平原城市感潮河網(wǎng)水環(huán)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(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

平原城市感潮河網(wǎng)地勢平坦，水動力弱[1- 2]，受潮汐作用和泵閘調(diào)度的影響，水體又常常往復(fù)無序流動[2]，與此同時，由于水系發(fā)達(dá)、水利工程眾多，人工調(diào)度的統(tǒng)籌難度極大[3]，總體表現(xiàn)為河網(wǎng)密、工程多、強(qiáng)感潮、控制難[4]。由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，入河污染物急劇增長，嚴(yán)重威脅著水環(huán)境水生態(tài)，如何利用平原感潮河網(wǎng)的潮動力引水[5- 7]，構(gòu)建科學(xué)有序的引排體系，促進(jìn)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(wǎng)水環(huán)境質(zhì)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(wǎng)，由于受區(qū)域自然地形地貌以及水利工程的影響，局部區(qū)域水體存在流動性差、無序流動、水環(huán)境壓力大等問題[11- 12]。目前研究范圍內(nèi)河網(wǎng)主要依靠閘門的開關(guān)以及潮水的漲落實現(xiàn)河網(wǎng)水體流動，但由于閘泵眾多，缺乏科學(xué)統(tǒng)籌調(diào)度，致使河網(wǎng)中存在緩流滯留區(qū)，不利于淀北片河網(wǎng)水質(zhì)的整體改善。

本文以上海市淀北片為例，基于現(xiàn)狀水系及水利工程，建立了河網(wǎng)水動力精細(xì)化數(shù)學(xué)模型[13- 16]，分析了不同方案的河網(wǎng)流速變化情況，以充分利用潮動力、提高水體流動性為目標(biāo)，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(qū)域概況

1.1 區(qū)域概況

上海市淀北片屬于典型平原城市感潮河網(wǎng)，水動力條件差，水體易往復(fù)流動，調(diào)控難度大。研究范圍內(nèi)水網(wǎng)密布，共有130多條大小河道。內(nèi)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?zhí)丁Ⅱ敖鄣?；研究范圍東側(cè)有黃浦江，南側(cè)有淀浦河，北側(cè)有蘇州河。如圖1所示。

圖1 淀北片水資源常規(guī)調(diào)度引排格局示意圖

1.2 現(xiàn)狀調(diào)度

淀北片現(xiàn)行的引清調(diào)水常規(guī)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(huán)境存在問題

淀北片內(nèi)部各河道水質(zhì)基本在Ⅴ類左右，總體水質(zhì)情況較差。通過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)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(zhì)差、感官效果差

片區(qū)內(nèi)部分河道水體流動性較差，幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，部分河面聚集了大量懸浮物及藻類；部分河道兩側(cè)污水未經(jīng)處理直接排入河道，生活垃圾漂浮水面，水體污染嚴(yán)重；部分河段水體渾濁，感官效果差；部分河道淤積嚴(yán)重，底泥易擾動釋放。

1.3.2片區(qū)內(nèi)閘泵及跨行政區(qū)眾多調(diào)度不協(xié)調(diào)

片區(qū)內(nèi)閘泵等水利工程眾多，且跨越的行政區(qū)較多，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度的平臺，調(diào)度困難。

1.3.3相較于黃浦江，蘇州河現(xiàn)狀水位較低，閘引困難

現(xiàn)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(xiàn)狀水位較低，最高水位為2.8m，當(dāng)內(nèi)河水位較高時，閘引較為困難。

1.3.4淀北片部分毛細(xì)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(xì)河道，日常閘門開啟較少，與主干河道水體交換頻率低，導(dǎo)致部分河段水體發(fā)黑，水面漂浮油膜，味道刺鼻。

2 原型觀測

2.1 調(diào)度方案

在2015年12月25日—2016年1月4日10天進(jìn)行調(diào)水試驗及原型觀測，通過先引后排，觀測河網(wǎng)水位、流量及水質(zhì)改善情況，具體調(diào)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(nèi)的水位不超過3.50m。當(dāng)開閘前閘內(nèi)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(dāng)白天排水水閘內(nèi)河水位超過3.40m時，增加一潮排水，并控制最低內(nèi)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(dāng)閘內(nèi)水位高于3.40m時開始排水。

在此期間，蘇州河河口水閘內(nèi)河最高控制水位為3.10～3.50m。

2.2 觀測結(jié)果

通過原型觀測發(fā)現(xiàn)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(fù)無序流動，缺乏科學(xué)調(diào)控；進(jìn)水閘門和排水閘門調(diào)度不協(xié)調(diào)，部分河道存在往復(fù)無序流動；淀北片內(nèi)大中小閘泵約幾十處，僅5處閘門水位數(shù)據(jù)和調(diào)度情況在水利處聯(lián)網(wǎng)共享。其他閘門在各區(qū)內(nèi)有各自系統(tǒng)；部分小閘泵缺乏自動水位記錄儀。閘門調(diào)度精準(zhǔn)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(diào)水期間，根據(jù)所獲得蘇州河口閘內(nèi)外水位和調(diào)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(nèi)水位3.5m左右(閘內(nèi)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(nèi)外水位對比(大潮期間7d水位過程線)

2.2.2調(diào)水期間片區(qū)內(nèi)水位低

原觀調(diào)水期間，片區(qū)內(nèi)水位較低，片區(qū)內(nèi)水位圖如圖3所示，水位位于2.6～2.9m范圍內(nèi)，根據(jù)調(diào)水細(xì)則淀北片面控制水位2.2～3.0m，實際區(qū)內(nèi)面水位可繼續(xù)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(qū)內(nèi)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(nèi)部大小閘泵站眾多，由于缺少準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型作為支撐，淀北片缺乏科學(xué)的調(diào)度，為確保片區(qū)內(nèi)部分區(qū)域不被淹，人為縮短開閘時間。

圖3 片區(qū)內(nèi)部水位圖(原觀調(diào)水期間)

2.2.3片區(qū)內(nèi)河道水流存在無序流動現(xiàn)象

由于進(jìn)水閘門和排水閘門缺乏精準(zhǔn)科學(xué)調(diào)度，部分河道存在無序流動，非主干河道相比于主干河道現(xiàn)象更為明顯，如圖4所示(河道流速正負(fù)值表示方向不同)。

圖4 片區(qū)內(nèi)部分河道流速圖

3 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與率定

3.1 模型構(gòu)建

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

本研究模擬的范圍為淀北片河網(wǎng)，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(nèi)部河網(wǎng)總長度大約252.8km。模型中共創(chuàng)建淀北片內(nèi)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(wǎng)模型

根據(jù)《水力學(xué)手冊》等相關(guān)參考文獻(xiàn)對區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)對河網(wǎng)模型進(jìn)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(shù)據(jù)。

圖6 模型邊界

3.2 模型率定驗證

采用實測水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定驗證，驗證結(jié)果如圖7所示，圖中實測值為自動水位尺監(jiān)測數(shù)據(jù)(每5min自動監(jiān)測一次)。模型驗證結(jié)果表明，研究區(qū)域水位計算值與實測值大小平均誤差能控制在5cm內(nèi)，基本能夠模擬區(qū)域內(nèi)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(zhǔn)確地模擬淀北片河網(wǎng)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(shè)計與效果模擬

4.1 方案思路

由于淀北片河網(wǎng)在開啟邊界閘門時，外部潮汐對于內(nèi)部河網(wǎng)作用遍及整個片區(qū)，致使內(nèi)部水位“難控難調(diào)”?？紤]確保片區(qū)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(wǎng)水體流動性降低。此外，內(nèi)部水位缺乏控制，潮水進(jìn)入淀北片內(nèi)部后，路徑過長，潮動力逐步削減，潮動力未能充分發(fā)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(tài)化增流提質(zhì)的最優(yōu)選擇。針對以上分析，本研究思路主要是采用人為分區(qū)調(diào)控水位，充分利用潮汐作用，長久持續(xù)改善河網(wǎng)水質(zhì)水環(huán)境，即：分級配水，控堰錯峰，上蓄下排，有序自流。

通過設(shè)置3座活動溢流堰將淀北片河網(wǎng)劃分為兩個片區(qū)——Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，如圖8所示。

圖8 增流提質(zhì)方案格局圖

當(dāng)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(jìn)水。

Ⅰ區(qū)在漲潮期間通過關(guān)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(jìn)入Ⅰ區(qū)，充分利用潮位進(jìn)行閘門引水，并且引水閘門較均勻分布在蘇州河沿線，當(dāng)閘引不能滿足時采用泵引方式。Ⅰ區(qū)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(qū)水體通過溢流堰排入Ⅱ區(qū)，繼而排入黃浦江。當(dāng)片區(qū)水位高于3.1m或者低于2.2m時關(guān)閉閘門。

Ⅱ區(qū)在確保片區(qū)內(nèi)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(qū)河道中水體受潮汐作用往復(fù)流動，當(dāng)片區(qū)水位高于3.1m或者低于2.2m時關(guān)閉閘門。

3號小淶港溢流堰的調(diào)度對于整個淀北片河網(wǎng)的影響很小，主要用于減少小淶港流失流量，日常關(guān)閉，偶爾開啟進(jìn)一步提升附近河網(wǎng)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(dǎo)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(dá)3.1m，遠(yuǎn)高于原始方案中2.8m。0.3m的水位差導(dǎo)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(xù)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，新增活動溢流堰調(diào)控并優(yōu)化閘門調(diào)度，Ⅰ區(qū)流速提升2～3倍，Ⅱ區(qū)流速提升4～5倍。多處斷面能達(dá)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(dá)到優(yōu)良(>5cm/s)。

圖10 推薦方案最大流速、流量圖

5 結(jié)語

上海市淀北片是典型的平原城市感潮河網(wǎng)，由于受區(qū)域自然地形地貌以及水利工程的影響，局部區(qū)域水體存在流動性差、無序流動、水環(huán)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(xiàn)水環(huán)境改善和節(jié)能環(huán)保的雙重效果，并利用水動力數(shù)學(xué)模型對比分析了不同方案的河網(wǎng)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(qū)域河道整體水動力顯著提升，可為其他平原河網(wǎng)城市尤其是感潮河網(wǎng)地區(qū)的活水暢流方案的制定，提供經(jīng)驗和依據(jù)。