基于水資源調(diào)度的崇明島河網(wǎng)水動力水質(zhì)改善研究

滕 飛

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司 規(guī)劃與科研分院,上海 200061; 2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心,上海 200061; 3.上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,上海 200061)

0 引 言

平原地區(qū)由于地勢平坦,內(nèi)部河網(wǎng)水動力較弱,河道中易出現(xiàn)水體滯留和往復(fù)流[1],進(jìn)而對河網(wǎng)水環(huán)境造成不利影響。在平原河網(wǎng)周邊設(shè)置閘、泵等水工建筑物,通過合理的調(diào)度模式引入優(yōu)質(zhì)水源,提升平原河網(wǎng)的流動性,能夠迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量[2]。該方法具有較高的可行性、經(jīng)濟(jì)性,成為治理平原河網(wǎng)水體污染、維持河網(wǎng)水質(zhì)的常用手段[3-5],并已在國內(nèi)外相關(guān)區(qū)域的水動力、水環(huán)境調(diào)控中獲得了廣泛的應(yīng)用[6-9]。

崇明島地處長江出海口,濱江臨海,島上水系發(fā)達(dá),與長江連通口門眾多,屬于強感潮河網(wǎng)[10],在上海市水資源調(diào)度中屬于崇明水利片,進(jìn)行獨立調(diào)度。崇明島作為上海市農(nóng)業(yè)大區(qū),農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷壓力較大,河道水質(zhì)面臨較高的污染壓力[11-13]。為實現(xiàn)崇明世界級生態(tài)島的遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo)[14],當(dāng)?shù)睾泳W(wǎng)亟待采取適當(dāng)?shù)奈廴菊未胧?促進(jìn)河網(wǎng)水生態(tài)功能恢復(fù),水環(huán)境功能達(dá)標(biāo)。

崇明島水系具有河網(wǎng)密度大、分片控制、外圍長江水資源較為優(yōu)質(zhì)、日常引排可借助潮汐動力的特點[15],充分利用好周邊潮汐動力和優(yōu)質(zhì)水資源,對于提高當(dāng)?shù)氐暮泳W(wǎng)水資源調(diào)度能力、改善河道水環(huán)境具有十分重要的意義。受限于歷史建設(shè)規(guī)模以及新成陸區(qū)域?qū)λ挡季钟绊懙纫蛩?現(xiàn)狀崇明島河網(wǎng)的水體調(diào)度能力仍存在較大開發(fā)潛力,亟待實施相關(guān)工程進(jìn)行開發(fā)。針對水動力提升、水資源改善的調(diào)度優(yōu)化措施效果開展研究,能夠有效提升工程實施的針對性,為后續(xù)研究崇明島河網(wǎng)建設(shè)項目的優(yōu)先度、性價比提供參考。

本文通過全面梳理崇明島河網(wǎng)現(xiàn)狀規(guī)模及工程布局,針對區(qū)域內(nèi)引起河網(wǎng)水動力不足的主要短板,從溝通河道、增大引排規(guī)模等角度,結(jié)合對島內(nèi)現(xiàn)有水工程設(shè)施潛力的進(jìn)一步挖掘,提出多種島內(nèi)活水暢流調(diào)度的優(yōu)化方案。在此基礎(chǔ)上,利用河網(wǎng)模型進(jìn)行對應(yīng)的水動力、水質(zhì)數(shù)值模擬,對相關(guān)工程優(yōu)化方案的效果進(jìn)行定量檢驗,為進(jìn)一步改善崇明島河網(wǎng)水生態(tài)提供數(shù)據(jù)參考。

1 崇明河網(wǎng)水資源調(diào)度現(xiàn)狀

截至2021年底,崇明島南北沿共建成節(jié)制閘26座,其中15座位于南沿,11座位于北沿(見圖1)。目前,崇明島主要基于了建節(jié)制閘,以“南引北排、西水東調(diào)”模式,即按照“南支沿線水閘只引不排,北支沿線水閘只排不引”的方向進(jìn)行日常河網(wǎng)的活水暢流調(diào)度[16]。南沿水閘隔天至少一潮引水,北沿水閘隔天至少一潮排水。島內(nèi)另有47座小涵閘分布于各區(qū)、鎮(zhèn)、村級河道及小微水體與長江南北支匯口處,用于提升所在區(qū)域的除澇、引排水能力,并滿足相關(guān)企業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活生產(chǎn)用水供應(yīng)需求。

崇明島2019年及2020年實測水質(zhì)資料表明,全島市、區(qū)管河道全河段基本達(dá)到Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),骨干河道整體水質(zhì)情況較好。鎮(zhèn)管河道、村級河道等支級河道水質(zhì)情況不佳,V類水及以上的超標(biāo)水體較多,且存在部分V類及劣V類河段。島內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)主要超標(biāo)污染物為總磷,現(xiàn)狀水質(zhì)治理仍有較大空間。

崇明規(guī)劃河網(wǎng)水面率為10.46%,崇明島現(xiàn)狀水面率為9.07%(2020年數(shù)據(jù)[17])?，F(xiàn)狀河網(wǎng)主要存在的問題包括:① 崇明島部分區(qū)管河道尚未實施河道擴(kuò)展工程,未與北橫引河直接連通;② 部分區(qū)管河道河口寬與規(guī)劃藍(lán)線存在差距(見圖2及表1);③ 島內(nèi)水閘空間分布不均。崇明島北沿節(jié)制閘數(shù)量較南沿少,且主要集中在北沿東西兩端,中部因北湖阻擋,北排通道不暢;④ 部分小涵閘等現(xiàn)狀水利設(shè)施未在全島水資源調(diào)度過程中被充分利用。

表1 崇明島主要骨干河道現(xiàn)狀與規(guī)劃規(guī)模對比Tab.1 Scale of current and planed main river network of Chongming Island

圖2 崇明島骨干河道規(guī)劃與現(xiàn)狀實施情況對比Fig.2 Current and planed main river network of Chongming Island

基于上述崇明河網(wǎng)水動力的短板,本文嘗試采取河道拓展、構(gòu)建北湖北排通道、將現(xiàn)有涵閘加入引排調(diào)度等3種優(yōu)化措施改善河網(wǎng)水動力條件,并進(jìn)一步分析水資源調(diào)度優(yōu)化工程措施實施后對崇明全島特別是工程周邊區(qū)域的水環(huán)境、水動力的改善力度,為確定相關(guān)工程實施的優(yōu)先級提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型搭建

本次研究通過構(gòu)建崇明島一維河網(wǎng)水動力模型。依據(jù)現(xiàn)狀水資源調(diào)度策略,模擬崇明島河網(wǎng)水體的引排水過程。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行引調(diào)水工程方案的優(yōu)化,包括改善河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)整引調(diào)水工程布局,并利用模型計算分析工程措施對水環(huán)境的改善效果。

2.1 模型原理

模型采用一維非恒定流的圣維南方程組作為水動力計算控制方程:

(1)

(2)

式中:A為過水?dāng)嗝婷娣e;Q為過水?dāng)嗝媪髁?x為沿程坐標(biāo);t為時間坐標(biāo);h為斷面水位;C謝才系數(shù);R為水力半徑。模型采用了Abbott-Ionescu六點中心隱式格式進(jìn)行差分計算,數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的“追趕法”。

同時,模型采用對流-擴(kuò)散方程計算物質(zhì)在流體中的濃度變化,該方程為

(3)

式中:M為濃度;D為擴(kuò)散系數(shù);K為線性衰減系數(shù);C2為源濃度;q為側(cè)向流。

2.2 模型結(jié)構(gòu)

以2016年崇明島河湖數(shù)據(jù)復(fù)核成果為基礎(chǔ),參考2020年現(xiàn)狀河網(wǎng)數(shù)據(jù),并結(jié)合衛(wèi)星圖像,以崇明主要市、區(qū)、鎮(zhèn)級河道為骨干,概化其他低等級河道,建立崇明島現(xiàn)狀河網(wǎng)模型,河網(wǎng)及水工程設(shè)施(水閘)如圖3所示。

圖3 崇明現(xiàn)狀河網(wǎng)水動力模型Fig.3 Hydrodynamic model of current river network of Chongming Island

基于崇明島現(xiàn)狀引排水模式,設(shè)定模型中閘門調(diào)度模式為南引北排,島內(nèi)引排水過程中最低水位不低于2.6 m,最高水位不超過3.2 m。以長江沿線實測水位數(shù)據(jù)序列及水質(zhì)月報提供的水質(zhì)數(shù)據(jù)為模型的邊界條件(見圖2)。模型中水體面源污染負(fù)荷量根據(jù)2020年崇明島統(tǒng)計年鑒中的各鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算,并基于空間分布分配至各鎮(zhèn)級河道。污染物負(fù)荷參考崇明河道各月實測水質(zhì)濃度數(shù)據(jù),按對應(yīng)比例分配至各月中。

相關(guān)模型已在崇明島河網(wǎng)面源污染分析中進(jìn)行了率定驗證應(yīng)用[18],能夠較為合理地刻畫崇明島內(nèi)水動力、污染物輸移過程。本次研究將在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)引調(diào)水優(yōu)化方案計算。

3 工程設(shè)施布局優(yōu)化效果分析

3.1 河道疏拓效果影響分析

崇明現(xiàn)狀河網(wǎng)實施情況(表1)顯示,倉房港、東平河、小漾港、四滧港4處區(qū)管河道的河口寬度較規(guī)劃達(dá)標(biāo)率較低,故選取上述河道,以總磷為例,利用崇明河網(wǎng)水質(zhì)模型進(jìn)行特定調(diào)度模式下(南引北排,每日兩引兩排)水質(zhì)計算,分析各河道單獨根據(jù)規(guī)劃規(guī)模實施后對其自身及周邊河道水環(huán)境的影響。模型計算時間選取水質(zhì)等級處于全年中等水平的春季3～4月。各河道疏拓工程實施后,提取其自身及周邊各級河道斷面總磷變化情況進(jìn)行變化分析。斷面位置分布見圖4。

圖4 水質(zhì)對比特征斷面位置Fig.4 Location of typical sections of water quality comparison

由模型提取的斷面總磷濃度分布可見(見表2),上述4條區(qū)管河道分別單獨按照規(guī)劃實施后,其自身總磷濃度均有較大幅度降低,計算時段內(nèi)平均降幅約6.3%～20.1%,最大降幅出現(xiàn)在東平河。提取周邊市管至鎮(zhèn)管各級河道斷面水質(zhì)可見,拓寬河道對工程區(qū)東側(cè)區(qū)管河道1、直接連通的周邊鎮(zhèn)級河道水質(zhì)有一定程度改善,降幅分別為1.3%～6.4%,4.3%～13.6%,最大降幅均在東平河拓寬時出現(xiàn),表明河道疏拓能夠改善一定區(qū)域范圍內(nèi)的河道水環(huán)境。工程對西側(cè)相鄰河道或東側(cè)未相鄰河道濃度無顯著改變。

表2 河道疏拓后周邊斷面總磷濃度變幅Tab.2 Change of TP at the sections after inmplementing dredging project nearby %

綜合4處疏拓工程實施后,工程河道及周邊水體污染物濃度發(fā)生變化,表明骨干河道進(jìn)行疏拓后能夠在引水期間匯入更多的清水,進(jìn)一步稀釋了污染物,使自身以及臨近部分支級河道水質(zhì)均出現(xiàn)一定改善,但影響范圍相對較小,對全島總體引排改善不明顯。東平河現(xiàn)狀由于僅有南部閘門進(jìn)行引水,北排期間水動力較弱,較少受納周邊支級河道排放的污染物,按規(guī)劃規(guī)模疏拓后對區(qū)域內(nèi)水體的污染物濃度改善效果優(yōu)于其他3處工程實施效果。倉房港、小漾港、四滧港根據(jù)規(guī)劃進(jìn)行疏拓后,對周邊水體污染物濃度改善效果無顯著差異。

基于數(shù)學(xué)模型結(jié)果的分析,疏拓河道能夠有效削減工程河道自身水體污染物濃度,對其東側(cè)鄰近區(qū)、鎮(zhèn)級河道的水質(zhì)也有一定程度的改善。其中,對于現(xiàn)狀有南部閘門、無北部閘門的區(qū)管河道,在拓寬工程實施后,水質(zhì)提升效果最佳,宜作為優(yōu)先實施對象進(jìn)行建設(shè)。

3.2 北湖北排效果影響分析

崇明島北湖原為長江北支一部分,于2002年經(jīng)圈圍形成湖區(qū),現(xiàn)狀水域面積約7.59 km2。崇明北湖北部通過三通港涵閘與長江北支進(jìn)行水系溝通,南側(cè)保留與崇明河網(wǎng)的連接通道前進(jìn)閘河,但因前進(jìn)閘河水閘現(xiàn)已廢棄,北湖目前不與崇明河網(wǎng)溝通。南部相見港、直河港等區(qū)管河道及周邊支級河道水體需先進(jìn)入北橫引河,再向東西輸移經(jīng)遠(yuǎn)端新河港北閘、堡鎮(zhèn)港北閘北排進(jìn)入長江,排水行程遠(yuǎn),通道少?，F(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測[19]及數(shù)學(xué)模型模擬成果顯示,北湖以南河網(wǎng)因北排通道不暢,水質(zhì)較差,南引清水較難更新河道。本文考慮將北湖納入崇明島整體引排水調(diào)度中,通過修復(fù)利用現(xiàn)有涵閘,將前進(jìn)閘河、北湖、三通港、長江北支的北排通道納入崇明全島水資源調(diào)度系統(tǒng)中,提高調(diào)水效率,分析北湖加入引排后對崇明島河網(wǎng)水體更新效率的影響。

北湖參與水資源調(diào)度后,利用前進(jìn)閘河連通北橫引河及北湖,河道口寬約30 m。模型在北湖北端新增三通港涵閘,設(shè)置每日2次在長江北支低潮期間向外排水,三通港涵閘現(xiàn)狀規(guī)模為5孔3.2 m×3.0 m箱涵。

提取河網(wǎng)模型開始引水48,96 h和192 h后的河網(wǎng)水體換水分布可見,將北湖納入崇明島引排調(diào)度后,周邊水體更新效率有顯著改善。新增的北排通道使南部相見港、直河港及其周邊河道水體可直接通過三通港涵閘向北外排,縮短了區(qū)域內(nèi)河道水體的北排路徑,提高了換水效率。新河港北閘、堡鎮(zhèn)港北閘因北湖分擔(dān)北排壓力,可排出更多其他區(qū)域水體。同時,北排規(guī)模的增大使南部節(jié)制閘在同等時間內(nèi)引入了更多的清水至河網(wǎng)中。北湖以南區(qū)域河網(wǎng)水體換水率較現(xiàn)狀有較明顯的提高(見圖5)。由提取北湖南側(cè)新河港、相見港、直河港等河道的水體更新率變化曲線可見,上述河道完成同等比例換水的耗時普遍減少2～3 d(見圖6),在開始引排96～192 h(4～8 d)后河道斷面平均水體更新率改善最為顯著(圖6),相見港、直河港提升率可達(dá)18.9%～20.0%,新河港平均提升約12%,整體提升全島河網(wǎng)水體更新率約1.6%～2.6%(見表3),表明增加北湖作為崇明河網(wǎng)的引排通道能夠有效提升北湖以南區(qū)域的水體更新效率,對當(dāng)?shù)厮|(zhì)有一定改善。

表3 北湖北排前后周邊區(qū)管河道及全島河道平均水體更新率Tab.3 Water update rate of channels in Chongming Island before and after adding North Lake as drainage channel

圖5 北湖加入崇明河網(wǎng)調(diào)度前后河道引排水體更新率對比Fig.5 Comparison of water update rate with and without adding North Lake as drainage channel

圖6 北湖加入崇明河網(wǎng)調(diào)度前后區(qū)管河道水體更新率對比Fig.6 Comparison of typical sections’ water update rate before and after adding North Lake as drainage channel

3.3 利用現(xiàn)狀涵閘效果影響分析

崇明島南北現(xiàn)有47處沿江涵閘中,26座位于崇明島村級及以上河道,所在河道較為暢通,易于直接納入崇明河網(wǎng)總體調(diào)度,主要集中在崇明島南沿自廟港至奚家港岸線范圍,在崇明島北沿也存在少量分布(見圖7)。

圖7 可改擴(kuò)建納入河網(wǎng)調(diào)度涵閘分布Fig.7 Location of culverts available for water resources regulation

在崇明島河網(wǎng)現(xiàn)狀引水能力基礎(chǔ)上,若需要額外從長江南支引入清水,在不對現(xiàn)狀河道、節(jié)制閘規(guī)模進(jìn)行大范圍調(diào)整的情況下,可優(yōu)先使用此類涵閘作為日常引調(diào)水工程的補充。在河網(wǎng)模型中比較以下3種工況:

(1) 工況1。現(xiàn)狀引排規(guī)模,涵閘不參與水資源調(diào)度。

(2) 工況2。引排過程加入現(xiàn)狀涵閘參與調(diào)度,其中,崇明島南沿涵閘與其附近節(jié)制閘同步進(jìn)行引水,北沿涵閘與其附近節(jié)制閘同步進(jìn)行排水。

(3) 工況3。在工況2基礎(chǔ)上擴(kuò)建26處涵閘,其中位于區(qū)管河道的涵閘擴(kuò)建至10 m規(guī)模,鎮(zhèn)、村級河道涵閘擴(kuò)建至6 m規(guī)模,并對應(yīng)疏拓各涵閘所在村、鎮(zhèn)級河道分別至15 m和10 m規(guī)模。

在模型計算成果中,提取全島河道總體換水率以及特定河道斷面換水效率進(jìn)行比較,評估各工況對河網(wǎng)水動力的改善情況。

不同工況計算結(jié)果顯示,26處涵閘加入河網(wǎng)水資源引排調(diào)度能夠有效提升河道水體更新速率,且能減少水體更新所需的引排次數(shù)和頻率。水體更新率自工況1至工況3逐步升高(見圖8),其中,工況3對崇明島內(nèi)西北、中北、東北區(qū)域的河道水體更新改善明顯。提取崇明島西、中、東部3處典型骨干河道斷面的水體更新率變化曲線(見圖9)可見,達(dá)到同等水體更新率的情況下,工況2較工況1耗時減少約1 d,工況3在工況2基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮減1～2 d,換水效率提升主要集中體現(xiàn)在斷面水體開始更新后的5～7 d內(nèi),在當(dāng)斷面水質(zhì)更新率達(dá)到約90%以上后,3種工況下的水體更新效率逐漸趨于相同。

注:工況1為現(xiàn)狀;工況2為引排水調(diào)度加入現(xiàn)狀涵閘;工況3為引排水調(diào)度加入擴(kuò)建后涵閘。圖8 涵閘納入引排調(diào)度前后島內(nèi)河網(wǎng)水體更新率變化Fig.8 Comparison of water update rates with different operating modes of water resources regulation

圖9 3種工況下特征點位水體更新率變化Fig.9 Water update rate at typical sections with three operating modes

由全島河網(wǎng)平均水體更新率變化(見圖10)可見,工況1、工況2、工況3對河網(wǎng)水體更新效率依次提高。將涵閘納入調(diào)度對水體更新效率的提升在引水初期最大,開始引水1 d后工況2較工況1提升幅度為18.6%,工況3進(jìn)一步達(dá)到28.4%。在開始引排第11 d后,因累積引水量較大,水體更新率提升幅度有所下降,但仍分別達(dá)到8.4%和13.7%,此時3種工況下的河網(wǎng)平均水體更新率分別達(dá)到79.1%,85.7%,89.9%。

圖10 3種工況下崇明島河網(wǎng)平均水體更新率變化Fig.10 Average water update rate of river network in Chongming Island with three operating modes

模型計算結(jié)果表明,將部分沿江涵閘加入至崇明河網(wǎng)引排水調(diào)度中能夠有效提升河道各斷面的換水效率(工況2),適當(dāng)擴(kuò)建能夠進(jìn)一步提升涵閘引排水河網(wǎng)水體的更新效果(工況3),但一味擴(kuò)大涵閘規(guī)模無法使換水效率對應(yīng)獲得線性提升(見圖11)。

圖11 增加涵閘調(diào)度后平均水體更新率較現(xiàn)狀提升情況Fig.11 Improvement of water update rate after the culverts participating in water resource regulation

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

本文基于對崇明島河網(wǎng)調(diào)水現(xiàn)狀情況的收集,梳理了當(dāng)?shù)厮w調(diào)度面臨的主要問題,包括河口規(guī)模未按規(guī)劃實施到位、排水通道空間分布不均、部分小涵閘功能未充分利用。針對現(xiàn)狀短板,比較了幾種水資源調(diào)度優(yōu)化工程措施的實施效果。

(1) 根據(jù)崇明島河網(wǎng)規(guī)劃對現(xiàn)狀區(qū)管河道進(jìn)行疏拓能夠?qū)拥雷陨砑爸苓呉欢ǚ秶鷥?nèi)支級河道的水質(zhì)進(jìn)行改善,但對整治區(qū)域以外的河道水質(zhì)提升作用不明顯。工程實施對象可優(yōu)先選擇南部現(xiàn)有引水閘門、北部無排水閘門的河道。

(2) 將北湖納入島引排調(diào)度后,北湖南側(cè)區(qū)域河網(wǎng)換水效率能夠得到顯著改善,更新區(qū)域內(nèi)水體耗時較現(xiàn)狀縮短約2～3 d。

(3) 將部分崇明島現(xiàn)有可用沿江涵閘納入河網(wǎng)整體水資源調(diào)度后,島內(nèi)河網(wǎng)換水效率得到有效提高,但隨著納入引調(diào)水的涵閘數(shù)量增加、規(guī)模擴(kuò)大,水體更新率無法對應(yīng)獲得線性提升。

(4) 綜合一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型模擬計算成果,本研究設(shè)定的幾種水資源調(diào)度工程優(yōu)化方案均能夠有效提升崇明島局部區(qū)域河網(wǎng)水動力,改善區(qū)域水環(huán)境,相關(guān)措施具有有效性,對崇明島總體生態(tài)環(huán)境達(dá)標(biāo)建設(shè)具有較高的參考價值。

4.2 建 議

(1) 可在現(xiàn)有水利工程設(shè)施基礎(chǔ)上開展現(xiàn)狀涵閘加入引排調(diào)度,作為近期提升河網(wǎng)水動力水質(zhì)手段。河道疏拓可結(jié)合崇明河網(wǎng)規(guī)劃,遠(yuǎn)期逐步開展實施。

(2) 若將北湖作為崇明河網(wǎng)北排通道,需同時考慮維持湖區(qū)內(nèi)鹽度穩(wěn)定的相關(guān)措施,避免湖區(qū)鹽度失衡造成的生態(tài)影響,并進(jìn)一步評估崇明河網(wǎng)水體進(jìn)入湖區(qū)后對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境的影響。

(3) 考慮到工程實施的優(yōu)先級,建議綜合考慮現(xiàn)有河道規(guī)模、涵閘位置分布、河道狀態(tài)、周邊區(qū)域水質(zhì),對擬實施的河道疏拓、涵閘擴(kuò)建工程進(jìn)行優(yōu)先度排序,提升工程實施的效費比。