平原城市感潮河網水環境改善方案研究
——以上海市淀北片為例

謝 忱，丁 瑞，楊 帆，潘小保，范子武

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210098)

平原城市感潮河網地勢平坦，水動力弱[1- 2]，受潮汐作用和泵閘調度的影響，水體又常常往復無序流動[2]，與此同時，由于水系發達、水利工程眾多，人工調度的統籌難度極大[3]，總體表現為河網密、工程多、強感潮、控制難[4]。由于城鎮化的快速發展，入河污染物急劇增長，嚴重威脅著水環境水生態，如何利用平原感潮河網的潮動力引水[5- 7]，構建科學有序的引排體系，促進河道水體有序流動，提高水體自凈能力，對于改善平原城市感潮河網水環境質量具有重大意義[8- 10]。

上海市淀北片是典型的平原城市感潮河網，由于受區域自然地形地貌以及水利工程的影響，局部區域水體存在流動性差、無序流動、水環境壓力大等問題[11- 12]。目前研究范圍內河網主要依靠閘門的開關以及潮水的漲落實現河網水體流動，但由于閘泵眾多，缺乏科學統籌調度，致使河網中存在緩流滯留區，不利于淀北片河網水質的整體改善。

本文以上海市淀北片為例，基于現狀水系及水利工程，建立了河網水動力精細化數學模型[13- 16]，分析了不同方案的河網流速變化情況，以充分利用潮動力、提高水體流動性為目標，提出上海市淀北片暢流活水總體思路及活水方案。

1 研究區域概況

1.1 區域概況

上海市淀北片屬于典型平原城市感潮河網，水動力條件差，水體易往復流動，調控難度大。研究范圍內水網密布，共有130多條大小河道。內部有5條主干河道，分別為三橫兩縱：蒲匯塘、漕河涇-龍華港、張家塘港，以及新涇港、北橫涇；其他主要河道有小淶港(邊界河道)、春申港、梅隴港、華漕港、野奴涇(典型斷頭浜)、諸家浜、上澳塘、東上澳塘、北潮港、北虹莘港、楊樹浦、張正浦、龍尖嘴、鹽倉浦、姚登港、蟠龍潭、虬江港等；研究范圍東側有黃浦江，南側有淀浦河，北側有蘇州河。如圖1所示。

圖1 淀北片水資源常規調度引排格局示意圖

1.2 現狀調度

淀北片現行的引清調水常規方式為“南北引、向東排”，即蘇州河南岸沿線水閘只引不排、淀浦河北岸沿線閘以引為主、黃浦江西岸沿線水閘只排不引，如圖1所示。

1.3 水環境存在問題

淀北片內部各河道水質基本在Ⅴ類左右，總體水質情況較差。通過現場踏勘發現了河道存在的主要問題如下。

1.3.1部分河道流動性差、水質差、感官效果差

片區內部分河道水體流動性較差，幾乎處于靜止狀態，部分河面聚集了大量懸浮物及藻類；部分河道兩側污水未經處理直接排入河道，生活垃圾漂浮水面，水體污染嚴重；部分河段水體渾濁，感官效果差；部分河道淤積嚴重，底泥易擾動釋放。

1.3.2片區內閘泵及跨行政區眾多調度不協調

片區內閘泵等水利工程眾多，且跨越的行政區較多，缺乏統一協調調度的平臺，調度困難。

1.3.3相較于黃浦江，蘇州河現狀水位較低，閘引困難

現狀黃浦江水位受潮位影響，最高水位為4.0m，漲潮時，自引較為簡單。而蘇州河現狀水位較低，最高水位為2.8m，當內河水位較高時，閘引較為困難。

1.3.4淀北片部分毛細河道、斷頭浜與主干河道水體交換頻率低

淀北片存在許多斷頭浜和毛細河道，日常閘門開啟較少，與主干河道水體交換頻率低，導致部分河段水體發黑，水面漂浮油膜，味道刺鼻。

2 原型觀測

2.1 調度方案

在2015年12月25日—2016年1月4日10天進行調水試驗及原型觀測，通過先引后排，觀測河網水位、流量及水質改善情況，具體調度方案如下。

蘇州河南岸、淀浦河北岸沿線水閘全力引水，每天兩潮(主要引水水閘控制閘內的水位不超過3.50m。當開閘前閘內水位高于3.40m時，停止引水一潮)。黃浦江西岸沿線水閘晚上全力排一潮，能排則排；當白天排水水閘內河水位超過3.40m時，增加一潮排水，并控制最低內河水位不低于2.40m。

試驗開始時，黃浦江西岸沿線水閘暫停排水，當閘內水位高于3.40m時開始排水。

在此期間，蘇州河河口水閘內河最高控制水位為3.10～3.50m。

2.2 觀測結果

通過原型觀測發現淀北片存在以下問題：過境水資源有效利用程度偏低；水流往復無序流動，缺乏科學調控；進水閘門和排水閘門調度不協調，部分河道存在往復無序流動；淀北片內大中小閘泵約幾十處，僅5處閘門水位數據和調度情況在水利處聯網共享。其他閘門在各區內有各自系統；部分小閘泵缺乏自動水位記錄儀。閘門調度精準程度尚有較大提升空間。

2.2.1大潮期間蘇州河口閘開啟時間過短

原觀調水期間，根據所獲得蘇州河口閘內外水位和調度分析，大潮期間蘇州河口閘開啟時間較短，大約為0.5h，蘇州河內水位3.5m左右(閘內最高控制水位4.2m)如圖2所示，圖中可見，大潮期間引水時間極短，潮差資源未充分利用，引水量不足。在后文中會模擬蘇州河閘延長引水時間工況。

圖2 蘇州河口閘內外水位對比(大潮期間7d水位過程線)

2.2.2調水期間片區內水位低

原觀調水期間，片區內水位較低，片區內水位圖如圖3所示，水位位于2.6～2.9m范圍內，根據調水細則淀北片面控制水位2.2～3.0m，實際區內面水位可繼續提高并且可以提高張落潮的幅度范圍，以提高水體的流動性。片區內水位較低大致有如下兩個原因：①大潮期間蘇州河口引水不足，蘇州河水位較低；②淀北片內部大小閘泵站眾多，由于缺少準確的數學模型作為支撐，淀北片缺乏科學的調度，為確保片區內部分區域不被淹，人為縮短開閘時間。

圖3 片區內部水位圖(原觀調水期間)

2.2.3片區內河道水流存在無序流動現象

由于進水閘門和排水閘門缺乏精準科學調度，部分河道存在無序流動，非主干河道相比于主干河道現象更為明顯，如圖4所示(河道流速正負值表示方向不同)。

圖4 片區內部分河道流速圖

3 數學模型構建與率定

3.1 模型構建

本文通過構建一維河網水動力模型，采用有限差分法求解一維河網水動力學，采用Preissman四點隱格式對圣維南方程組進行離散化求解。

本研究模擬的范圍為淀北片河網，東傍黃浦江、南抵淀浦河，西與青松水利控制片交界，北至蘇州河，全片總面積178km2。淀北片河道大致120條，內部河網總長度大約252.8km。模型中共創建淀北片內閘門43座、泵站59座，蘇州河口閘1座，如圖5所示。

圖5 淀北片河網模型

根據《水力學手冊》等相關參考文獻對區域內河道賦予不同的糙率初始值。一級河道(黃浦江、蘇州河和淀浦河)選取0.025，二級河道(新涇港、龍華港、蒲匯塘等)選取0.03，三級河道(北夏家浜等)選取0.035。

上海市淀北片模型的水位邊界控制點分別是：米市渡、吳淞口、黃渡站和淀西閘，如圖6所示，利用原型觀測(2015年12月23—27日)的水位數據對河網模型進行率定。流量邊界條件主要是蘇州河上游的黃渡站的流量數據。

圖6 模型邊界

3.2 模型率定驗證

采用實測水位數據進行模型率定驗證，驗證結果如圖7所示，圖中實測值為自動水位尺監測數據(每5min自動監測一次)。模型驗證結果表明，研究區域水位計算值與實測值大小平均誤差能控制在5cm內，基本能夠模擬區域內水量情況，本文所建立的淀北片一維水動力模型具有較高的精度，能夠較準確地模擬淀北片河網水動力特性。

圖7 淀北片模型水位實測值與計算值對比

4 暢流活水方案設計與效果模擬

4.1 方案思路

由于淀北片河網在開啟邊界閘門時，外部潮汐對于內部河網作用遍及整個片區，致使內部水位“難控難調”。考慮確保片區防洪安全，邊界閘門普遍存在開度小、開啟時間短的問題，這使得淀北片河網水體流動性降低。此外，內部水位缺乏控制，潮水進入淀北片內部后，路徑過長，潮動力逐步削減，潮動力未能充分發揮效益，致使黃浦江自然潮差“難利用”，動力引水不僅費用高昂，還存在噪聲擾民等社會問題，不是常態化增流提質的最優選擇。針對以上分析，本研究思路主要是采用人為分區調控水位，充分利用潮汐作用，長久持續改善河網水質水環境，即：分級配水，控堰錯峰，上蓄下排，有序自流。

通過設置3座活動溢流堰將淀北片河網劃分為兩個片區——Ⅰ區和Ⅱ區，如圖8所示。

圖8 增流提質方案格局圖

當蘇州河水位低于防洪水位(4.2m)時，在大潮期間，開啟蘇州河河口閘讓蘇州河充分進水。

Ⅰ區在漲潮期間通過關閉3座活動溢流堰、開啟蘇州河河口閘及蘇州河沿線閘泵，采用閘引加泵引方式引水進入Ⅰ區，充分利用潮位進行閘門引水，并且引水閘門較均勻分布在蘇州河沿線，當閘引不能滿足時采用泵引方式。Ⅰ區控制水位在2.2～3.1m，盡可能保持高水位運行單向流動。落潮階段通過控制溢流堰的開啟(主要為1、2號活動溢流堰)，將Ⅰ區水體通過溢流堰排入Ⅱ區，繼而排入黃浦江。當片區水位高于3.1m或者低于2.2m時關閉閘門。

Ⅱ區在確保片區內水位在2.2～3.1m滿足防洪水位的前提下，通過開啟黃浦江和淀浦河沿線閘門自引自排，讓片區河道中水體受潮汐作用往復流動，當片區水位高于3.1m或者低于2.2m時關閉閘門。

3號小淶港溢流堰的調度對于整個淀北片河網的影響很小，主要用于減少小淶港流失流量，日常關閉，偶爾開啟進一步提升附近河網流動性。

4.2 效果模擬

推薦方案與原始方案兩者典型斷面的水位、流速和流量過程繪于圖9中。在這些典型斷面上，推薦方案中最高水位普遍較高，相對水位變化幅度增加，從而導致斷面流速和流量增加。如北橫涇- 085斷面，推薦方案中的最高水位可達3.1m，遠高于原始方案中2.8m。0.3m的水位差導致斷面流速增加0.2m/s以上，流量增加10m3/s以上。

圖9 典型斷面水位—流量—流速對比圖

續圖9 典型斷面水位—流量—流速對比圖

通過對比推薦方案與原始方案的模擬計算結果可以發現，新增活動溢流堰調控并優化閘門調度，Ⅰ區流速提升2～3倍，Ⅱ區流速提升4～5倍。多處斷面能達到0.2～0.4m/s流速，水動力顯著提升。

圖10展示推薦方案流速流量的最大值。圖中可見，幾處主要引排水通道的流量情況：新涇港北新涇泵閘最大引水流量約30 m3/s、南新涇泵閘引水或排水最大流量30 m3/s，北橫涇蟠龍港泵閘引水最大流量28 m3/s、中橫瀝泵閘引水或排水最大流量28 m3/s，龍華港泵閘引水或排水最大流量42 m3/s，張家塘港引水或排水最大流量15 m3/s。約90%以上河道水體流動性達到優良(>5cm/s)。

圖10 推薦方案最大流速、流量圖

5 結語

上海市淀北片是典型的平原城市感潮河網，由于受區域自然地形地貌以及水利工程的影響，局部區域水體存在流動性差、無序流動、水環境壓力大等問題。本文基于分級配水，控堰錯峰，上蓄下排，有序自流的總體思路，充分運用潮動力引水，實現水環境改善和節能環保的雙重效果，并利用水動力數學模型對比分析了不同方案的河網流速變化情況，最終提出淀北片暢流活水工程推薦方案，對比推薦方案與原始方案相比，區域河道整體水動力顯著提升，可為其他平原河網城市尤其是感潮河網地區的活水暢流方案的制定，提供經驗和依據。