长江支流泵站排涝对下游水厂影响物理模型研究

王永平，禹化强，于 剑，谢 瑞

（1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

0 引 言

长江经济带覆盖11 个省市，横跨中国东中西三大区域，是中央重点实施的“三大战略”之一，也是具有全球影响力的内河经济带［1］。国务院关于长江流域生态环境保护工作情况的报告显示，2020 年，长江流域水质优良断面比例为96.7%，干流首次全线达到Ⅱ类水质［2］。因此，长江成为沿岸城市的重要饮用水源地。同时，长江也是沿线支流和内河的重要汇流或行洪通道。以江苏为例，主要入江河道水质标准为地表Ⅲ类。但是，根据“水十条”要求［3］，地级及以上城市建成区于2020 年底前完成黑臭水体治理目标，按此标准，部分内河仅能达到地表Ⅴ类。因此，通过排涝站向长江排涝时水质标准明显劣于长江，形成排污效应。根据《江苏省人民代表大会常务委员会关于加强饮用水源地保护的决定》，长江干流取水口二级保护区以外上溯二千米、下延一千米范围内的水域和陆域为准保护区，在准保护区内禁止新建、扩建对水体污染严重的其他建设项目。因此，基于民生的支流泵站排涝和自来水厂取水容易形成矛盾，取水口准保护区范围内能否建设排涝站、相互之间需要间隔多远等实际问题则需要进行科学的论证。

物理模型已是当前水利水运工程论证时常用的技术手段，通过对水动力和泥沙的模拟在众多水利水运及航道等工程领域中发挥了巨大的支撑作用［4-6］。1964 年，随着冷却池水流运动模型相似理论及模拟试验方法的提出［7］，物理模型逐渐在水环境领域得到应用。不少学者利用物理模型模拟温排水的扩散效应［8-11］，为较大的水面冷却水工程提供了有力的技术支撑。但是，利用物理模型模拟水环境中污水扩散或排污效应的研究较少，污水模拟的技术手段也在不断探索和完善［12，13］。

研究采用物理模型模拟了长江下游某泵站排涝对下游自来水厂取水口的影响，为排涝泵站的修建决策提供理论支撑，同时也是物理模型模拟感潮河段的污染物扩散效应的一次尝试。

1 材料与方法

1.1 物理模型设计与制作

研究地泰州处于长江下游，属半日潮型感潮河段，一天内有两次涨落潮，泰州三水厂取水口距龙窝泵站沿长江岸线约1.6 km。为使物理模型与原型达到水流运动相似，需满足重力相似、阻力相似等准则，根据以往研究经验，采用的各项比尺见表1。

模型地形采用实测地形（1∶10 000）制作，局部地形根据1∶2 000 的地形图和无人机拍照图片精确模拟。模型高程误差控制在±1 mm 以内，平面误差控制在1 cm 以内，模型断面采用白铁皮制作，模型床面以水泥沙浆抹面。河道主槽采用d=1.5 cm，间距为L=10 cm 小卵石梅花形加糙。两岸及江中高滩生长有芦苇、杂草等，采用8 瓣、高3.5 cm 的塑料草以间距8 cm 的方型进行加糙。

表1 模型采用的比尺Tab.1 The relevant scale of physical model

根据《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》（JTJ233-98）的要求，结合该河段感潮河段潮流界的变动区水流运动特点，采用恒定流与潮汐水流试验相结合的试验方法，造床流量按潮汐水流方式进行试验，洪水流量下河道行洪时按恒定流方式进行试验。模型试验操作中模拟造床流量运动时，下边界控制条件为河道实测潮位过程（或水位），上边界控制条件根据以往研究为大通流量，以扭曲水道方式模拟天然河道纳潮量，洪水试验主要施放大通洪水流量。

1.2 定性模拟方案

调配0.02%高锰酸钾溶液模拟泵站排涝水流，模拟一日内长江大通流量分别为30 400和45 000 m3∕s、泵站排涝35 m3∕s、自来水厂取水口为40 万t∕d，观察高锰酸钾溶液沿程的路径和扩散情况。由于泵站与取水口流量相对长江流量较小，试验采用蠕动泵进行精确模拟控制。

1.3 半定量模拟方案

1.3.1 模拟工况

进行3 个组次的模型试验，设置长江大通流量为30 400、45 000 和62 000 m3∕s，泵站排涝流量分别为7、14 和21 m3∕s，模拟时间约1 d。

1.3.2 模拟方法

调配0.1 % NaCl溶液（电导率约为1 200 us∕cm）模拟泵站排涝水流，测定泵站排涝时沿程水位、断面流速分布、各测点电导率变化。

电导率测点的布置遵循两个原则：一是重点关注自来水取水口；二是根据定性模拟结果，沿排涝水体流迹线布置。在泵站出水口上游布设1 号点；从泵站出水口向下游沿程间隔约300 m（模型距离46 cm）两两布设2～9 号点；取水口外围总共布设7 个测点，分别是取水口保护围隔处设16 号点，向上100 m（模型距离15 cm）处由内而外设13～15 号3 个测点，再向上150 m（模型距离23 cm）处由内而外设10～12号3个测点。其中，1～7号点选用0～20 000 μS∕cm 量程的电导率仪，8～16 号选用0～2 000 μS∕cm 量程的电导率仪，电导率测定频率为5 s∕次。测点布置见图1。

图1 测点位置示意图Fig.1 Location of measuring point

1.3.3 计算方法

物理模型用水本身含有电解质，实际测得的溶液电导率，是由于NaCl 溶液的注入而增加的电导率和模型用水电导率的总和。因此，要反应取水口实际受污染状况，需要排除本底水体中电导率的干扰，采用稀释率计算法，求出污染物在水体中的稀释倍数和稀释率，相关计算公式如下：

式中：K示踪为模拟排涝水流注入模型的0.1 %NaCl 溶液的电导率；K实测为试验中实测得到的水样的电导率；K本底为模型中水流的电导率本底值。

2 结果与分析

所有试验在模型经长江洪、中、枯3种规模流量的水位和流速验证后进行。以长江流量30 400 m3∕s 时试验区范围实测和模型潮位、流速对比为例（图2），不同水文条件下模型各测站潮位过程、各测量断面垂线潮流流速过程与原型具有较好的相似性，低潮位偏差均控制±10 cm（模型±0.6 mm）以内，流速值误差均控制在±10 %以内，模型较好地复演了天然实测水流运动状况。

图2 长江流量30 400 m3/s时实测和模型潮位、流速过程线图Fig.2 Measured and model tide level and velocity when Yangtze River flow is 30 400 m3/s

2.1 定性模拟结果

在长江大通站流量为30 400 m3∕s 时，排涝水流扩散趋势如图3 所示。可见扩散水流从泵站出来经天然口门位置排出，以斜45°向下游运动，随后向下游渐渐扩散。

在长江大通站流量为45 000 m3∕s 时，排涝水流扩散趋势如图4 所示。可见扩散水流从泵站出来经天然口门位置排出，受大流量水流顶冲影响，沿近岸方向运动，然后随涨落潮逐渐贴岸向下游扩散。

定性模拟的两个长江流量是在预试验和数学模型运算的基础上选择的，结果显示，较小长江流量状况下，排涝水流先斜向主槽运动后在感潮河段水流影响下边往复震荡边向下游运动；较大长江流量时，排涝水流先受水流顶托沿岸向下游运动，随后受感潮河段涨落潮影响，边往复震荡边向下游运动。另外，模拟的红色排涝水流在向取水口运动过程中逐渐变淡，可以定性判断污染水体在流动的过程中逐渐稀释扩散。

图3 长江流量30 400 m3/s时排涝水流扩散图Fig.3 Diffusion diagram of drainage flow when Yangtze River flow is 30 400 m3/s

图4 长江流量45 000 m3/s时排涝水流扩散图Fig.4 Diffusion diagram of drainage flow when Yangtze River flow is 45 000 m3/s

2.2 半定量模拟结果

2.2.1 长江流量30 400 m3/s

以中位数排涝站流量14 m3∕s 时16 个点位一日内电导率结果为例，如图5 所示，泵站外侧地形口门处受排涝水流直接影响，2 号站稀释率最大可达96.76%。随后水流斜向下游运动，5号点最大稀释率达88.92 %。然后，各点位的稀释率迅速降低，在距取水口150 m处的13号、14号和15号点位的最大稀释率分别降为0.55%、0.15%和0.12%。代表取水口的16 号点位最大稀释率为0.62%，由于16 号点位电导率实测值为400 μS∕cm 左右，电导率精度1 %，示踪NaCl溶液电导率为1 200 μS∕cm，计算可知电导率仪的稀释率误差为±0.33 %，可见此工况条件下排涝水流对取水口略有影响。

泵站排涝流量7 m3∕s 时，取水口16 号点位一日内电导率稀释率在-0.11%和0.21%之间波动，小于电导率仪的稀释率误差，因此可认为该工况时排涝水流对取水口水质无影响。泵站排涝流量21 m3∕s 时，取水口16 号点位电导率稀释率最高值达到了2.13%，可见在该工况条件下，排涝水流对取水口水质存在一定影响。

2.2.2 长江流量45 000 m3/s

泵站排涝流量7 m3∕s 时，取水口16 号点位一日内电导率稀释率在-0.20%和0.22%之间波动，小于电导率仪的稀释率误差，因此可以认为在该工况条件下，排涝水流对取水口水质无影响。泵站排涝流量14 m3∕s 时，16 号点位最大稀释率为1.31%，可见此工况条件下排涝水流对取水口略有影响。泵站排涝流量21 m3∕s的条件下，16号点位电导率稀释率最高值达到了2.46%，可见在该工况条件下，排涝水流对取水口水质存在一定影响。

图6 长江流量30 400 m3/s和泵站排涝流量7、21 m3/s时取水口稀释率结果Fig.6 Results of dilution ratio at the water intake when Yangtze River flow is 30 400 m3/s and the drainage flow of the pump station is 7 and 21 m3/s

图7 长江流量45 000 m3/s和泵站排涝流量7、14和21 m3/s时取水口稀释率结果Fig.7 Results of dilution ratio at the water intake when Yangtze River flow is 45 000 m3/s and the drainage flow of the pump station is 7， 14 and 21 m3/s

2.2.3 长江流量62 000 m3/s

泵站排涝流量7 m3∕s 的条件下，16 号点位一日内电导率稀释率在-0.20%和0.23%之间波动，可以认为在该工况条件下排涝水流对取水口水质无影响。泵站排涝流量14 m3∕s的条件下，16 号点位电导率稀释率最高值达到了0.92%，可见在该工况条件下，排涝水流对取水口水质略有影响。泵站排涝流量21 m3∕s的条件下，16号点位电导率稀释率最高值达到了1.58%，可见在该工况条件下，排涝水流对取水口水质存在一定影响。

图8 长江流量62 000 m3/s和泵站排涝流量7、14和21 m3/s时取水口稀释率结果Fig.8 Results of dilution ratio at the water intake when Yangtze River flow is 62 000 m3/s and the drainage flow of the pump station is 7， 14 and 21 m3/s

3 结果与讨论

利用高锰酸钾示踪，定性模拟可观察不同长江流量时排涝水流的流迹线，随着长江流量增大，泵站排出的水流流向有规律的由往深槽向近岸方向偏转，较大长江流量时，受水流顶托，排涝水流沿岸运动。

利用电导率进行的半定量模拟试验中排涝流量相较于长江流量很小，所以三级长江流量条件下排涝对河段行洪、水情变化以及流速基本无影响。结果显示，由于NaCl溶液在水流中扩散稀释较快，泵站排涝流量为7 m3∕s时，排涝水流对取水口水质无影响。泵站排涝流量为14 m3∕s时，排涝水流对取水口水质略有影响（由大到小三级长江流量下取水口电导率最大稀释率分别为0.92 %、1.31%和0.94%）。泵站排涝流量为21 m3∕s 时，排涝水流对取水口水质存在一定影响（由大到小三级长江流量下取水口电导率最大稀释率分别为1.58%、2.46%和2.12%）。从模拟试验结果可知，仅泵站排涝流量为7 m3∕s时，取水口水质安全。随着排涝流量增大，内河排涝泵站排涝对取水口的影响也随之增大。另外，与定性模拟试验相对应的是，排涝水流对取水口影响最大的情况没有发生在长江最大或最小流量时，而是在长江水冲刷稀释和水迹线方向之间达到平衡时影响最大。

大部分点位的电导率结果可以观察到感潮河段两涨两落的特征，且呈现出后一个峰值高于前一个峰值的特征，表明受感潮河段的影响，排涝水流在往复运动时存在叠加效应，导致对下游的影响增大。因此，在实际工程决策中，需综合考虑感潮河段涨落潮规律可能带来的影响。

研究结果表明，物理模型在为水利、水运工程提供水文、泥沙精确模拟的同时，在水环境领域也可提供技术支撑。在保证物理模型相似性的前提下，通过合适的模拟污水的手段，可以较好的推演污水扩散的状况，从而推动物理模型在水环境治理工程中的应用。