航塘港水闸对奉贤区防汛及调水的作用分析

周波

摘要： 运用MIKE11构建水量水质耦合模型，模拟现状河网和增加航塘港闸后的河网。首先模拟引清调水中水质代表点的污染物浓度变化过程，研究航塘港水闸对周边镇区河道水质的改善作用，然后模拟莫拉克台风以及50年一遇暴雨期的水位变化过程，分析航塘港水闸的防汛排涝作用。研究成果能为航塘港水闸建设提供参考依据。

关键词： 水文模型 水闸 引清调水防汛排涝

1 前言

奉贤区位于上海市南部，地处黄浦江以南、杭州湾以北，两面濒水，东与浦东相邻，西与松江、金山接壤，全区面积约720Km2。区域内市、区级骨干河道19条，镇级河道260多条，河道面积为55.39 km2。

奉贤区水务局十三五规划中，航塘港将延伸约3公里至杭州湾，并在该河出海口设置水闸。航塘港水闸的建设将对奉贤区的防汛以及调水产生作用，本文通过水文模型的模拟试对该作用进行分析，为航塘港水闸的建设提供参考依据。

2水利概况

奉贤区境内共有12座水闸，其中沿江7座，全部分布在金汇港以西。沿海4座，金汇港以西2座（金汇港南闸、南竹港南闸），以东2座（南门港闸、中港闸）。西部边界1座。规划在金汇港以东地区新建1座沿海闸门。水闸分布见图1。

3水文模型简介

MIKE11是丹麦水力研究所研制的一维河网模拟软件，软件包括水动力模块、降雨径流模块、对流扩散模块、可控水工建筑物模块、水质实验室模块等，是进行河网水动力和环境状态模拟的有力工具。

MIKE11软件中的水动力模块（HD）模拟河网水动力状态。该模块基于描述简单明渠非恒定渐变流运动规律的圣维南方程组建立，包括反映动量守恒定律的运动方程和反映质量守恒定律的连续性方程：

（1）

（2）

式（1）～（2）中，A为河道内任意断面的面积；Q为断面流量；t、x分别为时间与位置的坐标；h为水位；g为重力加速度；q为旁侧入流；R为水力半径；C为谢才系数；为动量校正系数。模型采用6 点Abbott-Ionescu有限差分格式求解，在给定的边界条件下推求近似结果。

降雨径流模块（RR）包含几种模型，其中主要是NAM模型。该模型描述水文循环的地表过程，是概念性集总式模型，其将整个（子）流域视作一个整体单位，并考虑水文循环的各种物理过程，模型参数代表平均情况，率定目标是总水量平衡和径流过程线形状相似。NAM模型的结构图见图2。

对流扩散模块（AD）可模拟溶解态或悬浮物质的对流扩散和一级降解过程。污染物质在水中的浓度与自身降解、水流运动以及扩散有关，其控制方程采用物质输移的对流扩散方程：

（3）

式（3）中：C为某污染物的水质浓度；A为断面面积；Q为断面流量；Ex为纵向扩散系数；K为生物降解系数；C2为外部汇入同种污染物的浓度；q为带有该污染物的旁侧入流量。该方程为偏微分方程，通过与水动力方程联合进行求解。

模块（SO）为可控制建筑物模型，可设置参数为水闸类型、闸宽、闸底高程、闸门开启高度、河网中所在位置、调度原则等。新建水闸可在该模块中进行设置。

4 模型构建

利用上述模块可构建水量水质耦合模型，根据实测资料对模型参数进行率定，使水位流量过程基本与实际吻合。假定某不可降解污染物质在河网中的初始状态和边界状态，扩散系数取经验值建立水质模型。通过水量水质模型耦合计算，能在一定程度上真实反映污染物质在河网中的传输过程。

4.1水量模型

模型对浦东水利控制片区的河网进行了概化，其中河道断面采用2011年水利普查数据。

模型边界：西部边界河道交换水量很少，故将西部边界处理为闭边界。沿江沿海边界以实测或插补潮位为边界。初始状态：水位为2.5m，流量为0m3/s。

模型计算时段为2013年6月1日0：00至12月31日0：00，模型中HD模块计算步长为5min，RR模块计算步长为1hr。

4.2水质模型

水质边界初始状态：假定不可降解污染物A在黄浦江和杭州湾中的浓度为0mg/L，在河网中的浓度为2mg/L。

模型参数：市、区级河道扩散系数为20，其他河道扩散系数为10；降解系数为0。

耦合计算时段：2013年9月16日0：00至9月23日0：00。模型计算步长为5min。

因缺乏足够的连续的水质数据，故水质模型没有进行率定。

5航塘港闸调水作用分析

5.1污染物对流扩散模拟

模型分别在现状河网和规划河网中进行水质模拟。规划河网是在现状河网的基础上延长航塘港并设置出海水闸。航塘港延长段总长约3.5Km，设定河宽30m，底高程0m，边坡比1：1.5，航塘港水闸底高程为0m，闸门宽分别假定10m、12m、15m，水头损失系数0.5。

模型分别在常规和非常规调水状态下进行模拟。常规调水时，水闸每次运行时间约3小时，非常规6小时。本文中常规调水状态为：沿江沿海水闸常规运行，每日引排1潮次。非常规调水状态为：沿江水闸常规引水每日2潮次，金南闸常规排水每日1潮次，其余沿海水闸非常规排水，每日2潮次。

模型对水质代表点进行模拟，代表点选取镇内河道，为钱桥社区的錢塘港、塘外社区的航塘港和奉城镇的城河。

图4 水质代表点所在位置

5.2航塘港水闸的作用分析

假设片区内某污染物浓度初始值为2mg/L，模拟引清调水7天后得到的污染物浓度变化数据如下表1。

对代表点的污染物浓度值进行分析，可研究航塘港闸对周边城镇水质的改善作用。比较现状河网与规划河网的模拟数据，得到以下结果：

（1）常规调水时，航塘港闸宽10m时只对塘外水质有影响，但影响很小。当闸宽12m和15m时，对3个代表点水质都有影响，影响程度基本相同，分别为：0.7%（钱桥）、1.5%（塘外）、1.5%（奉城）。可见新建航塘港水闸后，在常规调水时对附近镇区河道水质的改善作用较小。endprint

（2）非常规调水时，航塘港水闸对3个代表点水质都有影响。闸宽10m时，影响程度为：0.9%（钱桥）、12.3%（塘外）、3.7%（奉城）。闸宽12m和15m的影响基本相同，分别为：0.9%（钱桥）、12.8%（塘外）、4.0%（奉城）。可见新建航塘港水闸后，非常规调水对塘外镇河道水质改善作用明显，对奉城镇水质有一定改善，对钱桥镇水质改善较小。

（3）航塘港闸对河道水质的改善作用随距离增加而减少。经过比较，无论常规还是非常规调水，航塘港闸宽12m的经济效用最佳。

6 防汛排涝作用分析

6.1 菲特台风水情模拟

2013年10月6日，台风“菲特”登陆，奉贤地区受此影响开始降雨。6日至8日，三天累积雨量达到194.6mm。为了防涝，南桥水位先紧急降到2.29m，之后水位持续上涨至降雨结束，8日水位达到最高3.55m。主降雨期，沿江水闸由于黄浦江潮位较高无法排水，只能依靠沿海水闸排水。

模型分别对现状河网和规划河网的内河水位进行模拟，规划河网中航塘港水闸闸宽设定为12m。模拟期：2013年10月1日至10月10日，包括了菲特台风。各水位代表点模拟数据如下表2，水位代表点位置同水质代表点。

菲特台風降雨峰值出现在8日4：00～10：00，期间沿海水闸排水1潮次，6小时内降雨119mm，查图6，频率为11%（9年一遇）。

6.2 50年一遇暴雨水情模拟

查图6，50年一遇6小时最大降雨178mm。将菲特台风主降雨期各时段的雨量同比例放大1.5倍，即从119mm放大到178mm。在其它因素条件不变的情况下进行模拟，得到各代表点的模拟水位值，见表3。

表350年一遇暴雨期间各代表点模拟的最高水位表单位：m

6.3 航塘港水闸的作用分析

奉贤区降雨量无论接近十年一遇还是五十年一遇，新建航塘港水闸后能对塘外镇的最高水位消减4～5公分，防汛排涝作用明显。对距离稍远的钱桥和奉城镇的最高水位只能消减2公分左右，排涝作用不是很大，对更远的南桥镇的最高水位消减作用几乎为零。

7 结论

通过水量水质耦合模型的模拟，规划的航塘港水闸对周边镇区的水质改善和防汛排涝都有一定作用。在引清调水时，水闸运行时间越长，频次越高，对水质改善的作用越明显。在常规调水时，航塘港闸对河道水质的改善作用并不明显，非常规调水时对距离最近的塘外镇河道水质改善作用明显，次之是奉城镇，对最远的钱桥镇水质改善作用很小。经比较后，无论常规还是非常规调水，航塘港闸宽定为12m比较合适。

在确定航塘港闸宽后，经模型模拟，降雨量无论接近十年一遇还是五十年一遇，航塘港闸对塘外镇的最高水位能消减4到5公分，防汛作用较大，对距离稍远的钱桥和奉城镇的最高水位只能消减2公分左右，防汛作用并很大，对更远的南桥镇防汛作用几乎为零。

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