基于M IKE模型的环湖闸坝拦截污染物质效果研究

李慧杰，吕永鹏，张 格，莫祖澜

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092；2.上海城市排水系统工程技术研究中心，上海市200092）

0 引 言

由于近年来环境的不断恶化，使得城市河道水环境治理期间存在越来越多的问题，不仅对城市建设形成了很大制约，也严重影响人们的生活质量[1]。目前常用的水环境整治技术主要有控源截污技术、内源治理技术、生态修复技术以及补水循环、就地处理及旁路治理等技术[2]。在技术选取过程中，应考虑到城市河湖景观水体是一个复杂的生态系统，影响景观水感官的因素包括物理因素（悬浮物）、藻类因素（蓝绿藻）、微生物因素（腐败菌）、化学因素（溶氧、富营养物质）[3],单靠传统单一的技术处理是不能完全解决的，而是要采用综合技术手段[4]。本文结合上海市临港主城区水体特点，在分析现状污染物入湖途径的基础上，利用MIKE模型，模拟采用工程手段削减入湖污染物的方法，结合其他水环境改善措施，形成总体污染物控制技术方案。

1 环湖闸坝设计方案

上海临港主城区水系形成相对独立的圩区，规划建设“一湖七射四涟”的水系网络，构建出“滴水涟漪”的独特城市风貌。现有水系是自然长期演变加人工改造的结果，部分河道已按规划实施,主城区内河水位可以通过已建排海闸进行人工调控，根据《临港主城区水系专业规划》，主城区内正常水位控制在2.5~2.7m；预降水位为2.2m；除涝最高控制水位为3.3m。拟通过在射河入口处沿湖设置环湖闸，以达到目标90%污染控制要求，闸门沿湖布设位置见图1。闸门面对不同的工况以采取不同的启闭状态，以阻止降雨时大量污染物质入湖。

图1 滴水湖环湖闸坝示意图

现将环湖闸坝运行方案详述如下：

（1）平时工况：平时闸坝打开，河道水经过湿地净化进入滴水湖。

（2）中小雨工况：雨前，闸坝升起，有必要时预降河道水位，但不需降滴水湖水位，保留水质较好的水。径流使河道水位升高，但不超过闸坝，河道水质变差，滴水湖中无径流进入，因此滴水湖水质不受影响。雨后，通过排海闸排出河道中水质较差的水，降下闸坝，滴水湖与河道恢复沟通。

（3）雨季、暴雨工况：雨前，闸坝升起，首先将河道水位降至预降水位，再按需降低滴水湖水位至预降水位与常水位之间，尽可能保留滴水湖水质较好的水。降雨前期，河道水位升高，但未达到闸坝高度河道水质变差，滴水湖水质不变。随着降雨继续进行，河道水位升高至坝顶，并溢流进入滴水湖，滴水湖与河道水位一同升高，一般不超过控制高水位，滴水湖水质变差，但变差程度明显低于河道。雨后，控制河道中水质较差的水通过排海闸优先排海；滴水湖水位与坝顶高程相同，河道水位低于坝。打开闸坝，滴水湖与河道恢复水体交换。河道与滴水湖水均经过湿地循环净化，水质逐渐恢复。

为证明此方案可行，现分别模拟中小雨工况（年径流总量控制率80%和95%分别对应的降雨量26.78 mm和59.3 mm）和暴雨工况（百年一遇降雨279.1 mm）下，当河道预降水位为2.2 m时，河道水位的变化过程，通过数据分析得到滴水湖环湖闸坝的适宜高度。

2 滴水湖水质模型建立

2.1 研究方法概述

主要采用DHI公司的水动力数值模拟软件MIKE中的水动力模块和水质模块模拟水体中的水流运动和生物、化学、物理反应，利用MIKE中的结构物模拟泵闸运行，模拟泵闸开启后，水体流动以及水体中各项水质指标的变化。本研究中用到的数值模拟手段包括水流模拟数学模型、对流扩散数学模型、水质模拟数学模型，几个模型之间既相对独立又相互关联。

2.2 模型范围

滴水湖地形采用实测地形，涟河和射河采用设计河道断面。概化后的滴水湖规划水系见图2，网格尺寸10~50m（见图3），能够细致刻画滴水湖及其涟河射河河道形态，保证计算精度。

图2 滴水湖水系概化

2.3 参数选取

（1）糙率系数

二维模型中糙率系数通过模型的率定与验证来确定，并参照一定的经验，取值范围为0.014～0.016。

图3 计算网格

（2）涡粘系数

根据Smagorinsky公式确定

式中：U，V为x，y方向垂线平均流速；Δ 为网格间距；Cs为计算参数，一般取0.25＜Cs＜1.0。

（3）水质参数选取（见表1）

（4）动边界处理

为保证模型计算的连续性，采用“干湿判别”来确定计算区域由于水位涨落产生的动边界。当计算区域水深小于0.005m时，该计算区域记为“干”，不参加计算；当水深大于0.01m时，该计算区域记为“湿”，重新参加计算。

（5）计算时间步长及初始水位

模型采用的计算时间步长Δt=5s，满足模型计算准确性和稳定性要求。

2.4 计算条件

2.4.1 水文条件

日常调度中，滴水湖水系均采用常水位2.6m，水文气象数据采用实测资料，平均风速3m/s。其中，外海潮位选用2016年5月芦潮港潮位过程。

2.4.2 外源污染物负荷

在水质模拟中，外源污染物是一个重要的输入参数，参考《上海临港地区海绵城市专项规划》中的统计数据。

2.4.3 排海闸调度规则

（1）平时工况：当潮位高于河道水位时，排海闸关闭；防治海水倒灌，当潮位低于河道水位时，排海闸开启。

（2）有雨工况：当潮位高于河道水位时，排海闸关闭；降雨结束且潮位低于河道水位时，排海闸开启。

表1 水质参数

2.5 参数验证与率定

2.5.1 水力模型参数率定与验证

选择流域实际发生较大洪水、洪水发生时间较近、降雨情况较为典型、实测资料较完整的作为参证洪水。选择“20120617”降雨作为参证洪水进行模型参数率定，选用“20160915”降雨作为验证计算。

（1）“20120617”场次降雨模型率定

2012年6月17日~6月18日降雨，24 h最大降雨量174.4mm，最大1小时降雨量为27.5mm。对2012年6月17日至18日的降雨过程进行模拟，计算得到临港主城区最高水位为2.95m，实测对应最高水位为2.89m，对应各个时段的实测和计算水位过程线见图4。

图4 “20120617”验证计算滴水湖水位过程线

（2）“20160915”场次降雨模型验证

2016年9月15日~9月16日降雨，最大24 h总降雨量268.5mm，最大1 h降雨量为58mm。计算得到临港主城区最高水位为3.28m，实测对应最高水位为3.23m，对应各个时段的实测和计算水位过程线见图5。

图5 “20160915”验证计算滴水湖水位过程线

从上述验证计算的成果可见，采用经参数率定后的模型进行洪流演进计算，实测值与计算值吻合较好，综合反映了本次建立的水利计算模型及率定的参数是合理的。

2.5.2 水质模型参数率定与验证

选取两个月的水质资料，其中一个月监测数据用于参数率定，另外一个月监测数据用于参数验证，然后与参证水质的实测值进行比较，得出计算参数的调整值，调整计算参数后再重新计算，直至计算值与实测值之间的误差在计算精度要求范围之内。

（1）“201611”水质模型率定

临港新城芦潮港站11月15日前10日中4天有降雨，其中7日14.0mm，8日0.5mm，12日2.0mm，13日1.5mm。

2016年11月，滴水湖水质综合评价属Ⅳ类，其中总磷和总氮均属Ⅳ类。2016年11月份滴水湖营养状态指数是49.8，属于中营养程度。射河、涟河中24个断面综合评价为Ⅲ～劣Ⅴ类，其中外涟河临港大道断面属劣Ⅴ类，其余断面属Ⅲ～Ⅳ类。主要影响项目为溶解氧和氨氮。从图6可以看出，经参数率定后的模型进行水质计算的计算值与各断面实测水质误差在20%以内，基本吻合，需通过对另外一月的水质计算对模型进行验证。

图6 滴水湖与射河涟河污染物质计算值与实测值误差

（2）“20161214”水质模型验证

芦潮港站12月14日前10日中3天有降雨，其中11日1.0mm，12日4.0mm，13日1.0mm。

2016年12月，滴水湖水质综合评价属Ⅳ类，其中总磷和总氮均属Ⅳ类。2016年12月份滴水湖营养状态指数是52.8，属于轻度营养程度。射河、涟河中24个断面综合评价为Ⅲ～Ⅳ类，主要影响项目为溶解氧和氨氮。从图7可以看出，经参数率定后的模型进行水质计算的计算值与实测水质误差值在20%以内，吻合较好，综合反映了本次建立的水质计算模型及率定的参数是合理的。

图7 滴水湖与射河涟河污染物质计算值与实测值误差

3 模拟结果分析

3.1 降雨分配

假设闸门无限高，分别模拟中小雨工况（年径流总量控制率80%、95%对应的降雨量26.78mm、59.3 mm）和暴雨工况（百年一遇降雨279.1 mm）时污染物入湖情况，其中，当降雨量为26.78mm时，河道不预降水位，当降雨量为59.3 mm和279.1mm时，河道预降水位为2.2m。通过模拟河道水位与滴水湖水位变化情况，分析控污效果最优的闸门高度组合。

年径流总量控制率80%和95%分别对应的降雨量26.78 mm和59.3 mm，百年一遇降雨量为279.1mm。扣除初雨损失后将其分配至24 h雨型，分配结果见表2。

表2 降雨量分配表

3.2 模拟结果分析

3.2.1 河道水位上升高度分析

为得到闸门最佳控制高度，模型假设闸门高度为无限高，模拟在一定控制率下河道水位上涨情况，由此确定闸门控制高度。以上述降雨、外河潮位、外排海闸常规调度为边界条件，模拟2035年河道水位上涨情况见表3（当河道水位高于潮位时，外排海闸开启）。由模拟结果可知，当降雨量为26.78mm时，河道水位上升0.19m；当降雨量为59.3mm时，河道水位上升0.35m。

由上述模拟可知，中小雨工况不预降水位，大雨及雨季预降水位至2.2m，因此闸坝高度控制在2.8m可控制约95%径流不进入滴水湖。

3.2.2 技术方案及控制效果分析

通过分析不同降雨量场次降雨条件下，建设环湖闸以后的水质情况，可以较直观地对比出工程建设的作用。分别针对以上各典型场次降雨，计算建闸和不建闸工况下的污染物浓度削减情况。

表3 不同控制率下河道水位变化表

污染物质伴随径流汇入河道的过程是十分复杂的。国内外已有学者对这一现象进行研究并给出了水质计算过程中的简化方法，本次计算采用初期30%的径流中携带整个降雨事件污染物总量的80%[5]。假设各种降雨条件下，前期污染物累积量相同。在扣除30%的源头污染物削减的前提下，根据35年预测的污染负荷对径流污染物浓度进行计算，对建立环湖闸坝之前、之后的水质进行模拟，表4、表5为自降雨第48 h时各工况的滴水湖以及河道水质模拟情况。从表4、表5可看到，在不同的降雨工况下，建立环湖闸坝要比未建之前污染物质浓度削减20%～30%。

4 结 论

环湖闸坝对滴水湖的水质有较明显的保护作用。当河道水位低于2.8m时，由于环湖闸坝的阻截作用，滴水湖内的水质基本不受影响，射河链河水质会变差，其污染物浓度增加程度在15%～40%之间。随着降雨量的增大，河道内的水溢流进滴水湖，但由于雨水汇流量的增大，对污染物的稀释作用增强，滴水湖水质也不会受太大影响。在279.1mm工况下，河道内污染的水会溢流进滴水湖，但是由于降雨总量太大，稀释作用强，导致滴水湖内污染物浓度整体较低。而在26.87 mm和59.3mm的降雨条件下，建闸后河道内的水均未流入滴水湖内，因此建立环湖闸坝对阻挡污染物质入湖有显著效果。

表4 滴水湖各工况水质比较

表5 河道各工况水质比较