上海蕰南水利控制片河網(wǎng)水動力再造

閆 毓，袁賽瑜，唐洪武，呂升奇 ，雷 燕 ，李 瑜

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)期刊部，江蘇 南京 210098； 3.上海市水利管理處，上海 200002)

平原區(qū)地勢低洼，河道常呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水體流動性差、流向往復(fù)不定，河道水環(huán)境容易惡化，制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。研究[1]表明，河道水體低溶解氧環(huán)境直接影響微生物對有機(jī)污染物的降解速率，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度低于2 mg/L時(shí)，還可能會產(chǎn)生甲烷、硫化氫等有毒物質(zhì)及刺激性氣體，引發(fā)水體黑臭問題；當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度大于7.5 mg/L時(shí)，可認(rèn)為水質(zhì)良好。水體流動性是溶解氧濃度的重要決定因素，提升河網(wǎng)水動力能夠促進(jìn)復(fù)氧過程[2]，從而增強(qiáng)水體自凈能力[3]。水體流動性的增加可以在一定程度上提高含碳、氮、磷污染物的凈化能力，特別是對CODcr的去除作用明顯[4]。因此，在保證防汛、用水、生態(tài)、景觀、通航等前提下，通過水閘、泵站等水利工程群進(jìn)行水資源合理調(diào)度，可以改善河網(wǎng)的水動力條件，達(dá)到提升水環(huán)境質(zhì)量的目的[5-8]。

上海市蕰南水利控制片(以下簡稱“蕰南片”)包括楊浦、虹口、普陀等中心城區(qū)，河網(wǎng)已建成由水閘、泵站包圍的水資源配置工程體系[9]。蘇州河河口水閘建成后，潮汐對水閘上游水流的影響大大減弱，現(xiàn)狀調(diào)度方式對水流動力提升作用有限，亟須優(yōu)化調(diào)控方案，再造河網(wǎng)水動力場。水動力模型是研究河網(wǎng)水動力過程及相關(guān)規(guī)劃決策的重要工具[10]。李慧玲等[11]以上海青浦區(qū)為例，通過數(shù)學(xué)模型研究了現(xiàn)狀閘壩調(diào)度下閘寬對河網(wǎng)進(jìn)水量及氨氮、總磷等物質(zhì)的影響，提出了一系列優(yōu)化改進(jìn)建議；劉貴平等[12]通過世博會周圍河網(wǎng)模型計(jì)算分析，提出了應(yīng)急水環(huán)境調(diào)控預(yù)案；李曉等[13]利用水動力模型研究西塘河引水量的重新分配，提出了適應(yīng)枯水期的水資源調(diào)度方案。前人對河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的研究已成熟完善，閘泵調(diào)度對水動力及水環(huán)境的改善作用也已得到揭示與驗(yàn)證。而對于優(yōu)化調(diào)度方案的提出，現(xiàn)有研究較少從水動力再造的角度出發(fā)，也很少考慮多因素、多調(diào)控方式對河網(wǎng)的影響。因此，本文建立了上海蕰南片的一維河網(wǎng)模型，探尋復(fù)雜水動力條件下河網(wǎng)水環(huán)境惡化的成因，針對區(qū)域特點(diǎn)提出多種閘泵聯(lián)合調(diào)度方案，并對調(diào)度方案的活水效果進(jìn)行了比選，以期為平原河網(wǎng)水動力再造和水環(huán)境提升提供參考。

1 研究區(qū)域概況

蕰南片河網(wǎng)由蕰藻浜、蘇州河、桃浦河、黃浦江包圍(圖1)，全片總面積173.3 km2，片內(nèi)河道總長159.51 km，河道總面積3.69 km2，河網(wǎng)密度0.92 km/km2。該區(qū)域水系較復(fù)雜，基本劃分為楊樹浦港水系(由虬江、東走馬塘和楊樹浦港組成)、虹口港水系(由南泗塘、西泗塘、沙涇港、俞涇浦、虹口港組成)、彭越浦-木瀆港水系(由東茭涇、彭越浦、桃浦河、木瀆港組成)和新江灣城水系。河網(wǎng)內(nèi)參與調(diào)度的主要閘泵工程共12座，蘇州河沿線水閘只引不排、蕰藻浜沿線水閘只排不引。河網(wǎng)水動力不足、水流往復(fù)現(xiàn)象突出，亟須通過合理的閘泵聯(lián)合調(diào)控盤活片內(nèi)水體，從而改善水環(huán)境狀況。

2 水動力模型

2.1 模型建立

MIKE11具有穩(wěn)定、快速、可靠的運(yùn)行特點(diǎn)，它通過Abbott六點(diǎn)隱式格式求解河流一維非恒定控制方程組[14]。模型中對可控建筑物調(diào)度方式的設(shè)置十分方便靈活，在長江、淮河、太湖流域已有諸多應(yīng)用研究成果[15-17]。綜合考慮模型適用性、現(xiàn)有資料情況，本文采用MIKE11水動力(HD)模塊為研究工具，建立蕰南片河網(wǎng)水動力模型。

由于蕰南片河道密布、河網(wǎng)復(fù)雜，因此有必要對其進(jìn)行一定的概化。河網(wǎng)概化以反映天然河網(wǎng)的水力特性為原則，保證輸水和調(diào)蓄能力的相近或一致性[18]。將收集到的地形資料進(jìn)行概化處理，設(shè)置河道、交匯點(diǎn)、斷面、閘泵工程等模型要素。概化處理后，蕰南片河網(wǎng)模型河道共24條(圖2),全長327.3 km，包含外圍河道(蕰藻浜、黃浦江、吳淞江、淀浦河)221.9 km；閘泵共14座。模型邊界控制點(diǎn)分別是米市渡、吳淞口、黃渡站和淀西閘。

2.2 模型率定及驗(yàn)證

水動力模型需要率定的參數(shù)主要是河床糙率，采用2017年1月1日至4月30日的實(shí)測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行率定，時(shí)間步長設(shè)為0.5 min。經(jīng)現(xiàn)場考察和反復(fù)檢驗(yàn)，分段給定河床糙率如下：黃浦江0.018～0.025，蕰藻浜、吳淞江0.022～0.036，河網(wǎng)內(nèi)其他骨干河道0.020～0.030。采用2018年1月1日至4月30日的實(shí)測數(shù)據(jù)對率定好的模型進(jìn)一步驗(yàn)證，水位模擬值誤差小于0.1 m的合格率達(dá)到84.8%～88.1%，確定性系數(shù)達(dá)到0.87～0.94，精度滿足模擬要求(圖3、圖4)。

圖3 模型水位率定結(jié)果Fig.3 Calibration results of model water level

圖4 模型水位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification results of model water level

3 水動力再造調(diào)度方案

3.1 日常引排水優(yōu)化調(diào)度

蕰南片內(nèi)水資源調(diào)度以南引北排為主，各泵閘均有明確的調(diào)度實(shí)施細(xì)則(表1)。楊樹浦泵閘、虹口港泵閘、彭越浦泵閘、木瀆港泵閘作為重要的引水口門，從蘇州河、黃浦江引水；桃浦河泵閘、東茭涇泵閘、西彌浦泵閘、郝橋港泵閘、西泗塘泵閘作為重要排水口門，向蕰藻浜排水。圖5給出了蕰南片河網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)度下2017年1—4月平均流速分布，可見桃浦河、彭越浦、虹口港水系主干河道流向?yàn)橛赡舷虮保瑮顦淦炙禐槟弦龞|排，新江灣城水系的引排均通過新江灣城泵閘，而走馬塘河道流向不定，存在往復(fù)流。

表1 現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則

圖5 現(xiàn)狀河網(wǎng)平均流速和優(yōu)化調(diào)度流速提升量分布(單位：m/s)Fig.5 Distributions of average flow velocity of current river network and flow velocity increase after optimization scheduling(unit:m/s)

為提升片內(nèi)水體流動性、再造河網(wǎng)水動力場，可以從以下幾方面考慮：在保證防汛安全的前提下，抬高引排水口門的控制水位指標(biāo)，可以增加河網(wǎng)水環(huán)境容量，同時(shí)減少對底泥的擾動，降低二次污染。虹口港、楊樹浦口門以開閘自引為主，提高閘門開啟高度可以增加引水量，提升南泗塘、西泗塘、楊樹浦水系的調(diào)水效果。蘇州河水位偏低導(dǎo)致木瀆港-彭越浦水系無法實(shí)現(xiàn)閘引(圖6)，可以適當(dāng)增強(qiáng)泵引力度，同時(shí)調(diào)控蘇州河河口水閘，抬高蘇州河水位以利于沿線口門引水。基于以上現(xiàn)狀分析，給出日常優(yōu)化調(diào)度方案見表2。

圖6 代表時(shí)段內(nèi)河水位與外河水位對比Fig.6 Water level comparison between inland river and outer river in representative period

表2 日常優(yōu)化調(diào)度方案

3.2 局部區(qū)域優(yōu)化調(diào)度

依據(jù)模型模擬結(jié)果分析感潮河網(wǎng)的水動力過程發(fā)現(xiàn)：蕰南片內(nèi)走馬塘為東西走向河道，在南引北排的調(diào)度方式下往復(fù)流現(xiàn)象突出，水體反復(fù)震蕩，無法及時(shí)排出，容易造成水質(zhì)惡化現(xiàn)象。圖7給出了2017年4月1日24 h內(nèi)走馬塘河道流向及共和新路橋斷面的時(shí)均流速。可以看出，受半日潮及引排調(diào)度影響，走馬塘河道水流也以一定的頻率來回震蕩。為了促進(jìn)該局部區(qū)域水體的定向流動，提出走馬塘優(yōu)化調(diào)度方案，見表3。

表3 走馬塘水流優(yōu)化調(diào)度方案

圖7 走馬塘流向及代表斷面時(shí)均流速示意圖Fig.7 Schematic maps of flow direction and hourly average velocity of representative sections in Zoumatang River

4 結(jié) 果 分 析

4.1 日常優(yōu)化調(diào)度

a.方案1對片內(nèi)引排口門的控制水位進(jìn)行了調(diào)控。考慮防洪控制需要，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研與以往調(diào)水試驗(yàn)情況，將引水口門最高控制水位提升0.1 m，排水口門最低控制水位提升0.5 m，同時(shí)將蘇州河河口閘的引水控制水位提升至4.2 m。該措施使得整體河網(wǎng)64.2%的代表斷面流速得到提升，平均流速增加0.5 cm/s。

b.方案2對兩大引水口門-虹口港水閘、楊樹浦水閘的閘門開啟高度進(jìn)行了優(yōu)化。為增加引水量，同時(shí)考慮節(jié)水因素，在現(xiàn)狀開啟方式的基礎(chǔ)上提高0.2 m，當(dāng)外河水位低于閘內(nèi)最高控制水位時(shí)保持全開。方案使得整體河網(wǎng)36%的代表斷面流速得到了提升，平均流速增加0.1 cm/s。

c.方案3綜合考慮調(diào)水效果與動力消耗情況，將木瀆港每日引水時(shí)長增加4 h、彭越浦每日引水時(shí)長增加5 h。方案使得整體河網(wǎng)32%的代表斷面流速得到提升，平均流速增加0.1 cm/s。

d.方案4結(jié)合了調(diào)度方案1和方案2，同時(shí)對蕰南片各引排水閘的控制水位、開啟高度進(jìn)行優(yōu)化。相對于加強(qiáng)泵站引水的方式，該方案的調(diào)水成本較低，使得整體河網(wǎng)71.4%的代表斷面流速得到提升，平均流速增加1.9 cm/s。

e.方案5結(jié)合方案1～3進(jìn)行河網(wǎng)閘泵聯(lián)合調(diào)控，對引排口門的各項(xiàng)調(diào)度參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，該調(diào)度方案下河網(wǎng)水動力的提升效果最好，整體河網(wǎng)流速提升的斷面占比78.6%，平均流速提升3.1 cm/s，增幅為16.7%。蕰南片西部、北部水動力提升明顯(圖5)。片內(nèi)走馬塘依舊存在往復(fù)流(圖8)，水質(zhì)容易惡化，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8 代表時(shí)段方案0和方案5下走馬塘 代表斷面流速變化Fig.8 Flow velocity variations of typical sections of Zoumatang under scheduling 0 and scheduling 5 in representative period

調(diào)度方案針對區(qū)域現(xiàn)狀特點(diǎn)選擇了控制水位、閘門開度及泵引時(shí)長3項(xiàng)優(yōu)化調(diào)控措施，具有較強(qiáng)的可操作性，能夠適用于日常的水資源調(diào)度工作。可以看出，方案1有效地改善了片內(nèi)控制水位偏低的現(xiàn)狀，河網(wǎng)水動力條件得到初步改善。而方案2、方案3僅針對兩個(gè)引水口門的閘泵進(jìn)行調(diào)控，對河網(wǎng)整體的流速提升效果不明顯。方案5在方案4的基礎(chǔ)上增加了對引水泵站的調(diào)控，斷面平均流速提升由1.9 cm/s增加為3.1 cm/s，優(yōu)化效果進(jìn)一步增強(qiáng)。河網(wǎng)閘泵的聯(lián)合調(diào)控使得水利工程設(shè)施在水資源調(diào)度中發(fā)揮了最大效益，綜合考慮了蕰南片河網(wǎng)的水系格局、水源要求、防洪控制等因素，與單一的調(diào)控方式相比，水動力的提升效果得到了質(zhì)的提升。

4.2 走馬塘優(yōu)化調(diào)度

針對走馬塘往復(fù)流進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，選取2017年4月1—3日為計(jì)算時(shí)段分析調(diào)度效果。方案6以桃浦河、西彌浦泵閘為片內(nèi)排水口門，促進(jìn)走馬塘水體由東向西定向流動。經(jīng)過模型試算，當(dāng)桃浦河、西彌浦泵閘分別以15 m3/s和5 m3/s開啟泵排時(shí)，走馬塘的往復(fù)流現(xiàn)象改善效果較好，代表斷面共和新路橋平均流速為0.097 m/s，定向流動累計(jì)時(shí)長由45 h增加到66 h，增加46%；方案7以郝橋港、西泗塘泵閘為片內(nèi)排水口門，促進(jìn)走馬塘水體由西向東定向流動。經(jīng)過模型試算，當(dāng)郝橋港泵閘、西泗塘泵閘分別以12 m3/s和5 m3/s開啟泵排時(shí)，走馬塘的往復(fù)流現(xiàn)象可以得到更加明顯的改善，代表斷面平均流速可達(dá)0.215 m/s，提升了8.1 cm/s，增幅為60.4%，定向流動累計(jì)時(shí)長由45 h增加到72 h，增加60%。

為引導(dǎo)走馬塘河道水體定向流動，優(yōu)化方案設(shè)置中減少了片內(nèi)部分排水口門，對河道流速的影響存在不確定性。其中，方案6雖然增加了水流定向流動的時(shí)長，但沒有提高代表斷面的平均流速。對比兩種優(yōu)化調(diào)度方案的水動力改善效果，并綜合考慮開泵排水動力消耗情況，推薦方案7為走馬塘往復(fù)流優(yōu)化調(diào)度方案。該方案對河網(wǎng)的整體引排方向進(jìn)行了調(diào)控，操作方式較為復(fù)雜，僅適用于短時(shí)間內(nèi)改善局部河道水質(zhì)的應(yīng)急調(diào)度方案。建議配合日常引調(diào)水，以一定頻率定期開展，可促進(jìn)走馬塘河道定向流動，加快水體交換速率、提高水體自凈能力。

5 結(jié) 語

本文綜合考慮蕰南片水系格局及其自然地理優(yōu)勢，針對現(xiàn)狀調(diào)度下河網(wǎng)水動力不足的問題，提出了多種基于水動力再造的閘泵聯(lián)合調(diào)度方案，并通過模型計(jì)算對不同方案的水動力提升效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，通過調(diào)控引排口門處閘泵的控制水位、開啟高度、泵引力度等調(diào)度參數(shù)，可有效提升河網(wǎng)水動力，提高水體自凈能力。閘泵聯(lián)控優(yōu)化方案使得整體河網(wǎng)流速提升的代表斷面占比78.6%，平均流速提升3.1 m/s，增幅16.7%，較單一調(diào)控下的活水效果顯著提升，更大地發(fā)揮了區(qū)域水利工程群調(diào)水的綜合效益。針對東西方向走馬塘的往復(fù)流問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方案。通過調(diào)控區(qū)域整體引排方式促進(jìn)水體定向有序流動，優(yōu)化調(diào)度方案使得水體定向流動累計(jì)時(shí)長增加60%，河道代表斷面平均流速提升8.10 m/s，增幅60.4%，為解決局部區(qū)域水質(zhì)惡化的問題提供了新思路。以上研究成果可為平原河網(wǎng)區(qū)水動力再造、水環(huán)境提升提供技術(shù)支撐，同時(shí)為復(fù)雜工程運(yùn)行管理方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。