嘉定区蕰南中部地区原型调水试验研究

杨 琪,李念斌

(1.同济大学,上海市 200092;2.上海嘉定水务工程设计有限公司,上海市 201800)

嘉定区蕰南中部地区原型调水试验研究

杨 琪1,李念斌2

(1.同济大学,上海市 200092;2.上海嘉定水务工程设计有限公司,上海市 201800)

结合上海市嘉定区蕰南中部地区原型调水试验,分析了不同调水方案的实测数据,得出现有调水方案存在的问题,并提出解决问题的思路。

调水试验;水量;水质

1 概述

1.1 区域概况

嘉定区位于上海市的西北部,市级河道蕰藻浜横贯其南部,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,蕰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,西以蕰藻浜为界,南北两侧各以苏州河和蕰藻浜为界,形成了一个相对独立的区域。这一区域俗称嘉定的蕰南地区。

嘉定蕰南中部地区西起盐铁塘,东至新槎浦,北至蕰藻浜,南至苏州河,总面积81.65 km2,属长江三角洲冲积平原,历来受海洋性气候影响,季风盛行,四季分明。常年平均气温15.2℃,雨量充沛,但降雨量年内、年际分布不均。多年平均降雨量为1 103.01 mm(黄渡水文站资料),其中6～9月份为汛期,多年平均汛期降雨量为577.43 mm,占全年降雨量的52.36%。由于受台风暴雨等灾害性气候以及太湖洪水下泄的影响,洪涝灾害时有发生,是水环境问题最严重、矛盾最突出的地区。

嘉定蕰南中部地区涉及南翔、江桥、黄渡三镇,这一地区是嘉定区经济最发达的地区之一,为改善这一地区的水环境,促进区域经济社会的可持续发展,市、区、镇三级政府近几年在河道整治、治污截污方面投入了大量资金,水环境治理取得了一定成效,但由于区域河道缺乏必要的水动力条件,导致水体在多数情况下处于“死水”状态,从整体上讲这一区域的水环境质量仍然较差。

1.2 水动力情况

嘉定蕰南中部地区处于平原感潮河网地区，区域内地形平坦，河道水力坡度十分平缓，水动力条件极差。随着区域内经济建设的发展,在建设过程中填堵了部分河道，使得河道过水能力进一步削弱。区域中部有沪宁铁路、沪宁高速公路等多条交通干线与河道相交,大量交叉建筑物形成了多处束水障碍,甚至断流,严重影响了河网水体流动。尤其是自苏州河整治以后，限制了向苏州河排水，使原来可以依靠苏州河潮汐进行水体自然交换的状态受到了限制， 区域内水体基本失去了依靠自然条件进行的水体流动能力。

1.3 河道及水利工程现状

嘉定蕰南中部地区的河道以沪宁铁路为界分割为南北两部分，目前连通南北仅有封浜河一个口门。其中,沪宁铁路南侧的骨干河道有“二纵三横”共计5条,为封浜、浅江、西虬江、南虬江和小虬江。沪宁铁路北侧的骨干河道呈“四纵四横”共计8条,为横沥、花园江、封浜、浅江、吾尚塘、地司沥、走马塘、连浦。

本次调水试验将在现有已建水闸泵站工程的基础上进行,分别涉及横沥泵闸、封浜泵闸、走马塘泵闸、封浜套闸共4座区管泵闸,苏州河北岸一线的顾冈泾、北周泾、黄巢江、老封浜、小封浜以及蕰东水闸和沿新槎浦一线的市管水闸。其中横沥泵闸和封浜泵闸以排水为主,其余水闸泵站以引水为主,形成南引苏州河水,向北排入蕰藻浜的调水方式［1］。主要水利控制工程如图1。

2 方案选择

2.1 试验目的

(1)验证已建横沥泵闸、封浜泵闸的实际调水效果(包括调水影响范围、河道水质改善程度)以及每次调水间隔周期，每次调水时间和运行费用等。

(2)通过实时调度和布设测站施测，验证前期专项规划提出的调水方案的正确性以及存在的问题，同时提出下一步完善的措施。

图1 蕰南中部地区主要引调水控制工程分布图

(3)通过不同组合的调水方案试验，找出改善蕰南中部地区水质的最佳调水方案，以实现该地区水资源调度的科学化管理。

(4)进一步验证打通沪宁铁路下几处瓶颈的必要性。

(5)找出蕰南片工程调水与江桥西片圩区引调水之间的最佳配合方案。

(6)了解已建调水工程主要设备的可靠性，为下阶段建设整个调水工程自动化系统做准备。

2.2 方案设置

根据本次调水试验要达到的目的［2］,经综合比选,确定了如下3种试验方案:

(1)横沥泵闸单独调水,打开走马塘节制闸,敞开沿苏州河一线所有节制闸和套闸;

(2)封浜泵闸单独调水,走马塘节制闸按预定时间段开闭,敞开沿苏州河一线所有节制闸和套闸;

(3)封浜泵闸、横沥泵闸、走马塘泵闸联合调度,开启所有水泵，关闭节制闸,沿苏州河一线和沿新槎浦一线的所有节制闸、套闸也全部同时敞开。

3 试验前期工作及试验过程

3.1 最低控制水位的确定

考虑到航运及市政建设情况,通过查询历史数据及计算试验区河道库容量与最大排水量之间的差值,设定最低控制水位2.20 m,建立控制点,并安排人员试验期24 h值班。

3.2 边界条件控制

蕰南中部地区浅江泵闸、狗颈骨节制闸、花园江节制闸、西全河节制闸等控制性工程尚未全部建成,因此,为防止蕰藻浜河水从开放的口门向蕰南中部地区回流,事先封堵了沿蕰藻浜一线的口门。

为防止因蕰藻浜水位过高,造成通过远处的口门向该地区回流,以及对蕰藻浜以北地区造成防汛压力,试验方案的实施在蕰东水闸排水实现预降水位后进行。

3.3 试验过程

试验方案于2013年8月启动,由于兼顾汛期及蕰东闸预降水,至9月底完成3个方案的实验,各方案连续运行72 h。主要调水思路为“南引北排”,由封浜泵闸、横沥泵闸向蕰藻浜排水,走马塘泵闸向试验区引水,苏州河沿线市管水闸当苏州河水位高于内河水位时,开启外围工程闸门,否则关闭闸门,能引则引。

试验区在重要河道、汊点安排水量、水质固定监测点6个,单水质监测点5个,每小时进行一次测验及采样,安排巡测组在试验区进行流动测验,并安排专人观测河道流向。

4 试验结果

4.1 水位变化情况

各方案试验中,监测点水位基本与边界河道呈同步变化趋势,除方案一外,方案二、三试验中监测河道水位对比边界河道水位有一定程度的下降,方案二试验区平均水位下降0.07 m,方案三试验区平均水位下降0.10 m,方案三水位下降较为明显。

4.2 水量监测情况

以试验方案三为例,分析铁路北片南翔地区水量平衡情况,横沥泵闸排水245万m3、封浜泵闸排水218.8万m3。由于试验期间吴淞江水位较试验区域水位没有明显的高低差,且引水时间极短,可忽略对试验区域的作用,进入试验区的水量主要由中槎浦提供,其中吾尚塘进水265万m3、走马塘59.4万m3、封浜河铁路以南进水量128万m3,引排水误差2.46%,进出水量基本平衡。水量平衡简图如图2。

图2 3号方案水量平衡简图

4.3 河道流向监测情况

本次引调水试验3种方案根据不同的泵闸开启,水流方向有一定的变化,但主要输水河道的流向基本是一致的,即:铁路以南地区向封浜河流动,汇入封浜河后向铁路以北流动。铁路以北地区,横沥河、封浜河由南向北流动,吾尚塘由东向西流动。整体的流向趋势是横沥、封浜泵闸向北排水,中槎浦由东向西对试验区进行补给。河道流向如图3。

图3 河道流向图

4.4 重要汊点分析

由于本次试验中封浜河封富桥监测点(以下简称封富桥测点)位于试验区域正中,且是试验区域南北交界的唯一通道,对各试验方案是否能带动铁路以南地区水体有重要的参考意义,因此有必要对该汊点在不同试验方案下的水动力情况进行分析。在引调水试验前对该点位进行的踏勘显示该点位水体基本没有流动的迹象,而在引调水3个方案中,该点不仅发生了水体流动,而且在不同方案中显示了不同的水动力特性。

方案一:封富桥监测点过水量92.7万m3,占横沥泵闸总排水量的37.8%。试验期间平均流量3.58 m3/s，考虑到横沥泵闸9.45 m3/s的排水能力,本方案对铁路以南地区水动力有可观的拉动作用。

方案二:对封富桥测点进行观测,实测发现走马塘泵闸的开闭对该监测点基本不造成影响。试验阶段的平均流量为3.69 m3/s。从平均流量上来看,方案二对铁路以南地区的河道拉动能力优于方案一。

同时,由于封浜泵闸的排水能力低于方案一中的横沥泵闸,封富桥测点过水量占泵闸排水的43.8%,效率较方案一高。

方案三:封富桥测点过水量128万m3,占横沥泵闸和封浜泵闸总排水量的27.6%,平均流量为4.86 m3/s。由于吾尚塘强力的补给作用,该监测点受到顶托作用,虽然平均流量较大,但总过水量与泵闸排水量的占比变小,对铁路以南的拉动作用较1号方案减少。

4.5 水质监测情况

由于本次试验时间跨度为2个月,各方案仅进行24×3 h,苏州河水位偏低,引水量及其有限,且苏州河水质未明显优于试验区水体,所以整个试验过程中,试验区水体水质变化不明显［3］。

5 试验发现的问题及解决思路

5.1 发现的问题

5.1.1 苏州河引水问题

本次引调水试验由于边界条件的限制,原计划从苏州河一线引水的条件不充分,没有引入活水,试验很大程度上是在原水体内进行调节,水质变化较小。同时,试验期间,苏州河水质未明显优于试验区水体,没有达到引清的目的。

5.1.2 吾尚塘补给作用

对吾尚塘、横沥河汊点进行观测,结合吾尚塘监测情况,吾尚塘流入265万m3,横沥泵闸排出245万m3,多出水量合并横沥河吾尚塘南段水量经吾尚塘全部往封浜河方向流动。横沥泵闸的全部排水量由中槎浦经吾尚塘补给,形成中槎浦→吾尚塘→横沥河→蕰藻浜→中槎浦的小循环,一定程度上抵消了本次方案的泵闸排水能力。

5.1.3 泵闸组合的问题

试验的各个方案在不同的泵闸组合下会产生不同的引调水效果,如:在横沥泵闸和封浜泵闸全开的情况下,开启走马塘泵闸反而使封富桥监测点流量减小。

5.2 问题解决的方法

5.2.1 纳入全市水环境治理方案

蕰南片引调水主要目的是引入苏州河水体,然而现在的情况是苏州河的水体水质与试验区的水体水质没有明显区别,即使没引入足够的水量,也对试验区的水环境起不到改善作用。这个问题需待上海市对苏州河综合整治的推进,苏州河水质好转后解决［4］。

5.2.2 建立水利控制工程

从试验过程来看,吾尚塘的强力补给作用大大稀释了泵闸的调度能力,因此有必要在吾尚塘河道上建立控制工程,减弱小循环对整片区域引调水的削弱作用。

5.2.3 利用各种方式进行泵闸组合优化

本次试验仅采用了有限的几种泵闸组合方案,而蕰南中部地区含已经建立的和规划建设的泵闸等水利控制工程多达二十几座。可以使用数值模型等多种方法对这些控制工程进行优化调度的研究,寻找最优调度方案。

6 结论

利用蕰南地区已有的水利控制工程能够对蕰南地区进行一定的水利调度,使该地区的水体进行流动,但水体流动效果未及预期,水质好转的趋势不明显。

通过本次调水试验,验证了已建水利控制工程的作用,但对整个蕰南中部地区来说,水环境的改善非一朝一夕的事,需要从全市水环境综合整治的部署、技术措施、水资源管理、水污染治理等方面,多层面、多角度入手,才能最大限度地改善该地区的水环境。

［1］ 匡翠萍，李行伟，刘曙光.大规模围垦对香港维多利亚港水动力环流的影响［J］.同济大学学报:自然科学版.2009,(2):176-181.

［2］ 陈江,崔广柏.原型调水试验研究在江阴东、南部水系改造中的应用［DB/OL］［2007-03-21］. http://.www.paper.edu.cn.

［3］ 郜会彩，李义天，何用，等. 改善汉阳湖群水环境的调水方案研究［J］.水资源保护,2006(9):41-44.

［4］ 黄伟，何用，李荣，等.感潮地区引清调水方案研究［J］.水电能源科学，2004(6):19-22.

TV68

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1009-7716(2015)03-0080-03

2014-12-18

杨琪(1982-)，男，上海人，工程师，从事水文水资源调查研究工作。