淀东水利枢纽引水泵站规模研究

陈长太 徐贵泉 李学峰

(上海市水务规划设计研究院 上海 200233)

淀东水利枢纽引水泵站规模研究

陈长太 徐贵泉 李学峰

(上海市水务规划设计研究院 上海 200233)

淀东水利枢纽具有防洪除涝、水资源调度和通航运输等综合功能，其中淀东引水泵站具有跨片水资源调度的重要功能，不论是对淀北片还是对青松片都有十分重要的作用。本文对淀东泵站设置的必要性和可行性进行了定性分析，并采用一维水动力水质模型，从流速变化、水量交换、水质改善效果等多角度，对不同河道工况条件和不同引水泵站规模下的引水效果进行了定量分析，为确定淀东泵站的规模提供技术依据。

引水泵站 泵站规模 水资源调度 淀北片 青松片

因淀北片的内河水环境质量较差，但片内无清水水源，需从片外引水入片内改善河道水质。因此，在《上海市城市防洪排水规划汇编》中，提出在淀东水闸设翻水泵站，引淀浦河水经骨干河道杨树浦港、战斗河向淀北片河网输送清水。该泵站的用地范围线，市水务局在上世纪90年代就以蓝线的形式予以了控制，并同时报给了上海市规划设计研究院。2005年闵行区人民政府批复的《闵行区水务规划水利篇》中，再次提出利用部分设施向“淀北片”供水的规划要求。2010年，淀东水利枢纽泵闸改扩建工程的项目建议书已经市发改委批复，淀东引水泵站的实施开始提上议事日程。但相关规划中对淀东泵站的规模未开展过专题研究，均笼统的提出暂定40m3/s的规模。因此，面对新的水情和工情条件，淀东引水泵站实施的必要性、可行性和工程规模，尚需进一步科学论证。

1 淀北片现状水资源调度总体格局及水环境状况

淀北片水资源常规调度采用“南北引、东排”的运行方式，即北部沿苏州河南岸的水闸（泵站）只引不排、南部淀浦河北岸沿线的水闸以引为主、东部黄浦江西岸沿线水闸只排不引，详见图1。

根据2001年～2008年上海市环境质量报告书，近年淀北片河道主要水质指标基本稳定，其中NH3-N较差，大部分为劣于Ⅴ类、少部分断面为Ⅴ类；CODCr相对较好，大部分断面为Ⅳ～V类。在暴雨期间，由于市政泵站放江排水，淀北片河道常发生黑臭现状，严重影响周边区域的居民生活。

2 淀东引水泵站实施必要性与可行性分析

2.1 淀东引水泵站实施必要性分析1

（1）增加引水水源，拓展水质改善范围的需要

淀北片受地理位置及引排条件制约，主要引水水源为苏州河和淀浦河闸下段。受苏州河河道本身过水能力制约，淀北片沿线引水口门的引水力度不能过大。而淀浦河沿线口门比较少，引水主要依靠南新泾水闸和中横沥北闸两个口门，这两个口门较靠近龙华港和张家塘港两个排水口门，易形成短流，改善范围有限。另外，淀北片西部地区无引排水口门，水质无法得到有效改善。因此，在淀北片的西南地区增设引水泵站，增加了引水水源，可进一步拓展水质改善范围，提高水资源调度的整体效果。

（2）增加引水动力，调活水体改善水动力条件的需要

淀东闸外沿线口门引水受潮汐影响较大，在大潮汛期间水动力足引水量较大，但在小潮汛期引水量有限。而淀东闸为青松片的主要排水口闸内段口门无法自流引水。特别是在发生市政泵站放江造成水质污染时，引水动力的不足易造成污染团的长期滞留，严重影响水环境质量。因此，设置淀东引水泵站可以增加淀北片的引水动力，为调活淀北片河网水体、加快改善河网水环境创造条件。

图1 淀北片水资源总体调度格局示意图

（3）优化调度格局，提高水质改善效果的需要

淀东引水泵站实施后，淀北片水资源调度具备了更灵活的手段，水资源调度格局得到了优化。另外，青松片受各种条件制约，水资源调度引水口门多，排水口门少，水体置换速度慢。淀北片从淀浦河闸内引水时，可加快青松片的水体置换速度，增加青松片从黄浦江上游引入的水量，加快了青松片的水环境改善。因此，设置淀东引水泵站，可以优化区域的水资源调度总体格局，不仅有利于淀北片的水环境改善，也有利于青松片的水环境改善。

2.2 淀东引水泵站实施可行性分析

（1）引水水源

根据对淀东闸上下两个断面监测，淀浦河在淀北片附近河段近年大部分水质指标为IV～劣V类，其中NH3-N最差，均为劣V类，而DO、BOD5和CODCr指标相对较好为IV～V类。总体而言，闸内断面略差于闸外，但好于淀北片内河网水质。因此，近期淀北片从淀东闸内引水，对改善淀北片水质是有帮助的。目前，《蕰藻浜、淀浦河环境综合整治规划》已基本编制完成，蕰藻浜、淀浦河整治将是继苏州河环境综合整治之后的又一项重大工程。通过淀浦河综合整治，淀浦河将有望在2020年前达到水功能区划要求的IV类水标准，这将为淀北片引水提供更好的引水水源水质。

（2）引排通道

引水河道杨树浦现状口宽为22～24m，河底高程0.0m，淤泥厚度为1.0m。根据《闵行区水务规划水利篇》，其规模将进一步扩大，规划最小断面控制要素为：口宽38m，底宽15m，河底高程-0.50m。它与周边水系通畅，可通过战斗河、庙桥港、北横泾、横沥港等干河向河网腹部地区扩散，最终由龙华港和张家塘排出。详见图1。

因此，从技术角度分析，利用淀东引水泵站向淀北片供水是必要的也是可行的，但其规模需作进一步技术经济比较。

3 一维河网水动力水质模型

本研究将采用上海感潮河网水动力水质模型，对不同的工况组合进行演算，从水量和水质两个方面来分析不同规模的引水泵站调水的效果及其影响。

3.1 数学模型

3.1.1 一维水动力模型

水动力模型基本方程采用圣维南方程组，数值离散方程采用成熟的Preismann四点隐式格式进行离散，联立方程求解。

一维明渠非恒定流Saint-Venant 方程组：

式中：t—时间坐标；

x—空间坐标；

Q—流量；

Z—水位；

U—断面平均流速；

n—糙率；

A—过流断面积；

B—主流断面宽度；

R—水力半径；

q—旁侧入流流量；

BW—水面宽度。

3.1.2 一维水质模型

水质模型基本方程采用物质输移的对流扩散方程，数值离散方程也采用成熟的Preismann四点隐式格式进行离散，联立方程求解。

水质基本方程：

式中：C—污染物质断面平均浓度；

U—断面平均流速；

A—断面面积；

Ex—纵向分散系数；

S—污染物质排放量；

K—污染物降解系数；

x、t—空间和时间坐标；

Sr—底泥释放系数。

3.2 计算条件

3.2.1 水文条件

以1971年8月1日0:00～16日0:00共15天一个完整的潮汐周期作为计算典型时段，并选用同期的外围潮位、水位变化过程作为水文计算条件。

3.2.2 水质条件

（1）代表水质指标

NH3-N是目前淀北片超标最严重的指标，故选其作为计算代表水质指标。

（2）淀北片水质初始条件

NH3-N初始浓度值取为4～6mg/L。

（3）引水水源水质

按淀浦河达到水功能区划要求考虑，NH3-N取为1.5mg/L。

3.2.3 工况条件

杨树浦按现状和规划两种工况考虑，淀东引水泵站分别按0～60m3/s考虑。

3.2.4 调度控制条件

淀东引水泵站闸内水位不超过3.3m时开泵引水，其它泵闸调度方式不变。

4 淀东引水泵站的规模及引水效果分析

4.1 泵站规模论证

4.1.1 水动力计算分析

（1）流速分析

淀东引水泵站在不同规模下，杨树浦在现状和规划规划两种断面下，杨树浦最大流速情况见图2。

图2 杨树浦断面最大流速变化示意图

由图2可知，杨树浦断面最大流速与引水泵站规模成正相关关系，泵站规模越大，断面流速也越大。要实现河道不冲（控制流速小于0.8m/s），若杨树浦维持现状断面，淀东泵站的规模不宜超过30m3/s；若杨树浦按规划实施，杨树浦最大流速明显降低，淀东泵站达到60m3/s，杨树浦断面最大流速仅为0.653 m/s，也可满足不冲流速要求。

（2）引水量分析

图3 淀北片总引水量变化示意图

由图3可知，淀东泵站规模越大，淀北片总引水量也越大。在淀东泵站规模小于30m3/s时，杨树浦现状断面已可满足过水要求，因此，在现状和规划两种不同断面下，淀北片总引水量没有明显差异；但淀东泵站规模超过30m3/s后，现状断面阻水明显，淀北片引水量明显小于规划断面下的引水量。

为确保淀北片防汛除涝安全和河道亲水平台不进水，淀浦河沿线口门包括淀东泵站在闸内水位超过3.30m就必须停止引水，因此，当淀东泵站规模达到40m3/s以上时，由于闸内水位超限，淀东泵站将会经常被迫停泵，总引水量增加幅度明显下降，淀东泵站规模在40m3/s是一个明显的拐点。可见，仅从淀北片总引水量来分析，若杨树浦断面不拓宽，淀东引水泵站规模不宜超过30m3/s；若杨树浦断面按规划实施，淀东引水泵站规模不宜超过40m3/s。

淀东泵站引水规模还需通过水质计算来进一步确定，由于淀东泵站规模在30 m3/s以下时杨树浦现状和规划两种断面下淀北片引水量差异不大，因此，下面的水质计算将按杨树浦港规划断面进行。

4.1.2 水质计算分析

计算结果表明，淀东引水泵站引水对改善淀北片水质有明显的作用，泵站规模越大，水质改善范围越大，水质改善程度也越大。从代表断面分析，不同区位的河道断面水质改善速度和幅度有明显差异。在靠近引水口门的蒲汇塘-中春路桥和新泾港-漕宝路桥在泵站规模为10～20m3/s时，水质就可有明显的改善，泵站规模继续增加改善幅度明显下降。但位于淀北片北部的蟠龙塘-诸翟和新泾港-虹桥路桥断面，在泵站规模为10m3/s时，受南部水量顶托，水质不降反而略有上升；在泵站规模达到40m3/s以上时，水质改善程度还未出现拐点，仍有较快的下降幅度。

从淀北片NH3-N面平均浓度分析，当引水泵站规模由10m3/s增加至60 m3/s，淀北片NH3-N面平均浓度降幅可由12.5%扩大至55.5%。泵站规模在20 m3/s以下时淀北片水质浓度下降速度较快，泵站规模由0 m3/s增加至20 m3/s， NH3-N面平均浓度下降32.5%；但由20 m3/s增加至40 m3/s时，NH3-N面平均浓度下降趋缓，降幅为25.1%；由40 m3/s增加至60 m3/s时，NH3-N面平均浓度仅下降12.0%，详见图4。

图4 淀北片NH3-N面平均浓度示意图

从淀北片NH3-N面平均改善速度上看，泵站规模越大改善速度越快。当泵站规模为10m3/s时，淀北片水质改善并稳定所需时间达10～11d；当泵站规模为20m3/s时，可缩短至8～9d；当泵站规模为60m3/s时，可进一步缩短为4～5d，详见图5。

图5 NH3-N面平均浓度改善过程示意图

·淀东引水泵站的规模取为20 m3/s，泵站规模适中，淀北片水质浓度下降速度较快，水质改善效果明显，具有较高的性价比；引水河道杨树浦港的断面流速较小，在现状断面条件下，亦可满足最大流速小于0.8m/s的不冲流速要求，泵站规模与现状河网规模匹配。因此，综合考虑引水对淀北片整体水质改善的程度、范围、速度、效率以及杨树浦现状过水能力等多方面因素，建议淀东引水泵站的规模取为20 m3/s。

4.2 推荐泵站规模引水效果分析

4.2.1 淀北片引水效果分析

淀东引水泵站采用推荐的20m3/s引水时，杨树浦在现状断面和规划断面两种断面规模下，最大流速分别为0.619 m/s和0.259m/s，均可小于不冲流速0.80m/s；两种断面下淀北片各引水口门总引水量均为201.7万m3/d，其中淀东引水泵站172.8万m3/d，占总引水量的85.7%。在一个潮汛周期15d的调度过程中，淀北片NH3-N面平均浓度可由无泵站条件下的5.17mg/L下降为3.49mg/L，可比无泵站情况下降32.5%。水质改善幅度最大的区域为淀北片西南部地区，其次为东南部地区，北部地区由于离调度口门较远，改善幅度相对较小，其中蒲汇塘以南、梅陇港以西地区NH3-N可稳定达到V类，虹桥地区水质明显改善。

4.2.2 青松片引水效果分析

青松片目前采取的主要调度方式是“南引东排”，即从黄浦江沿线口门引水，淀东水闸排水，其引水口门远多于排水口门，水体置换量主要受排水口门制约。淀东引水泵站实施后，青松片的排水量将明显增加，日平均排水量将由现状的258.3万m3/d增加至359.5万m3/d，增幅为39.2 %；青松片的水质同步得到了明显改善，NH3-N面平均浓度可由现状的4.93mg/L下降至4.67mg/L，降幅为5.26%。

4.3 敏感性分析

淀北片内的河网水质状况与污染源治理的情况密切相关，点源通过截污纳管较容易得到治理，但面源点多量大治理起来任重道远，特别是区域复杂的雨污合流排水系统雨天放江时，对区域河网水质容易造成巨大冲击负荷，因此，淀北片河网水质还存在不稳定因素。为分析在不同初始浓度条件下引水泵站调度效果的差异，本研究假定淀北片NH3-N面平均浓度分别为4、6和8mg/L，在推荐的20m3/s泵站规模下，淀北片水质改善过程如图6所示。

由图6可知，采用相同的20m3/s泵站引水，在不同的NH3-N面平均初始浓度条件下，在调度初期水质改善速度有一定差异，初始浓度高下降速度快、初始浓度低下降速度慢。但是在调度后期，不同初始浓度下面平均浓度趋于一致，面平均浓度整体改善并稳定时的浓度和所需时间并没有明显差异。引水泵站正常调度时一般都是调度到水质基本稳定后才停止，因此，只要调度的时间足够长，初始浓度不是影响水质调度效果的主要因素。

图6 不同初始浓度下水质改善过程分析图

5 主要结论与建议

（1）新增淀东引水泵站不仅有利于改善淀北片河网水动力条件，也有利于加快青松片河网水体置换速度，在优化水资源调度格局、提高河网水环境质量、提升人居环境等方面具有十分重要的作用，因此，其建设是十分必要的。

（2）综合考虑引水对淀北片整体水质改善的程度、范围、速度、效率以及杨树浦现状过水能力等多方面因素，建议淀东引水泵站的规模取为20 m3/s。

（3）淀东引水泵站引水对改善淀北片水质有比较显著的作用，泵站规模越大，水质改善范围和改善程度也越大。但是要依赖于整个青松片的水环境综合治理和水资源综合调度成效，才能取得较好的水质改善效果。

（4）杨树浦现状有一定淤积，若不进行疏浚，引水后将会导致近引水口门河段淤泥再悬浮，影响调水效果，建议与淀东引水泵站同步实施杨树浦拓浚工程。

（5）污染源的控制与治理是改善水环境的根本措施，水资源调度是维护河网水质的重要手段；污染源不治理，即使淀东引水泵站20 m3/s持续引水，也不能使淀北片所有河段水质均达到水功能区划要求。

1. 徐贵泉，陈长太，张海燕；苏州河初期雨水调蓄池控制溢流污染影响研究[J]；水科学进展；2006年第5期（第17卷），2006.09

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.001

TV675

A

1672-2469（2014）08-0001-05

陈长太（1978年— ），男，高级工程师。