平原河网区活水畅流对水动力和水质的改善效果

陈庆江，丁 瑞，赵 海

(1.上海城投(集团)有限公司，上海 200020； 2.南京水利科学研究院水工水力学研究所，江苏 南京 210029； 3.上海市青浦区河道水闸管理所，上海 201700)

长江下游平原河网区是我国经济发展最活跃、开放程度最高、创新能力最强的区域，GDP约占全国20%、城镇化率高达80%、人口密集，水生态环境形势严峻，河网动力弱、连通性差、入河污染负荷强，控源截污治污略显滞后，河网水质提升难。

平原河网区水环境提升在控源截污的基础上，通过活水畅流引入优质水源、合理分配水资源，可有效提升河网水动力，提高水体复氧，加快污染物降解，增加河道水环境容量与水体自净能力，是有效改善水环境质量的治理措施之一[1-4]。21世纪以来，上海[5-6]、苏州[7-10]、无锡[11]、常州[12]等长江下游平原河网城市陆续开展活水畅流的研究与实践，根据区域水系特点，因地制宜提出活水畅流方案，在河网水动力数值模拟的基础上，开展引水试验并进行现场观测，监测水量、水质变化及改善效果[13-14]，但缺乏对引水效果的长期原型观测与分析。

青浦区青松片为长江下游典型感潮平原河网区，本文以青浦区青松片为例，通过现场调研分析现状问题，充分利用现有水利工程，建立了河网水动力精细化数学模型，分析了不同方案的河网流速变化情况，以提高水体流动性为目标，提出青浦区青松片活水畅流方案，通过现场试验的方法，验证活水畅流方案改善水环境的效果。本文的成果可为平原河网城市水资源调度提供理论与技术参考。

1 区域概况

青浦区位于上海市西部，太湖下游，黄浦江上游，是典型的感潮平原河网区，是长三角生态绿色一体化发展示范区。本文以青浦区青松片为研究重点，活水范围扩至青松片，面积约758 km2。青松片为平原感潮水网地区，属黄浦江水系。境内河港多受黄浦江潮汐和江浙两省的客水下泄影响和入侵，由吴淞江、淀浦河、太浦河、红旗塘、急水港等流经区境入浦归海，青浦区境内东部主要河流以南北流向为主，西部主要河流多东西走向。

目前青浦区青松片河道水质相对差，控源截污不到位，雨后入河污染物多；水体流动性差，水动力不足；河岸被侵占、过水断面束窄；部分河道存在断头现象等。2017年6月，对淀浦河以北区域全覆盖水质监测结果表明，900条采样河道中，劣Ⅴ类水体占比66%，Ⅴ类水体占比17%，Ⅳ类及以下水体占比17%，总体水质较差。上海市制定了水资源调度细则，活水畅流是其中一项重要措施，对改善区域水环境的提升具有重要意义。

2 水动力数学模型

2.1 模型构建

本文通过构建青松片一维河网水动力模型，分析现状活水方案。采用有限差分法求解一维河网水动力学模型，采用Preissman四点隐格式对圣维南方程组进行离散。

一维河网的洪水运动用圣维南方程组描述，其上、下游边界条件一般采用水位、流量、流量-水位关系等[15]。圣维南方程组由连续方程和动量方程组成：

(1)

(2)

式中：x、t分别为河道纵向坐标及时间；n为糙率系数；Q、H分别为断面流量及水位；q为单位河长的旁侧入流量；A为过水断面面积；R为过水断面水力半径；β为动量修正系数；K为流量模数；α为旁侧入流流向与河流流向的夹角；g为重力加速度。

初始条件：流速场取为静止场，水位则取控制断面的水位值。

模拟范围为青松片河网，北至吴淞江，东临小涞港、茜浦泾，南到黄浦江、拦路港，西至淀山湖，青松片概化大小河道947条，内部河网总长度约1 745 km。模型中创建的河道断面为实测断面与概化断面相结合，共创建断面7 593个、河段3 518段、闸门506座、泵站326座，如图1所示。

图1 青松片河网水动力模型

图2 青松片河网水动力模型水位边界条件

青松片为上海市14个水利分片之一，外围都建设了泵闸，形成相对封闭的水力边界，引水口门采用入流边界条件，排水口门根据泵闸运行和水位边界控制，模型水位边界为吴淞江上游赵屯、淀山湖和黄浦江下游吴淞口，水位边界条件如图2所示。

根据《河道整治规划设计规范》等相关文献对区域内河道赋予不同的糙率初值，一级河道(拦路港、黄浦江、吴淞江)n=0.025，二级河道(西大盈港、东大盈港、新通波塘等)n=0.03，三级河道(小涞港，东向阳河等)n=0.035。

2.2 模型率定验证

采用2019年4月18—22日现场原型观测结果进行模型率定验证，以青松片特征水位点青浦南门作为内部控制点，模型经过率定，最终确定一级河道(拦路港、黄浦江、吴淞江)n=0.022 5～0.025，二级河道(西大盈港、东大盈港、新通波塘等)n=0.025～0.027 5，三级河道(小涞港，东向阳河等)n=0.032 5～0.035。水位实测与计算对比如图3所示，计算水位和实测水位的变化趋势相似，水位最大误差能控制在5 cm内，流量误差10%以内，能够满足模型计算要求。

图3 青浦南门站模型水位率定验证过程

3 现状活水方案分析

近年来，青松片实施的水资源调度方案为“西引东排，南引北排”，如图4所示，即以沿黄浦江上游及其斜塘-泖河-拦路港北岸河道水闸和连接淀山湖的淀浦河西闸引水，以淀浦河东泵闸及苏州河南岸沿线水闸排水。现状水资源调度方案对青浦区青松片总体水质改善效果不明显，2017—2018年大部分水体水质为Ⅴ至劣Ⅴ类。

图4 青松片水资源调度方案

3.1 数值计算

模型计算的闸泵调度包括：青浦区淀山湖、拦路港沿线水闸只引不排，其中张马泵站、朱泖河泵站闸引不能实施时，各开泵两台引水6 h；淀浦河西闸打开。吴淞江、江苏界、虬江、小涞港沿线水闸只排不引；苏州河南岸沿线水闸能排则排，不能自排时西大盈、东大盈、华新泵闸动力北排。淀浦河东闸保证全天2潮排水，控制闸内水位不低于2.2 m，夜间控制闸内水位不低于2.0 m；白天不能自排时，单泵3～5 h排水。

数值计算结果表明，流速大于5 cm/s的河道主要为西大盈港、东大盈港、油墩港、新通波塘、淀浦河、淀山港、朱泖河、华田泾、上达河等主干河道，其他中小河道流速基本小于5 cm/s，现状活水方案下，水体流动性较弱。

3.2 试验观测

2018年对现状调度方案进行了现场原型观测，采用声学多普勒流速剖面仪ADCP进行流量观测，对骨干河道及主要引排口门进行持续3 d的流量观测，观测涨落潮时的流量变化。

试验结果表明，西引东排流量较小，主要体现在西引淀山湖流量较小，平均约10 m3/s，淀东泵闸东排流量平均约20 m3/s。北排吴淞江效果较差，吴淞江水位较高，依靠闸门无法自排，主要依靠西大盈、东大盈、华新三座泵站北排，但泵站北排可带动西大盈港、东大盈港、新通波塘等南北骨干河道水体向北流动的影响范围约3～4 km，其余河段基本为滞留区。南引黄浦江沿线水闸高潮位时引水量大，但引水时间短，每天约2～3 h，南引水量难以进入淀浦河以北区域。因此，现状“西引东排、南引北排”水资源调度方案下，青浦区青松片水动力较弱。

4 活水方案优化

4.1 活水畅流优化方案制定

2018年吴淞江赵屯与青浦南门水位如图5所示，吴淞江水位一直高于青浦南门10 cm左右。此外，2019年吴淞江水质比2018年同期水质有很大改善，由Ⅴ至劣Ⅴ类提升至Ⅳ类，如图6所示。因此，充分利用吴淞江高水位的自然条件，打开吴淞江沿线闸门，自流北引吴淞江水到青浦区；拦路港、黄浦江沿线潮差大，打开沿线闸门自然引排，恢复河网自然流动状态。因此，制定“北引东排，西南自然引排”活水畅流优化方案，如图7所示，当拦路港、黄浦江低潮位时，主要引水路径为北引吴淞江，淀浦河东泵闸东排，南排拦路港与黄浦江；当拦路港、黄浦江高潮位时，主要引水路径为北引吴淞江，南引拦路港、黄浦江，淀浦河东泵闸向东排水。

图5 2018年吴淞江与青浦南门水位对比

图6 2018—2019年吴淞江赵屯断面水质变化

图7 青松片活水优化方案引排格局

4.2 优化方案效果模拟

河网流速分布计算结果表明，西大盈港、东大盈港、油墩港、新通波塘等主干河道流速基本大于10 cm/s，不少中小河道流速大于5 cm/s，相比现状活水方案，水体流动性显著提升。现状活水方案与优化方案的主干河道流速如图8所示，可以看出，优化方案的几条主干河道流速明显增大。青松片河道流速总体提升20.4%，主干河道流速提升27.5%，中小河道流速提升18.5%。现状调度与优化方案的河道流速大小占总河道长度的占比如表1所示，可以看出，优化方案水动力明显提升。

图8 青松片主干河道流速变化

表1 不同流速u的河道长度占比%

4.3 效果现场验证

为验证活水畅流优化方案效果，2019年1—8月开展了青松片水资源调度优化方案现场试验，期间对水动力与水质进行原型观测。采用ADCP对主干河道水动力进行多次测量，测量结果如表2所示，西大盈港、东大盈港、油墩港、新通波塘4条主干河道北引吴淞江流量约40 m3/s，水动力极大提升，与水动力数学模型计算结果基本吻合。淀浦河东排流量约20 m3/s，部分断面流向往复，受淀东水闸调度影响很大。

表2 青松片淀浦河以北主干河道流量

图9 现状方案与优化方案氨氮质量浓度对比

图10 各关注点现状方案与优化方案总磷质量浓度对比

2018年青松片主要采用“西引东排、南引北排”现状活水方案，2019年青松片开展优化活水方案试验。两种活水方案调度模式下，对青松片水质进行逐月采样测量分析，如图9和图10所示，结果表明，采用优化活水方案以来，西大盈港、东大盈港、油墩港、新通波塘、淀浦河、上达河等主干河道水质整体得到很大改善，总体水质由Ⅴ至劣Ⅴ类提升至Ⅳ类。

5 结 论

a. 构建了青松片河网水动力数学模型，对现状调度方案进行了数值模拟与现场原型观测，结果表明，西引东排流量较小，为10～20 m3/s；北排吴淞江无法自排只能泵排，且对河道流动性影响范围只有泵站南侧3～4 km，其余河段多为滞留水体；南引黄浦江水难以进入淀浦河以北区域，青浦区青松片现状活水方案下水动力较弱。

b. 基于吴淞江水质逐年好转，根据吴淞江水位高、拦路港—黄浦江潮差大等水动力特点，提出“北引东排、西南自然引排”活水畅流优化方案，数值计算结果表明，优化方案水动力显著提升，主干和中小河道流速分别提升27.5%和18.5%。

c. 对活水优化方案开展现场试验，观测结果表明，引排流量显著提升，西大盈港、东大盈港、油墩港、新通波塘北引吴淞江流量约40 m3/s，试验期间水质显著提升，主干河道水质由Ⅴ至劣Ⅴ类提升至Ⅳ类。