数值模拟在嘉定蕴南中部地区引调水试运行准备工作中的应用

包小燕，李念斌

（1.上海市嘉定区水文站，上海 201800；2.上海嘉定水务工程设计有限公司，上海 201800）

0 引言

上海市嘉定区蕴南中部地区涉及南翔、江桥、黄渡三镇，是嘉定区经济最发达的地区之一，但也是嘉定区水环境质量最差的地区。为此嘉定区水务局于2007年组织编制了《嘉定蕴南中部地区水环境治理——引调水专项规划》，经过2008年至2012年的建设，规划中的水利控制工程已基本建设完成，嘉定区水务局拟定于2012年10月进行调水试运行。针对规划中设置的调水试运行方案，使用数值模拟的方法进行运算对比，选取合理的水质分析比对点，为调水试运行提供参考依据。

1 河网水动力数值模拟发展现状

数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。20世纪50年代以前，数值模拟的基本理论已经建立，运用这些理论也曾解决过一些简单的工程问题。但是，这些基本理论真正应用于解决工程问题却是在电子计算机发明以后。1952年—1954 年，E.lsaacson、J.J.stoker和 B.A.Troesch 首次建立了俄亥俄河和密西西比河部分河段的数学模型，并进行了实际洪水过程的模拟。到上世纪60年代中期，为了解决各种各样的设计和规划问题，水动力数学模型再次得到重视。随着计算机技术的发展，水动力数学模型的模拟功能也大大增强，可以对整个流域、洪泛区、已建或规划中的水利工程进行系统模拟。水动力模型是其它模型(如水质模型、水环境容量模型等)的基础和前提。水动力模型的建立涉及控制方程组的简化、方程组的离散和求解、初边条件的确定、模型的率定和验证等一系列问题。平原河网模型不同于单一河流的特点，在于河网错综复杂性，以及由此带来的方程组离散和求解上的困难，这是多年来人们研究河网问题的一大难点。平原河网水动力数学模型目前大体可以分为节点—河道模型、单元划分模型、混合模型、人工神经网络模型，以及蒙特卡罗随机游动模型，其中最常用的是节点—河道模型。

2 河网非恒定流数值解法

2.1 水动力方程

2.1.1 基本方程组

水流在平底、棱柱形明渠中一维非恒定流动的基本方程组—圣维南方程组,包括反映动量守恒定律的运动方程和反映质量守恒定律的连续性方程：

式中，A为河道内任意断面的面积，m2；Q为断面水流量，m3；t、x分别为时间与距离的坐标；Z为水位，m；g为重力加速度，m·s-2；q 为旁侧入流，m3；Rh为水力半径，m；C k 为谢才系数，m1/2·s-1；a 为动量校正系数。

2.1.2 方程组求解方法

如图1所示,利用Abbott六点隐式差分格式求解圣维南方程,在每个网格节点按顺序交替计算水位和流量。该格式为无条件稳定,可以在相当大的Courant数下保持计算稳定,因此,可以取较长的时间步长以节省模型运算时间。

图1 Abott格式水位点、流量点布置示意图

2.1.3 定解条件

定解条件为水流的初值与边界值,具体如下:水流初始条件：t=0，Z(x,t)=Z(x,0)，Q(x,t)=Q(x,0)。边界条件：当 x=0 时，Z(x,t)=Z(0,t)；当 x=L 时，Z(x,t)=Z(L,t)。

河网的内边界条件比较复杂，其中河网支汊节点的处理最为关键，支汊点应满足Z1=Z2=……

2.2 水质扩散方程

根据物质在水体中对流扩散的过程，考虑污染物的对流扩散与线性降解，其基本方程为[1-2]：

式中:C为污染物浓度，mg/L；D为污染物弥散系数；A 为断面过水面积，m2；Q 为流量，m3/s；K 为降解系数，s-1；C2为污染物的点源浓度，mg/L；q 为污染物的点源流量，m3/s；x为空间步长，m；t为时间步长，s。

3 区域概况及方案设置

3.1 区域情况

嘉定区位于上海市的西北部，市级河道蕴藻浜横贯其南部，在穿越沪宁铁路后折向西南与苏州河交汇。由此，嘉定区水系形成了界线分明的南北两片。其中，蕴藻浜以南地区的面积约为106.4 km2，其范围是：东以嘉定行政区域为界；西以蕴藻浜为界；南北两侧各以苏州河和蕴藻浜为界，形成了一个相对独立的区域。这一区域俗称嘉定的蕴南地区。

3.2 水环境现状

该区属平原感潮河网地区，内部水系绝大部分天然形成，且弯曲流长；河道水流流向不定，主要受南部感潮河流苏州河的水位影响，水流方向由北向南、由西向东居多。但由于区内河道向苏州河排水受到限制，阻断了区域内外水体自然交换的道路，改变了地区原先“由北向南流”的水力特性。此外，由于铁路、公路的建设，交叉建筑物也阻碍了水流的畅通，使该地区基本成为死水区，水质情况常年处于劣Ⅴ类水。

3.3 方案设置

根据《嘉定蕴南中部地区水环境治理——引调水专项规划》的方案规划，将通过沿蕴藻浜南侧沿线设站，提抽内部河道水进入蕴藻浜，待内部河水位降低后，强行引入苏州河清水实行水体交换与流动。并利用东侧现有的连浦闸站向内引水，走马塘水闸开启。这样形成“北排、南引”的有序水流大格局。

该方案沿蕴藻浜在浅江、封浜、横沥设泵闸，浅江泵闸流量为5 m3/s、封浜泵闸流量为10 m3/s、横沥泵闸流量为10 m3/s。为形成良好的换水条件，与该方案配套的工程有：西线沿盐铁塘在狗颈骨河、北线沿蕴藻浜在花园江处设闸控制。沿蕴藻浜控制工程如图2所示。

图2 蕴南中部地区引调水控制工程分布图

4 数值模拟方法

4.1 河网概化

在充分掌握详细的天然河网、湖泊的水动力、水文资料的基础上，以主干河道为基础，按照河网概化的基本原则，对蕴南中部地区河网进行合理地概化。所涉及的主要河流有:吴淞江、蕴藻浜、盐铁塘、浅江、封浜、横沥、西虬江、中槎浦等。

4.2 边界条件

4.2.1 外边界条件

平原河网地区在洪水期往往同时遭遇平原区产流和潮汐等多重影响，其边界条件大致分为3类：水位（潮位）边界、流量边界（水位流量关系边界可以转化为流量边界），以及计算区域的净雨输入。该项研究采用吴淞江黄渡站水位及蕴藻浜闸内站水位为外边界。

4.2.2 内边界条件

在内部边界条件处，圣维南方程组不再适用，必须依据其水力特性作特殊处理，以保证河道追赶系数的连续传递。

4.3 时间空间步长的选取

考虑到模型计算稳定性要求及模型运行时间要求，水动力模型的时间步长可以取5～15 min，空间步长取50 m～1500 m不等。

4.4 水质分析点选取

该项计算主要选取封浜、横沥、西虬江的汊点断面处，由于封浜、西虬江被铁路阻隔，在封浜被铁路阻隔的南北、西虬江被铁路阻隔的东西分别选取水质分析点，共计20个，详见表1所列。

表1 水质分析点一览表

4.5 模拟结果

由于溶解氧、氨氮等水质指标会沿程和随时间变化，所以采用综合的CODcr作为计算指标，用于换水效果的比较。限于篇幅，以横沥河为例，72 hCOD相对减少量的平均值（%）见表2所列，随时间变化过程曲线如图3所示。

表2 72 hCOD相对减少量的平均值一览表（单位：%）

图3 横沥选取断面72 hCOD相对减少量随时间变化过程曲线图

5 建议

在蕴南中部地区引调水试运行前，针对一维河网非恒定流复杂的水流特性，建立了嘉定蕴南中部地区的水量水质模型，选取了水质分析点，并进行了数值计算，为试运行提供了参考依据。现针对将进行的试运行，提出以下建议：

（1）做好水质取样分析工作，掌握蕴南中部地区的水质在引调水前、后的情况，尤其是数值计算涉及的这些分析点，为模型的校准提供数据。

（2）及时采集引调水的数据，分析试运行中存在的问题，为蕴南中部地区引调水常态化做好准备。

（3）在已建立的数值模型基础上，通过试运行的数据，对此区域的水利控制工程调度问题开展探索。

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