平原城市感潮河网水环境改善方案研究——以上海市淀北片为例

谢 忱，丁 瑞，杨 帆，潘小保，范子武

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210098)

平原城市感潮河网地势平坦，水动力弱[1- 2]，受潮汐作用和泵闸调度的影响，水体又常常往复无序流动[2]，与此同时，由于水系发达、水利工程众多，人工调度的统筹难度极大[3]，总体表现为河网密、工程多、强感潮、控制难[4]。由于城镇化的快速发展，入河污染物急剧增长，严重威胁着水环境水生态，如何利用平原感潮河网的潮动力引水[5- 7]，构建科学有序的引排体系，促进河道水体有序流动，提高水体自净能力，对于改善平原城市感潮河网水环境质量具有重大意义[8- 10]。

上海市淀北片是典型的平原城市感潮河网，由于受区域自然地形地貌以及水利工程的影响，局部区域水体存在流动性差、无序流动、水环境压力大等问题[11- 12]。目前研究范围内河网主要依靠闸门的开关以及潮水的涨落实现河网水体流动，但由于闸泵众多，缺乏科学统筹调度，致使河网中存在缓流滞留区，不利于淀北片河网水质的整体改善。

本文以上海市淀北片为例，基于现状水系及水利工程，建立了河网水动力精细化数学模型[13- 16]，分析了不同方案的河网流速变化情况，以充分利用潮动力、提高水体流动性为目标，提出上海市淀北片畅流活水总体思路及活水方案。

1 研究区域概况

1.1 区域概况

上海市淀北片属于典型平原城市感潮河网，水动力条件差，水体易往复流动，调控难度大。研究范围内水网密布，共有130多条大小河道。内部有5条主干河道，分别为三横两纵：蒲汇塘、漕河泾-龙华港、张家塘港，以及新泾港、北横泾；其他主要河道有小涞港(边界河道)、春申港、梅陇港、华漕港、野奴泾(典型断头浜)、诸家浜、上澳塘、东上澳塘、北潮港、北虹莘港、杨树浦、张正浦、龙尖嘴、盐仓浦、姚登港、蟠龙潭、虬江港等；研究范围东侧有黄浦江，南侧有淀浦河，北侧有苏州河。如图1所示。

图1 淀北片水资源常规调度引排格局示意图

1.2 现状调度

淀北片现行的引清调水常规方式为“南北引、向东排”，即苏州河南岸沿线水闸只引不排、淀浦河北岸沿线闸以引为主、黄浦江西岸沿线水闸只排不引，如图1所示。

1.3 水环境存在问题

淀北片内部各河道水质基本在Ⅴ类左右，总体水质情况较差。通过现场踏勘发现了河道存在的主要问题如下。

1.3.1部分河道流动性差、水质差、感官效果差

片区内部分河道水体流动性较差，几乎处于静止状态，部分河面聚集了大量悬浮物及藻类；部分河道两侧污水未经处理直接排入河道，生活垃圾漂浮水面，水体污染严重；部分河段水体浑浊，感官效果差；部分河道淤积严重，底泥易扰动释放。

1.3.2片区内闸泵及跨行政区众多调度不协调

片区内闸泵等水利工程众多，且跨越的行政区较多，缺乏统一协调调度的平台，调度困难。

1.3.3相较于黄浦江，苏州河现状水位较低，闸引困难

现状黄浦江水位受潮位影响，最高水位为4.0m，涨潮时，自引较为简单。而苏州河现状水位较低，最高水位为2.8m，当内河水位较高时，闸引较为困难。

1.3.4淀北片部分毛细河道、断头浜与主干河道水体交换频率低

淀北片存在许多断头浜和毛细河道，日常闸门开启较少，与主干河道水体交换频率低，导致部分河段水体发黑，水面漂浮油膜，味道刺鼻。

2 原型观测

2.1 调度方案

在2015年12月25日—2016年1月4日10天进行调水试验及原型观测，通过先引后排，观测河网水位、流量及水质改善情况，具体调度方案如下。

苏州河南岸、淀浦河北岸沿线水闸全力引水，每天两潮(主要引水水闸控制闸内的水位不超过3.50m。当开闸前闸内水位高于3.40m时，停止引水一潮)。黄浦江西岸沿线水闸晚上全力排一潮，能排则排；当白天排水水闸内河水位超过3.40m时，增加一潮排水，并控制最低内河水位不低于2.40m。

试验开始时，黄浦江西岸沿线水闸暂停排水，当闸内水位高于3.40m时开始排水。

在此期间，苏州河河口水闸内河最高控制水位为3.10～3.50m。

2.2 观测结果

通过原型观测发现淀北片存在以下问题：过境水资源有效利用程度偏低；水流往复无序流动，缺乏科学调控；进水闸门和排水闸门调度不协调，部分河道存在往复无序流动；淀北片内大中小闸泵约几十处，仅5处闸门水位数据和调度情况在水利处联网共享。其他闸门在各区内有各自系统；部分小闸泵缺乏自动水位记录仪。闸门调度精准程度尚有较大提升空间。

2.2.1大潮期间苏州河口闸开启时间过短

原观调水期间，根据所获得苏州河口闸内外水位和调度分析，大潮期间苏州河口闸开启时间较短，大约为0.5h，苏州河内水位3.5m左右(闸内最高控制水位4.2m)如图2所示，图中可见，大潮期间引水时间极短，潮差资源未充分利用，引水量不足。在后文中会模拟苏州河闸延长引水时间工况。

图2 苏州河口闸内外水位对比(大潮期间7d水位过程线)

2.2.2调水期间片区内水位低

原观调水期间，片区内水位较低，片区内水位图如图3所示，水位位于2.6～2.9m范围内，根据调水细则淀北片面控制水位2.2～3.0m，实际区内面水位可继续提高并且可以提高张落潮的幅度范围，以提高水体的流动性。片区内水位较低大致有如下两个原因：①大潮期间苏州河口引水不足，苏州河水位较低；②淀北片内部大小闸泵站众多，由于缺少准确的数学模型作为支撑，淀北片缺乏科学的调度，为确保片区内部分区域不被淹，人为缩短开闸时间。

图3 片区内部水位图(原观调水期间)

2.2.3片区内河道水流存在无序流动现象

由于进水闸门和排水闸门缺乏精准科学调度，部分河道存在无序流动，非主干河道相比于主干河道现象更为明显，如图4所示(河道流速正负值表示方向不同)。

图4 片区内部分河道流速图

3 数学模型构建与率定

3.1 模型构建

本文通过构建一维河网水动力模型，采用有限差分法求解一维河网水动力学，采用Preissman四点隐格式对圣维南方程组进行离散化求解。

本研究模拟的范围为淀北片河网，东傍黄浦江、南抵淀浦河，西与青松水利控制片交界，北至苏州河，全片总面积178km2。淀北片河道大致120条，内部河网总长度大约252.8km。模型中共创建淀北片内闸门43座、泵站59座，苏州河口闸1座，如图5所示。

图5 淀北片河网模型

根据《水力学手册》等相关参考文献对区域内河道赋予不同的糙率初始值。一级河道(黄浦江、苏州河和淀浦河)选取0.025，二级河道(新泾港、龙华港、蒲汇塘等)选取0.03，三级河道(北夏家浜等)选取0.035。

上海市淀北片模型的水位边界控制点分别是：米市渡、吴淞口、黄渡站和淀西闸，如图6所示，利用原型观测(2015年12月23—27日)的水位数据对河网模型进行率定。流量边界条件主要是苏州河上游的黄渡站的流量数据。

图6 模型边界

3.2 模型率定验证

采用实测水位数据进行模型率定验证，验证结果如图7所示，图中实测值为自动水位尺监测数据(每5min自动监测一次)。模型验证结果表明，研究区域水位计算值与实测值大小平均误差能控制在5cm内，基本能够模拟区域内水量情况，本文所建立的淀北片一维水动力模型具有较高的精度，能够较准确地模拟淀北片河网水动力特性。

图7 淀北片模型水位实测值与计算值对比

4 畅流活水方案设计与效果模拟

4.1 方案思路

由于淀北片河网在开启边界闸门时，外部潮汐对于内部河网作用遍及整个片区，致使内部水位“难控难调”。考虑确保片区防洪安全，边界闸门普遍存在开度小、开启时间短的问题，这使得淀北片河网水体流动性降低。此外，内部水位缺乏控制，潮水进入淀北片内部后，路径过长，潮动力逐步削减，潮动力未能充分发挥效益，致使黄浦江自然潮差“难利用”，动力引水不仅费用高昂，还存在噪声扰民等社会问题，不是常态化增流提质的最优选择。针对以上分析，本研究思路主要是采用人为分区调控水位，充分利用潮汐作用，长久持续改善河网水质水环境，即：分级配水，控堰错峰，上蓄下排，有序自流。

通过设置3座活动溢流堰将淀北片河网划分为两个片区——Ⅰ区和Ⅱ区，如图8所示。

图8 增流提质方案格局图

当苏州河水位低于防洪水位(4.2m)时，在大潮期间，开启苏州河河口闸让苏州河充分进水。

Ⅰ区在涨潮期间通过关闭3座活动溢流堰、开启苏州河河口闸及苏州河沿线闸泵，采用闸引加泵引方式引水进入Ⅰ区，充分利用潮位进行闸门引水，并且引水闸门较均匀分布在苏州河沿线，当闸引不能满足时采用泵引方式。Ⅰ区控制水位在2.2～3.1m，尽可能保持高水位运行单向流动。落潮阶段通过控制溢流堰的开启(主要为1、2号活动溢流堰)，将Ⅰ区水体通过溢流堰排入Ⅱ区，继而排入黄浦江。当片区水位高于3.1m或者低于2.2m时关闭闸门。

Ⅱ区在确保片区内水位在2.2～3.1m满足防洪水位的前提下，通过开启黄浦江和淀浦河沿线闸门自引自排，让片区河道中水体受潮汐作用往复流动，当片区水位高于3.1m或者低于2.2m时关闭闸门。

3号小涞港溢流堰的调度对于整个淀北片河网的影响很小，主要用于减少小涞港流失流量，日常关闭，偶尔开启进一步提升附近河网流动性。

4.2 效果模拟

推荐方案与原始方案两者典型断面的水位、流速和流量过程绘于图9中。在这些典型断面上，推荐方案中最高水位普遍较高，相对水位变化幅度增加，从而导致断面流速和流量增加。如北横泾- 085断面，推荐方案中的最高水位可达3.1m，远高于原始方案中2.8m。0.3m的水位差导致断面流速增加0.2m/s以上，流量增加10m3/s以上。

图9 典型断面水位—流量—流速对比图

续图9 典型断面水位—流量—流速对比图

通过对比推荐方案与原始方案的模拟计算结果可以发现，新增活动溢流堰调控并优化闸门调度，Ⅰ区流速提升2～3倍，Ⅱ区流速提升4～5倍。多处断面能达到0.2～0.4m/s流速，水动力显著提升。

图10展示推荐方案流速流量的最大值。图中可见，几处主要引排水通道的流量情况：新泾港北新泾泵闸最大引水流量约30 m3/s、南新泾泵闸引水或排水最大流量30 m3/s，北横泾蟠龙港泵闸引水最大流量28 m3/s、中横沥泵闸引水或排水最大流量28 m3/s，龙华港泵闸引水或排水最大流量42 m3/s，张家塘港引水或排水最大流量15 m3/s。约90%以上河道水体流动性达到优良(>5cm/s)。

图10 推荐方案最大流速、流量图

5 结语

上海市淀北片是典型的平原城市感潮河网，由于受区域自然地形地貌以及水利工程的影响，局部区域水体存在流动性差、无序流动、水环境压力大等问题。本文基于分级配水，控堰错峰，上蓄下排，有序自流的总体思路，充分运用潮动力引水，实现水环境改善和节能环保的双重效果，并利用水动力数学模型对比分析了不同方案的河网流速变化情况，最终提出淀北片畅流活水工程推荐方案，对比推荐方案与原始方案相比，区域河道整体水动力显著提升，可为其他平原河网城市尤其是感潮河网地区的活水畅流方案的制定，提供经验和依据。