青草沙水库尾水改善长兴岛水系水动力分析

陆姗姗

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

青草沙水库是目前上海境内供水规模最大、工程投资最大、受益人口最多的饮用水水源地水库[1]；水库位于长江口南支下段南北港分流口水域，由长兴岛西侧和北侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域组成。青草沙水库为避咸蓄淡水库，水库在非咸潮期(5—9月)通过上、下游水闸联合调度，使水库水体与长江水流之间得以经常交换，为保证青草沙水库合理的换水周期，缩短水力停留时间，每年都有大量的水库换排水从水库下游水闸排入长江。为了改善青草沙水库南侧局部高滩周边低流速区的水动力条件，降低夏季在低流速区藻类聚集的风险，提高水库供水保障能力，考虑在青草沙水库南侧低流速区新建一座排水涵闸，将非咸潮期水库下游排入长江的水(简称“尾水”)引入长兴岛河网，用于改善长兴岛河网的水动力条件。针对青草沙水库工程引起了广泛的研究，李茂学[2]、王志林[3]等对青草沙泵闸选址与平面布置进行了研究，朱宜平[4]对青草沙水库近十年来取水口水质变化进行了研究，陈义中[5]对青草沙水库的富营养化模式进行了研究。本文主要对青草沙水库尾水进入长兴岛河网后的水动力改善效果展开探索。

1 区域概况与现状调度

1.1 研究区域概况

长兴岛隶属上海市崇明区，地处长江口，是长江冲积泥沙受海水顶托作用沉积而成的江口沙洲[6]。长兴岛三面环江，东临横沙岛，北望崇明岛，南与浦东外高桥仅相距7.5km，西北侧为青草沙水库。全岛由东南向西北呈带状形态，东西长约31km，南北宽仅2～4km，岛内地势低平[7]，平均地面高程2.85m(吴淞基面高程，下同)。崇明区致力于打造世界级生态岛，长兴岛作为崇明区三岛之一，着力打造“品质长兴、绿色长兴”，全面打造美丽生态新高地、绿色发展新示范。

1.2 现状调度

长兴岛闸外潮位受长江口和杭州湾潮汐影响显著，属非正规浅海半日潮[8]，每天两涨两落，日潮不等现象较为显著。根据《上海市防洪除涝规划(2020—2035年)》，崇明岛、长兴岛、横沙岛各为上海市水利分片治理中的独立片，其防洪(潮)、除涝、活水调度格局自成体系。长兴岛沿江均有水闸控制，内河水位基本处于人为控制状态。长兴岛控制运行调度分为防汛调度、活水畅流调度。其中活水畅流调度指仔保障防汛安全，满足生产、生活、生态、景观等用水水位需要的基础上，为促进水体有序流动实施的水闸控制运行的调度。活水畅流调度常规方式为“引排有序，合理控制”，汛期控制水位2.00～2.30m，非汛期2.10～2.40m，排水闸隔天至少排水一潮，闸内最低控制水位汛期1.50m，非汛期1.70m。引水闸隔天至少引水一潮，闸内最高控制水位，汛期2.40m，非汛期2.50m。

2 一维水动力模型构建及率定

2.1 一维水动力模型构建

研究区域为长兴岛陆域面积，约88.54km2，采用MIKE11模型对长兴岛河网进行一维水动力模拟。搭建长兴岛骨干及重要河道86条，其余支河以槽蓄点概化，可基本概括研究区域内的水流流态。概化现状结构物8座，包括南环河闸泵、创建水闸、潘石水闸、凤凰水闸、新开港水闸、跃进水闸、元沙水闸、圆沙泵闸。调度原则采用长兴岛片活水畅流调度常规方式模拟。现状河网结构物概化情况如图1所示。

图1 长兴岛一维河网、结构物位置示意图

2.2 模型参数率定及验证

长兴岛内调水方式分活水畅流调度、防汛调度。考虑到防汛期间以度汛为主，期间不再引水，因此选取活水畅流调度时间段进行模型率定。收集到的资料中2019/7/4～2019/7/10、2019/7/14～2019/7/24、2019/8/13～2019/8/16、2019/8/21～2019/8/23、2019/9/14～2019/9/20期间基本无降雨，调度方式采用活水畅流调度。

糙率是表征河道底部、岸坡和洪泛区地表影响水流阻力的综合系数，是水力计算的重要灵敏参数，也是水动力数学模型中最重要的参数，经过模型率定，长兴岛河道糙率取0.025～0.03。长兴岛片面平均水位控制代表站是长兴岛十年圩站，对长兴岛十年圩站进行率定，率定结果如图2所示。

图2 长兴岛十年圩站水位率定结果

从模拟结果与实测水位对比，两者总体上吻合良好，长兴岛一维水动力模型的参数取值基本合理，水动力模型的计算结果基本反应了长兴岛片闸门启闭与岛内的水位变化之间的响应关系，可用于青草沙水库调水工况的模拟。

3 方案设置及效果分析

3.1 方案设置

实施青草沙水库南侧新增换排水口工程，首要考虑水库安全调度运行保障水源地供水安全，即拟建工程的换排水量不能影响到水库的正常供水的水量；其次要考虑近库周边的河道和水网的受纳与承受能力，拟建工程的换排水量不能影响到长兴岛的防洪除涝安全，不应对受纳河道及邻近水网形成较大冲击[9-10]，甚至严重到对河底、河岸造成冲刷出现堤岸坍塌的水利安全事故。

本文根据青草沙水库库尾南沿低流速区水动力改善需要，结合实际情况分别选取3个进水口进行方案模拟，位置一是北环河与潘石港交界处，位置二是北环河与马家港交界处，位置三是北环河与双孔水闸河交界处，具体位置如图3所示。

图3 青草沙尾水进入长兴岛河网位置图

一维河网模型边界条件为青草沙水库尾水入长兴岛河网流量、沿江闸门外潮位，考虑到长兴岛北环河河道宽度在15m左右，为避免引起河道冲刷，尾水进入河道流量选取10m3/s，20m3/s，30m3/s进行分析，模拟时间为3个月，覆盖潮位的大潮期和小潮期，潮位在0.5m～4.5m之间，闸外潮位如图4所示。

图4 长江北支闸外潮位

方案调度分为两部分：长兴岛片活水畅流调度和青草沙水库尾水入长兴岛河网调度。长兴岛片活水畅流调度如“1.2现行调度”；青草沙水库尾水调度结合岛内活水畅流调度，闸外潮位低潮排水时，青草沙水库尾水进入河网，岛内初始水位取2.1m。共设置10组方案，10组方案区别在于青草沙换排水口位置与换排水口进入青草沙河网流量不同。方案0是对比方案，不引青草沙水库尾水；方案1～3是换排水引水口门设在北环河与潘石港交界处(位置一)，换排水口进入青草沙流量分别是10m3/s、20m3/s、30m3/s；方案4～6是换排水引水口门设在北环河与马家港交界处(位置二)，换排水口进入青草沙流量分别是10m3/s、20m3/s、30m3/s；方案7～9是换排水引水口门设在北环河与双孔水闸河交界处(位置三)，换排水口进入青草沙流量分别是10m3/s、20m3/s、30m3/s，方案设置见表1。

表2 各工况下青草沙尾水进入河网时河网内不同流速长度比例分析表

3.2 结果分析

3.2.1 水动力结果分析

对上述方案进行水动力、水质模型进行计算，得到各工况下尾水进入长兴岛河网内流速分布，对流速分布进行分析可得，青草沙尾水在位置一处进入长兴岛河网，不引尾水、引尾水10m3/s、引尾水20m3/s、引尾水30m3/s，低流速(流速在0～0.03m/s)河长占比分别为72.1%、64.4%、55.4%、42.5%。流速在0～0.03m/s为较低流速，比例越大代表流动性越差。对比方案0，引尾水10m3/s、20m3/s、30m3/s时，低流速河道长度分别降低7.7%、16.7%、29.6%。

青草沙尾水在位置二处进入长兴岛河网时，不引尾水、引尾水10m3/s、引尾水20m3/s、引尾水30m3/s，低流速(流速在0～0.03m/s)河长占比分别为72.1%、66.5%、52.3%、43.9%。对比方案0，引尾水10m3/s、20m3/s、30m3/s时，低流速河道长度分别降低5.6%、19.8%、28.2%。

青草沙尾水在位置三处进入长兴岛河网时，不引尾水、引尾水10m3/s、引尾水20m3/s、引尾水30m3/s，低流速(流速在0～0.03m/s)河长占比分别为72.1%、52.8%、48.3%、47.4%。对比方案0，引尾水10m3/s、20m3/s、30m3/s时，低流速河道长度分别降低19.3%、23.8%、24.7%。

各工况下青草沙水库尾水进入长兴岛河网时，河网内流速分布及各方案对比方案0流速分布变化见表，不同位置不同尾水量对河网低流速河道长度改善比例分析如图5所示。

图5 不同位置不同尾水量对河网低流速河道长度改善比例分析图

通过数据分析可以得到：①引入青草沙水库尾水0～30m3/s时，河道内流速基本在0～0.5m/s内，满足轻壤土条件下渠道不冲流速要求。②引入青草沙水库尾水对改善长兴岛河网内流动性有较好作用；③引入尾水流量越大，尾水进入河网时，河网内流动性越好；④方案1～9对比不引尾水方案(方案0)，引水10m3/s、20m3/s时，位置三处引入尾水对河网水动力改善优于位置一和位置二，引水30m3/s时，位置一和位置二处引入尾水对河网水动力改善优于位置三，位置一最优。

3.2.2 水质结果分析

根据“3.1青草沙尾水入长兴岛河网方案拟定”对水质模型进行计算分析，得到各工况下尾水进入长兴岛河网模拟3个月后河网内不同CODmn、NH3-N、TP浓度的水质分布比例，见表3。

表3 各工况下青草沙尾水进入河网后模拟结束河网内不同水质分布比例

表4 引水位置三处不同引水量水质达标率及变率

《崇明区水务“十四五”规划》指出，“十四五”期间水环境质量不断改善，要求通过河道生态治理、打通断头河、河道轮疏等手段，崇明区基本消除劣Ⅴ类水体，全区93.8%镇管以上河道的水质达到IV类及以上。以长兴岛河道Ⅳ类水为水质目标，引水10m3/s、20m3/s、30m3/s时，位置三处引尾水，CODmn、NH3-N、TP的Ⅳ类水水质达标率均高于位置一、位置二，因此，引水10m3/s～30m3/s时，位置三处引水水质改善较佳。

对引水位置三引水0m3/s、10m3/s、20m3/s、30m3/s的CODmn、NH3-N、TP的水质达标率及改善率进行分析，见表3.2—3。

根据模拟结果，长兴岛河道河网水质因子CODmn表现良好，引10～30m3/s情况下水质均可达到Ⅳ类水标准。水质因子NH3-N、TP在不同引水流量下均有所改善，引水30m3/s改善程度最大，可达92.9%。因此，位置三处引30m3/s尾水对长兴岛水质改善效果最佳。

4 结论与建议

(1)青草沙水库尾水对长兴岛内部河网水体流动性具有一定的改善效果；补水流量越大，改善效果越显著，排水口门位置在不同引水流量下效果不同。

(2)水库在非咸潮期(5—9月)会有尾水排出，此时正值夏季雨量充沛时期，水力调度服从防汛调度，青草沙尾水调度纳入活水畅流调度中，进行专项研究。

(3)崇明长兴岛地势较为平坦，河网的流动性主要依靠潮差引水排水，水体的流向可控，为提高水源的利用率，建议趁潮排水时引入长兴岛尾水，即可满足汛期控制岛内水位要求，也可有效提高河网的水体流动性。