典型平原河網(wǎng)地區(qū)河道溫排水影響研究

胡琦玉，楊金艷，徐 勇，高曉平

（1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計研究院股份公司，江蘇 南京 210093；2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)及技術(shù)更新速度也不斷增加。為集中解決蘇南某市濱江新城中心區(qū)建筑的冷暖空調(diào)及生活熱水的功能問題，同時響應(yīng)國家節(jié)能號召，提高能源利用效率，保護和改善生態(tài)環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)刎S富的水資源條件，濱江新城中心區(qū)擬建設(shè)一座綠色能源站提供供冷供熱服務(wù)，并就近選擇附近河道的地表水作為水源，產(chǎn)生的溫（冷）排水亦就近進入周邊河道。退水口位于平原河網(wǎng)區(qū)常見的蓄水大包圍內(nèi)，內(nèi)部河流交織呈網(wǎng)狀，河道地勢變化較小，水流緩慢，閘壩調(diào)度頻繁，河道水流復(fù)雜，流向多變，研究能源站溫（冷）排水對蓄水包圍內(nèi)河道水溫的影響變得較為復(fù)雜。

常用的河道水溫計算方法為公式法和數(shù)學(xué)模型法，前者計算簡單，但只適用于某些特殊情況，精度較差。后者通過分析影響水溫的主要因子，由熱量、質(zhì)量平衡原理建立數(shù)學(xué)模型，具有一定的普遍性，但計算較為復(fù)雜。目常見的水溫預(yù)測數(shù)學(xué)模型分為很多種，河口、海灣等開闊水體非恒定流流場的三維紊流數(shù)值模擬已取得了很多研究成果[1-4]，并在溫度場的模擬中得到應(yīng)用[5-6]，成熟的商業(yè)軟件中，二維和三維水動力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中已包含溫度場模塊，對本次研究的平原河網(wǎng)尚無簡單實用的水溫預(yù)測模型。莊春義[7]建立了適用于長河段、長時段非恒定流計算的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型及其計算方法；吳時強[8]等人針對平原河網(wǎng)地區(qū)采用直排冷卻方式的電廠溫排水影響，建立了平面二維水流溫度場數(shù)值模型；盧士強等[9]人利用MIKE11ECO模塊開發(fā)了適用于平原地區(qū)河網(wǎng)的溫排水預(yù)測模式。

本文針對能源站排放的溫（冷）排水排入蓄水大包圍內(nèi)引起的水溫變化問題，采用一維河網(wǎng)水動力模型，耦合溫排水預(yù)測模塊，對溫排水帶來的區(qū)域性河道影響進行了預(yù)測，并對大包圍內(nèi)的閘壩控制提出了要求，在減少溫（冷）排水帶來的水溫影響的同時優(yōu)化區(qū)域的水動力條件。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)域地處長江下游南側(cè)，屬北亞熱帶南部濕潤氣候，季風(fēng)盛行，溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，日照充足，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，氣候宜人。多年平均氣溫15.4℃，歷年最高氣溫41.1℃，歷年最低氣溫-12.7，多年平均風(fēng)速3.6 m/s。

濱江新城中心區(qū)蓄水包圍位于區(qū)域排水骨干河道常滸河和徐六涇之間，面積約3.4 km2，內(nèi)部河道全長12.2 km，正常蓄水位約3.2 m，該水位下水域面積 0.203 km2，包圍內(nèi)地面平均高程約5.1 m。整個包圍由4座節(jié)制閘控制，常滸河邊建有2座閘門，分別為北小塘閘和王巷河閘，均為4 m節(jié)制閘，其中王巷河閘處還建有1座單向引水泵站（引常滸河水入蓄水包圍）；通往徐六涇的河道也由2座閘門控制，分別為余家壩涵閘和北小塘興慶路閘，均為4 m節(jié)制閘。

蓄水包圍主要功能為蓄水，正常情況下，包圍內(nèi)水位高于外河，汛期水位差約0.2 m，非汛期水位差約0.5 m。4 座閘門大部分時間為關(guān)閉狀態(tài)，僅在常滸河及徐六涇引水，包圍外水位抬高時打開閘門引水入包圍；另外王巷河閘處還建有一座單向引水泵站，必要時可引常滸河水進入包圍。

1.2 一維河網(wǎng)水動力水溫數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.2.1 水動力模型基本方程

水動力模型基本方程建立在質(zhì)量守恒和動量守恒基礎(chǔ)上，遵循水力學(xué)上著名的圣維南方程組，并在方程組的基礎(chǔ)上增加考慮了漫灘和旁側(cè)入流，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）為未知變量，方程組如下：

式中，Q—流量，m3/s；Bw—調(diào)蓄寬度，是包括灘地在內(nèi)的全部河寬，m；q—旁側(cè)入流流量，入流為正值，出流為負(fù)值，m3/s；A—主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2；B—主流斷面寬度，m；R—水力半徑，m；u—斷面平均流速，m/s；Z—水位，m；g—重力加速度，m/s2；n—河床糙率；x，t—沿水流方向的空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)，m，s；

方程組求解方法：Abbott-Ionescu六點隱式有限差分法。按照網(wǎng)格點的計算順序交替計算水位或流量，兩類計算點又被稱為h點和Q點。首先求解各節(jié)點處的水位，然后將各節(jié)點水位回代至單一的河道方程中，并最終求得各單一河道各微斷面水位及流量。

1.2.2 水溫模型控制方程

水體溫度場的基本方程為一維對流擴散方程。

式中，T—水體溫度（℃）；H—水深（m）；Cw—水的熱容（J/kg·℃）；Q—水體輸入（或輸出）的熱量（J）；u—流速（m/s）；K—紊動擴散系數(shù)（m2/s）；F—綜合考慮長波輻射、蒸發(fā)和水面與大氣熱量交換的溫度衰減系數(shù)（d-1）；ρw—水的密度。

其中水面與空氣之間的熱交換，即上式中“FT”項采用交換速率的概念來計算，展開表達式為：

式中，E—表層綜合熱交換系數(shù)（Watt/m2/℃）；T—水體溫度（℃）；A—周圍水體的溫度（℃）；STCT—水的熱容（MJ/m3/℃）；H—水深（m）。

其中表層綜合熱交換系數(shù)采用《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50102-2014）中推薦公式進行取值。

1.2.3 河網(wǎng)概化

由于河網(wǎng)內(nèi)部河道多而復(fù)雜，一般都屬天然河道。為了便于計算，構(gòu)建模型時將河道進行概化，形成一個有河道、有節(jié)點的概化河網(wǎng)。將天然河網(wǎng)進行合并、概化，概化河道為水平底坡、梯形斷面，概化斷面用底高、底寬和邊坡3個要素來描述。概化時將主要的輸水河道納入計算范圍，將次要的河道和水體根據(jù)等效原理，歸并為單一河道和節(jié)點，使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。當(dāng)這些次要的平行河道具有斷面資料，且首末節(jié)點相同時，可以用水力學(xué)的方法，根據(jù)過水能力相同的原理，求得合并概化河道的斷面參數(shù)。對于水系內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等，其調(diào)蓄作用不可忽視，采用調(diào)蓄不變原則模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用，使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。本次研究范圍內(nèi)河道概化情況見圖1。

圖1 研究范圍河網(wǎng)概化圖

1.2.4 計算參數(shù)選取

根據(jù)地區(qū)同類河流研究成果，河道糙率n取值為0.03；根據(jù)環(huán)境水力學(xué)推薦的擴散系數(shù)取值方法，縱向擴散系數(shù)根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50102-2014），表面綜合散熱系數(shù)取值為30 W·m-2·℃-1。

根據(jù)常滸河長序列水溫資料統(tǒng)計可知，常滸河夏季多年平均水溫為33℃，冬季多年平均水溫為8.5℃。

1.2.5 計算水文條件

本次擬建項目退水口所在的河段位于蓄水包圍內(nèi)，區(qū)內(nèi)小型河道交織成網(wǎng)，外包圍均設(shè)閘門控制，閘門僅在排澇時開啟。因此，正常情況下，外包圍閘門關(guān)閉，圩區(qū)內(nèi)水體基本處于滯流狀態(tài)，本次選擇2016年5月實地開展的蓄水包圍內(nèi)河流水文要素為計算水文條件。

1.3 計算方案制定

本文中制定的計算方案主要根據(jù)蓄水包圍的調(diào)度方案和排水特征進行設(shè)置。

1.3.1 調(diào)度方案

蓄水包圍內(nèi)的調(diào)度方案一共有5種：

（1）在正常蓄水狀態(tài)下，蓄水包圍外圍的4座閘門均關(guān)閉，能源站尾水全部停留在蓄水包圍內(nèi)。

（2）隨著能源站尾水不斷排入蓄水包圍，包圍內(nèi)水位將緩慢上漲，當(dāng)包圍內(nèi)水位與常滸河水位差超過0.5/0.2 m（非汛期/汛期）時，考慮適當(dāng)開啟王巷河閘（其余3座閘門仍保持關(guān)閉），蓄水包圍內(nèi)河水向西自流進入常滸河。

（3）當(dāng)蓄水包圍內(nèi)水位與常滸河水位差超過0.5/0.2 m（非汛期/汛期）時，考慮適當(dāng)開啟北小塘東閘（其余3座閘門仍保持關(guān)閉），蓄水包圍內(nèi)河水向東自流進入徐六涇。

（4）當(dāng)蓄水包圍內(nèi)外水位差過高，或汛期遇強降水，王巷河閘、北小塘東閘及余家壩涵閘全部打開，為防止能源站尾水排放直接影響到取水口，北小塘閘仍保持關(guān)閉，能源站尾水經(jīng)蓄水包圍內(nèi)河道排入外河。

（5）當(dāng)常滸河及徐六涇引水時，二者水位較高，蓄水包圍4座閘門均開啟，向包圍內(nèi)引水，能源站排放尾水全部停留在蓄水包圍內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計，常滸河及徐六涇單次引水時間約4 h，因此蓄水包圍引水時間也不會超過4 h。

1.3.2 排水特征

能源站主要在夏季制冷，冬季供熱，夏季、冬季正常情況下24 h排水，其中冬季在水溫5℃以下時因全部采用燃氣輔熱故無退水產(chǎn)生，春秋季僅在制備生活熱水時產(chǎn)生退水。本文主要研究夏季溫排水的影響。夏季排水量見表1。

表1 夏季日排水量表

1.3.3 計算方案

根據(jù)蓄水包圍閘門調(diào)度方案，在閘門全部開啟引水或排水期間，區(qū)域內(nèi)水動力條件相對較好，有利于降低溫升，因此本次選取較不利的3個調(diào)度方案，結(jié)合夏季能源站溫排水排放特征，共制定3組計算方案，詳見表2。

表2 計算方案一覽表

2 研究結(jié)果與分析

計算結(jié)果表明：夏季能源站溫排水的排放將會對蓄水包圍以及外圍相關(guān)聯(lián)河道水溫產(chǎn)生一定的影響。蓄水包圍內(nèi)主要河道受影響情況見表3，影響范圍示意圖見圖2（注：河道里程均為自南向北、自西向東）。

表3 蓄水包圍內(nèi)各河道溫升計算結(jié)果表（℃）

（續(xù)表3）

（續(xù)表3）

圖2 方案1、2、3溫升影響范圍示意圖（從左向右依次為方案1、2、3的計算結(jié)果）

根據(jù)計算結(jié)果可知：在蓄水包圍閘門全部關(guān)閉的情況下（方案1）對包圍內(nèi)部分河流會產(chǎn)生一定的影響，以北小塘、王巷河等為代表的11條河流部分或全部河段都將會出現(xiàn)溫升大于1℃的情況，最大溫升達3.25℃，出現(xiàn)在退水口附近位置。

在開啟王巷河閘的情況下（方案2），包圍內(nèi)水體流動性增強，本項目對包圍內(nèi)水體的影響將會減小，溫升超過1℃的范圍將會縮減，僅7條河流部分或全部河段將會出現(xiàn)溫升大于1℃的情況，最大溫升為2.36℃，出現(xiàn)在退水口附近位置；溫排水對常滸河也會產(chǎn)生一定的影響，但由于溫排水在進入常滸河之前在包圍中經(jīng)過了一段時間的擴散與熱交換，進入常滸河的排水水溫已經(jīng)較低，因此對常滸河的影響較小，至能源站取水口處溫升僅為0.1℃，基本不會對能源站取水產(chǎn)生影響。

在開啟北小塘東閘的情況下（方案3），包圍內(nèi)水體流動性增加，本項目對區(qū)內(nèi)水體的影響將會減小，但是減幅較小，仍有11條河流的部分或全部河段將會出現(xiàn)溫升大于1℃，退水口附近最大溫升仍可達 3.25℃；溫排水對徐六涇也會產(chǎn)生一定的影響，但由于溫排水經(jīng)過包圍內(nèi)部擴散與熱交換之后，進入徐六涇的水溫已經(jīng)趨近于背景水溫，因此對徐六涇的影響也較小，產(chǎn)生的最大溫升不超過0.14℃。

3 結(jié)論

在以濱江新城中心區(qū)為代表的典型平原河網(wǎng)地區(qū)，蓄水包圍雖解決了中心區(qū)蓄水和河道淤積問題，但長期關(guān)閘也會導(dǎo)致水體滯流，水體自凈能力下降，從而導(dǎo)致水質(zhì)變差。在此種情況下，能源站溫排水的排放對蓄水包圍的影響是雙面的：關(guān)閘期間會對包圍內(nèi)多條河道水溫產(chǎn)生影響，但是能源站退水恰好又可為蓄水包圍創(chuàng)造一個活水水源。通過對蓄水包圍周圍的控制閘站合理調(diào)度，如適當(dāng)開啟王巷河閘、北小塘東閘，可以有效降低能源站溫排水帶來的溫升影響，同時增加蓄水包圍內(nèi)河道水體流動性，從而在一定程度上提升蓄水包圍內(nèi)水質(zhì)及各項感官指標(biāo)，美化濱江新城中心區(qū)水環(huán)境。