì)算所得到的最高水位為2.66m（見圖3），與《崇明區(qū)橫沙鄉(xiāng)水利專業(yè)規(guī)劃》計(jì)算成果一致，因此采用Mike 11構(gòu)建的橫沙島一維河網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2水資源調(diào)度方式設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 水資源調(diào)度方式設(shè)計(jì)

根據(jù)《上海市水環(huán)境功能區(qū)劃（2011年修訂版）》，橫沙島屬于Ⅲ類水質(zhì)控制區(qū)。橫沙島現(xiàn)狀水質(zhì)與水環(huán)境功能區(qū)劃的要求仍有明顯差距。引清調(diào)水是水質(zhì)提升和水環(huán)境治理的重要手段，充分利用現(xiàn)有水利工程設(shè)施，發(fā)揮區(qū)域的水資源、水動(dòng)力優(yōu)勢，引入相對(duì)優(yōu)良的水資源，調(diào)活水體、改善水質(zhì)，增加復(fù)氧、增強(qiáng)水體自凈能力。橫沙島位于長江口，受長江口潮汐變化影響，橫沙島潮汐為不正規(guī)半日潮，其引排水口門有著天然潮差的優(yōu)勢，本著節(jié)能的原則，盡量利用潮差引排水，減少泵站的開啟量。長江口水質(zhì)Ⅲ類水居多，有時(shí)水質(zhì)可以達(dá)到二類水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)橫沙口門的分布位置，擬定的橫沙鄉(xiāng)水資源調(diào)度方式有“北引西排”和“西引北排”兩種方式，“北引西排”即創(chuàng)建港水閘引水其他三個(gè)閘門排水，“西引北排”反之。

2.2 水資源調(diào)度方式計(jì)算

橫沙島的現(xiàn)狀口門中只有創(chuàng)建港水閘可以投入使用，現(xiàn)狀的水資源調(diào)度方式為“北引北排”，該調(diào)度方式會(huì)引起河道中水體來回?cái)[動(dòng)且影響范圍比較有限。

本文假定所有泵閘工程均可以正常投入使用，在此基礎(chǔ)上采用Mike11水動(dòng)力和水質(zhì)模型，針對(duì)不同水資源調(diào)度方式進(jìn)行計(jì)算，選擇氨氮作為水質(zhì)考察指標(biāo)。

2.2.1 計(jì)算工況

橫沙水系未形成網(wǎng)絡(luò)，距離規(guī)劃要求較遠(yuǎn)。以水利規(guī)劃為基礎(chǔ)提出相應(yīng)連通方案，便于水資源調(diào)度能達(dá)到預(yù)期效果。方案原則：①近期未整治且對(duì)盤活水體相對(duì)重要的河段;②局部有阻水點(diǎn)或未與骨干河道連通的河段?；诖诉x擇建東河、東海河、慶德圩河（老文興河～文興河）、新盟河。因此，計(jì)算工況選?。孩佻F(xiàn)狀河道+現(xiàn)狀泵閘;②方案實(shí)施后+現(xiàn)狀泵閘;③遠(yuǎn)期規(guī)劃實(shí)施后+規(guī)劃泵閘。

2.2.2 計(jì)算條件

（1）計(jì)算邊界條件。模型邊界水位條件采用橫沙站2018年9月10日（初一）～2018年9月25日（十六）的實(shí)測潮位過程，為一個(gè)完整的大潮、小潮過程。邊界條件中的氨氮濃度設(shè)為0.75mg/L（對(duì)應(yīng)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)）。

（2）計(jì)算初始條件。內(nèi)河初始水位設(shè)為常水位2.3m，氨氮初始濃度設(shè)為1.75mg/L（對(duì)應(yīng)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)）。

（3）口門控制條件。①引水口門控制條件，即外海潮位高于內(nèi)河水位時(shí)，開啟閘門進(jìn)行引水，待內(nèi)河水位上升至最高控制水位2.7m時(shí)關(guān)閉閘門;外海潮位低于內(nèi)河水位時(shí)，關(guān)閉閘門。②排水口門控制條件，即外海潮位低于內(nèi)河水位時(shí)，開啟閘門進(jìn)行排水，待內(nèi)河水位下降至起調(diào)水位1.7m時(shí)關(guān)閉閘門;外海潮位高于內(nèi)河水位時(shí)，關(guān)閉閘門。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過模型計(jì)算得到三種工況下不同調(diào)水方向的氨氮濃度分布圖，見圖4～7。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀條件下“北引北排”對(duì)于橫沙鄉(xiāng)水質(zhì)改善程度有限，經(jīng)過15d的引清調(diào)度，仍然無法明顯改善橫沙鄉(xiāng)南側(cè)區(qū)域的水質(zhì)。

方案實(shí)施后，經(jīng)過10d的“西引北排”調(diào)度，基本可以將全鄉(xiāng)的主要河道水體置換一遍;經(jīng)過15d的“北引西排”調(diào)度，也基本可以將全鄉(xiāng)的河道水體置換一遍，只有局部由于水系溝通問題，水質(zhì)改善緩慢。從5d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，“北引西排”調(diào)度方式比“西引北排”調(diào)度方式效果略好;從15d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，兩種調(diào)度方式效果相差不大。

遠(yuǎn)期規(guī)劃實(shí)施后，經(jīng)過3d的“西引北排”或者“北引西排”調(diào)度，均基本可以將全鄉(xiāng)的河道主要水體置換一遍，較短時(shí)間內(nèi)能夠滿足水質(zhì)改善的需要，兩種調(diào)水方式區(qū)別不大。

3結(jié)論

本文通過Mike11建立橫沙島水動(dòng)力和水質(zhì)模型，基于模擬三種工況下兩種主要水資源調(diào)度方式的不同方案對(duì)比，得出現(xiàn)狀水資源調(diào)度方式“北引北排”、后期的“北引西排”與“西引北排”調(diào)度方式對(duì)橫沙島水質(zhì)的影響結(jié)果。經(jīng)分析可知，在水系溝通的基礎(chǔ)上，水資源調(diào)度的時(shí)間在逐漸縮短;從5d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，“北引西排”調(diào)度方式比“西引北排”調(diào)度方式效果略好;從15d的水質(zhì)調(diào)度結(jié)果來看，兩種調(diào)度方式效果相差不大。

由于橫沙西側(cè)口門外灘勢呈淤積態(tài)勢，如果從西側(cè)口門引水，會(huì)加重口門外的灘地淤積;如果從西側(cè)口門排水，則可以利用大流速的出流對(duì)口門外側(cè)進(jìn)行沖刷，使西側(cè)口門外的灘地穩(wěn)定甚至略有沖刷。綜合考慮水資源調(diào)度方式的水質(zhì)改善效果和對(duì)口門沖淤的影響，本文推薦“北引西排”的水資源調(diào)度方式，即從創(chuàng)建港水閘和反帝圩水閘引水、從紅星港水閘、新民港水閘和文興港水閘排水。

參考文獻(xiàn)：

[1] 申宏偉. Delft3D 軟件在水利工程中的數(shù)值模擬[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2005，11（7）：440- 442.

[2] 郝芳華，李春暉，趙彥偉等. 流域水質(zhì)模型與模擬[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2008，10（3）：3- 10.

[3] 田凱達(dá)，劉曉薇等. Mike11模型在合肥市十五里河水質(zhì)改善研究中的應(yīng)用[J].水文，2019，39（4）：18- 23.

[4] 顧建，高肖.上海橫沙島骨干河道“一河一策”方案編制探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2019，5：14-16.

[5] 李琦，唐迎洲.崇明區(qū)橫沙鄉(xiāng)水利專業(yè)規(guī)劃[M].上海，上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2018.