上海蕰南水利控制片河网水动力再造

闫 毓，袁赛瑜，唐洪武，吕升奇 ，雷 燕 ，李 瑜

(1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 2.河海大学期刊部，江苏 南京 210098； 3.上海市水利管理处，上海 200002)

平原区地势低洼，河道常呈网状结构，水体流动性差、流向往复不定，河道水环境容易恶化，制约了区域社会经济的可持续发展。研究[1]表明，河道水体低溶解氧环境直接影响微生物对有机污染物的降解速率，当溶解氧质量浓度低于2 mg/L时，还可能会产生甲烷、硫化氢等有毒物质及刺激性气体，引发水体黑臭问题；当溶解氧质量浓度大于7.5 mg/L时，可认为水质良好。水体流动性是溶解氧浓度的重要决定因素，提升河网水动力能够促进复氧过程[2]，从而增强水体自净能力[3]。水体流动性的增加可以在一定程度上提高含碳、氮、磷污染物的净化能力，特别是对CODcr的去除作用明显[4]。因此，在保证防汛、用水、生态、景观、通航等前提下，通过水闸、泵站等水利工程群进行水资源合理调度，可以改善河网的水动力条件，达到提升水环境质量的目的[5-8]。

上海市蕰南水利控制片(以下简称“蕰南片”)包括杨浦、虹口、普陀等中心城区，河网已建成由水闸、泵站包围的水资源配置工程体系[9]。苏州河河口水闸建成后，潮汐对水闸上游水流的影响大大减弱，现状调度方式对水流动力提升作用有限，亟须优化调控方案，再造河网水动力场。水动力模型是研究河网水动力过程及相关规划决策的重要工具[10]。李慧玲等[11]以上海青浦区为例，通过数学模型研究了现状闸坝调度下闸宽对河网进水量及氨氮、总磷等物质的影响，提出了一系列优化改进建议；刘贵平等[12]通过世博会周围河网模型计算分析，提出了应急水环境调控预案；李晓等[13]利用水动力模型研究西塘河引水量的重新分配，提出了适应枯水期的水资源调度方案。前人对河网数学模型的研究已成熟完善，闸泵调度对水动力及水环境的改善作用也已得到揭示与验证。而对于优化调度方案的提出，现有研究较少从水动力再造的角度出发，也很少考虑多因素、多调控方式对河网的影响。因此，本文建立了上海蕰南片的一维河网模型，探寻复杂水动力条件下河网水环境恶化的成因，针对区域特点提出多种闸泵联合调度方案，并对调度方案的活水效果进行了比选，以期为平原河网水动力再造和水环境提升提供参考。

1 研究区域概况

蕰南片河网由蕰藻浜、苏州河、桃浦河、黄浦江包围(图1)，全片总面积173.3 km2，片内河道总长159.51 km，河道总面积3.69 km2，河网密度0.92 km/km2。该区域水系较复杂，基本划分为杨树浦港水系(由虬江、东走马塘和杨树浦港组成)、虹口港水系(由南泗塘、西泗塘、沙泾港、俞泾浦、虹口港组成)、彭越浦-木渎港水系(由东茭泾、彭越浦、桃浦河、木渎港组成)和新江湾城水系。河网内参与调度的主要闸泵工程共12座，苏州河沿线水闸只引不排、蕰藻浜沿线水闸只排不引。河网水动力不足、水流往复现象突出，亟须通过合理的闸泵联合调控盘活片内水体，从而改善水环境状况。

2 水动力模型

2.1 模型建立

MIKE11具有稳定、快速、可靠的运行特点，它通过Abbott六点隐式格式求解河流一维非恒定控制方程组[14]。模型中对可控建筑物调度方式的设置十分方便灵活，在长江、淮河、太湖流域已有诸多应用研究成果[15-17]。综合考虑模型适用性、现有资料情况，本文采用MIKE11水动力(HD)模块为研究工具，建立蕰南片河网水动力模型。

由于蕰南片河道密布、河网复杂，因此有必要对其进行一定的概化。河网概化以反映天然河网的水力特性为原则，保证输水和调蓄能力的相近或一致性[18]。将收集到的地形资料进行概化处理，设置河道、交汇点、断面、闸泵工程等模型要素。概化处理后，蕰南片河网模型河道共24条(图2),全长327.3 km，包含外围河道(蕰藻浜、黄浦江、吴淞江、淀浦河)221.9 km；闸泵共14座。模型边界控制点分别是米市渡、吴淞口、黄渡站和淀西闸。

2.2 模型率定及验证

水动力模型需要率定的参数主要是河床糙率，采用2017年1月1日至4月30日的实测数据对模型参数进行率定，时间步长设为0.5 min。经现场考察和反复检验，分段给定河床糙率如下：黄浦江0.018～0.025，蕰藻浜、吴淞江0.022～0.036，河网内其他骨干河道0.020～0.030。采用2018年1月1日至4月30日的实测数据对率定好的模型进一步验证，水位模拟值误差小于0.1 m的合格率达到84.8%～88.1%，确定性系数达到0.87～0.94，精度满足模拟要求(图3、图4)。

图3 模型水位率定结果Fig.3 Calibration results of model water level

图4 模型水位验证结果Fig.4 Verification results of model water level

3 水动力再造调度方案

3.1 日常引排水优化调度

蕰南片内水资源调度以南引北排为主，各泵闸均有明确的调度实施细则(表1)。杨树浦泵闸、虹口港泵闸、彭越浦泵闸、木渎港泵闸作为重要的引水口门，从苏州河、黄浦江引水；桃浦河泵闸、东茭泾泵闸、西弥浦泵闸、郝桥港泵闸、西泗塘泵闸作为重要排水口门，向蕰藻浜排水。图5给出了蕰南片河网现状调度下2017年1—4月平均流速分布，可见桃浦河、彭越浦、虹口港水系主干河道流向为由南向北，杨树浦水系为南引东排，新江湾城水系的引排均通过新江湾城泵闸，而走马塘河道流向不定，存在往复流。

表1 现状调度规则

图5 现状河网平均流速和优化调度流速提升量分布(单位：m/s)Fig.5 Distributions of average flow velocity of current river network and flow velocity increase after optimization scheduling(unit:m/s)

为提升片内水体流动性、再造河网水动力场，可以从以下几方面考虑：在保证防汛安全的前提下，抬高引排水口门的控制水位指标，可以增加河网水环境容量，同时减少对底泥的扰动，降低二次污染。虹口港、杨树浦口门以开闸自引为主，提高闸门开启高度可以增加引水量，提升南泗塘、西泗塘、杨树浦水系的调水效果。苏州河水位偏低导致木渎港-彭越浦水系无法实现闸引(图6)，可以适当增强泵引力度，同时调控苏州河河口水闸，抬高苏州河水位以利于沿线口门引水。基于以上现状分析，给出日常优化调度方案见表2。

图6 代表时段内河水位与外河水位对比Fig.6 Water level comparison between inland river and outer river in representative period

表2 日常优化调度方案

3.2 局部区域优化调度

依据模型模拟结果分析感潮河网的水动力过程发现：蕰南片内走马塘为东西走向河道，在南引北排的调度方式下往复流现象突出，水体反复震荡，无法及时排出，容易造成水质恶化现象。图7给出了2017年4月1日24 h内走马塘河道流向及共和新路桥断面的时均流速。可以看出，受半日潮及引排调度影响，走马塘河道水流也以一定的频率来回震荡。为了促进该局部区域水体的定向流动，提出走马塘优化调度方案，见表3。

表3 走马塘水流优化调度方案

图7 走马塘流向及代表断面时均流速示意图Fig.7 Schematic maps of flow direction and hourly average velocity of representative sections in Zoumatang River

4 结 果 分 析

4.1 日常优化调度

a.方案1对片内引排口门的控制水位进行了调控。考虑防洪控制需要，并结合现场调研与以往调水试验情况，将引水口门最高控制水位提升0.1 m，排水口门最低控制水位提升0.5 m，同时将苏州河河口闸的引水控制水位提升至4.2 m。该措施使得整体河网64.2%的代表断面流速得到提升，平均流速增加0.5 cm/s。

b.方案2对两大引水口门-虹口港水闸、杨树浦水闸的闸门开启高度进行了优化。为增加引水量，同时考虑节水因素，在现状开启方式的基础上提高0.2 m，当外河水位低于闸内最高控制水位时保持全开。方案使得整体河网36%的代表断面流速得到了提升，平均流速增加0.1 cm/s。

c.方案3综合考虑调水效果与动力消耗情况，将木渎港每日引水时长增加4 h、彭越浦每日引水时长增加5 h。方案使得整体河网32%的代表断面流速得到提升，平均流速增加0.1 cm/s。

d.方案4结合了调度方案1和方案2，同时对蕰南片各引排水闸的控制水位、开启高度进行优化。相对于加强泵站引水的方式，该方案的调水成本较低，使得整体河网71.4%的代表断面流速得到提升，平均流速增加1.9 cm/s。

e.方案5结合方案1～3进行河网闸泵联合调控，对引排口门的各项调度参数同时进行优化。模拟结果表明，该调度方案下河网水动力的提升效果最好，整体河网流速提升的断面占比78.6%，平均流速提升3.1 cm/s，增幅为16.7%。蕰南片西部、北部水动力提升明显(图5)。片内走马塘依旧存在往复流(图8)，水质容易恶化，有待进一步优化。

图8 代表时段方案0和方案5下走马塘 代表断面流速变化Fig.8 Flow velocity variations of typical sections of Zoumatang under scheduling 0 and scheduling 5 in representative period

调度方案针对区域现状特点选择了控制水位、闸门开度及泵引时长3项优化调控措施，具有较强的可操作性，能够适用于日常的水资源调度工作。可以看出，方案1有效地改善了片内控制水位偏低的现状，河网水动力条件得到初步改善。而方案2、方案3仅针对两个引水口门的闸泵进行调控，对河网整体的流速提升效果不明显。方案5在方案4的基础上增加了对引水泵站的调控，断面平均流速提升由1.9 cm/s增加为3.1 cm/s，优化效果进一步增强。河网闸泵的联合调控使得水利工程设施在水资源调度中发挥了最大效益，综合考虑了蕰南片河网的水系格局、水源要求、防洪控制等因素，与单一的调控方式相比，水动力的提升效果得到了质的提升。

4.2 走马塘优化调度

针对走马塘往复流进行优化调度，选取2017年4月1—3日为计算时段分析调度效果。方案6以桃浦河、西弥浦泵闸为片内排水口门，促进走马塘水体由东向西定向流动。经过模型试算，当桃浦河、西弥浦泵闸分别以15 m3/s和5 m3/s开启泵排时，走马塘的往复流现象改善效果较好，代表断面共和新路桥平均流速为0.097 m/s，定向流动累计时长由45 h增加到66 h，增加46%；方案7以郝桥港、西泗塘泵闸为片内排水口门，促进走马塘水体由西向东定向流动。经过模型试算，当郝桥港泵闸、西泗塘泵闸分别以12 m3/s和5 m3/s开启泵排时，走马塘的往复流现象可以得到更加明显的改善，代表断面平均流速可达0.215 m/s，提升了8.1 cm/s，增幅为60.4%，定向流动累计时长由45 h增加到72 h，增加60%。

为引导走马塘河道水体定向流动，优化方案设置中减少了片内部分排水口门，对河道流速的影响存在不确定性。其中，方案6虽然增加了水流定向流动的时长，但没有提高代表断面的平均流速。对比两种优化调度方案的水动力改善效果，并综合考虑开泵排水动力消耗情况，推荐方案7为走马塘往复流优化调度方案。该方案对河网的整体引排方向进行了调控，操作方式较为复杂，仅适用于短时间内改善局部河道水质的应急调度方案。建议配合日常引调水，以一定频率定期开展，可促进走马塘河道定向流动，加快水体交换速率、提高水体自净能力。

5 结 语

本文综合考虑蕰南片水系格局及其自然地理优势，针对现状调度下河网水动力不足的问题，提出了多种基于水动力再造的闸泵联合调度方案，并通过模型计算对不同方案的水动力提升效果进行了分析。结果表明，通过调控引排口门处闸泵的控制水位、开启高度、泵引力度等调度参数，可有效提升河网水动力，提高水体自净能力。闸泵联控优化方案使得整体河网流速提升的代表断面占比78.6%，平均流速提升3.1 m/s，增幅16.7%，较单一调控下的活水效果显著提升，更大地发挥了区域水利工程群调水的综合效益。针对东西方向走马塘的往复流问题，提出相应的优化调度方案。通过调控区域整体引排方式促进水体定向有序流动，优化调度方案使得水体定向流动累计时长增加60%，河道代表断面平均流速提升8.10 m/s，增幅60.4%，为解决局部区域水质恶化的问题提供了新思路。以上研究成果可为平原河网区水动力再造、水环境提升提供技术支撑，同时为复杂工程运行管理方案的制定提供科学依据。