上海长江水源地大型水库清淤疏浚工程规划方案研究

韩 景，朱宜平，吴彩娥，华 俊，周旭捷

(1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2.上海城投原水有限公司，上海 200125)

青草沙水库是上海长江水源地大型蓄淡避咸水库，位于崇明长兴岛西北侧长江南北港分流口水域，包含中央沙库区和青草沙库区[1]。水库设计有效库容为4.38亿m3，供水规模达719万m3/d[2]，服务人口超过1300万。2011年6月，青草沙水库建成投运，从根本上改变了上海城市原水的供应格局，为上海城市发展提供了更为安全可靠的清洁水源[3]。

青草沙水库从长江取水，采用“上引下排，泵闸联动”的方式。长江水体中含砂量较大，根据监测近些年上游取水泵闸附近水体的年均含砂量在0.2kg/m3附近，水体进入库区后由于流速减缓，水体中的泥沙颗粒在库内沉积[4]，每年有一定的淤积量产生，减小了水库库容，且对库区水体输送及水流流态有一定的影响。青草沙水库至今已运行近10年，尚未进行过专门的库区疏浚，只是在2016年结合青草沙北堤水生态建设工程实施了局部疏浚。

为了保障青草沙水库主要引流通道的畅通，改善库内水动力条件，保障库区水质，保持水库有效库容，实施青草沙水库清淤疏浚工程是非常必要的。

本研究在对青草沙水库现状分析的基础上，结合库区水动力和水质改善需求，采用数值模拟技术对青草沙水库清淤疏浚工程规划方案进行研究。

1 研究思路和方法

1.1 模型构建

本研究采用MIKE 21软件中的水动力模块(HD)和水质模块(Ecolab)来构建青草沙库区二维水动力水质数学模型。

HD模块基于Boussinesq假定和静压假定的二维不可压缩雷诺平均N-S方程[5]，可用于计算不同作用力引起的水位和水流变化。控制方程包括连续性方程和动量方程，方程采用单元中心的显式有限体积法求解，可以保证水量和动量在计算域内的守恒[6]。

ECOLab模块是在传统的水质模型概念发展起来的一个水质和生态模拟工具[7]，可以模拟多种变量之间的相互作用及影响水体中物质浓度变化的各种生化反应过程。本次采用WQ模块中的WQnutrientsChl模板，用于模拟水库内的营养盐和叶绿素。

青草沙库区模型地形采用非结构三角形网格，能较好地拟合水库大堤和泵闸边界。根据研究需求加密局部区域，模型地形的网格尺寸为5～50m，允许最小三角形角度为30°，青草沙库区分布有12734个节点，划分为23913个三角形网格，如图1所示。水下地形采用2019年8月青草沙库区实测的1∶50000水下地形数据，如图2所示。

图1 太湖模型计算范围及网格示意图换图

图2 青草沙库区计算范围及水下地形图换图

1.2 模型主要设置

2020年4月开始，为了进一步改善库区水动力和水质，下游闸的最大单宽流量从7.5m3/s提高至15m3/s，最大出库流量从155m3/s提高至300m3/s。本次青草沙库区水动力水质计算考虑下游闸增大排量后的运行条件。水库库内水位维持在2.50～3.50m之间。上游闸能引则引，最大引水流量为910m3/s。下游闸能排则排，最大排水流量为300m3/s。

HD模块中，采用具有代表性的无风和盛行东南风两种风况条件，风速取平均风速4m/s，风切应力系数取为0.0026；曼宁系数取为0.025～0.30；涡动粘滞系数按Smagorinsky公式计算。

ECOLab模块中，高锰酸盐指数的降解系数分别为0.025d-1。青草沙库区近几年藻型结构为硅蓝藻型，藻类生长速率为1.0d-1，藻类死亡速率为0.05d-1。

2 结果与分析

2.1 库区总体形态分析

青草沙库区平面上呈狭条状，上游取水泵闸位于库区西北端，输水泵闸位于库区东南端，库区上游的垦区将过流通道分为南汊和北汊。根据2019年4月库区实测水下地形，青草沙垦区以上进流通道和垦区南汊水下地形-2m通道已不完全贯通；垦区北汊过流通道底高程在0～0.5m左右；库区中部及以下库区，地形相对较低，地形高程大部分在-5～-7m左右，局部深槽高程达到-11m左右；垦区上下游和北堤中段附近地形在0m以上，库区南侧输水泵闸上游浅滩地形在1.5～3m左右。

根据实测地形数据分析，2012—2019年期间的青草沙库区总体上以淤积为主，只有极小部分区域有冲刷，淤积区域面积远大于冲刷区域。库区地形主要变化为：取水泵闸至垦区南汊区域较大幅度淤积，总体上淤积幅度为0.5～2.3m；库区下游大部分区域的淤积幅度基本在0.3～0.5m之间，输水泵闸西侧浅滩冲刷0.1～1.1m。整个库区净淤积量约为800万m3，库区平均淤积0.2m，平均年淤积量为114万m3。2012—2019年青草沙库区实测水下地形冲淤变化情况如图3—4所示。

图3 青草沙库区2012—2019年地形淤积分布图

图4 青草沙库区2012—2019年地形冲刷变化图

2.2 库区现状水动力特征分析

上游闸引水下游闸关闭时的青草沙库区流场分布如图5所示。水体经垦区分流由南北两汊进入库区，两股水流在青草沙垦区东侧汇合向下游闸运动。上游闸的区域流速大于0.2m/s，南北汊的流速为0.01～0.2m/s。在盛行东南风作用下，库区下游南侧和库区中段北侧的水流由下游向上游流动，与库区下游主槽区的水流形成两个狭长的环流，南侧为顺时针环流，北侧为逆时针环流，回流区总体流速为0.02～0.05m/s，但是回流区中间存在流速小于0.01m/s的狭长型的缓流区，库尾也存在流速小于0.005m/s的缓流区。

图5 青草沙库区流场图(SE风，上游闸开)

上游闸关闭下游闸排水时的青草沙库区流场分布如图6所示。青草沙垦区西侧的部分水体向上游闸方向流动，库内大部分水体向下游闸流动。在盛行东南风作用下，库区下游主槽区南北两侧的环流依然存在。下游闸和输水泵闸附近的流速大于0.01m/s，库区环流中间和库尾都存在流速小于0.005m/s的缓流区。

图6 青草沙库区流场图(SE风，上游闸关)

根据青草沙库区模型计算的青草沙库区南北两汊流量过程统计平均值，南汊平均流量约为144.6m3/s，北汊平均流量约为88.6m3/s，南北两汊的分流比为62.1%∶37.9%，可见南汊为水库的主要过流通道。

根据青草沙库区模型计算的库区水动力条件和水质点运动规律估算库区的换水周期。无风条件下，中上游库区和下游主槽区的换水周期都在14d以内，库尾平均换水周期为20d；盛行东南风条件下，上游库区和下游主槽区的换水周期都在14d以内，库区下游南侧环流中心水域的换水周期约为16—18d，库尾平均换水周期为15d。有风时的库区换水周期总体上小于无风时。

2.3 疏浚规划方案拟定

通过研究分析青草沙库区近10年淤积和现状水动力特征情况，根据库区水动力和水质改善需求，初拟了2个疏浚规划方案，方案布局如图7所示。

图7 库区清淤疏浚方案布局图

疏浚方案1，疏浚南汊头部至南汊下游-2.0m等深线处，疏浚至底高程-2.0m，与上游闸闸前底高程衔接，沿南汊往下游疏浚，到输水泵闸上游浅滩附近-4.0m等深线处，在库区下游南侧形成-4.0m深槽，与输水闸闸底高程衔接，疏浚区总面积约228万m2，疏浚方量约为528万m3。疏浚区边界距离长兴岛老海塘200m，不影响长兴岛老海塘稳定安全。

疏浚方案2，疏浚南汊头部至南汊下游-2.0m等深线处，疏浚至底高程-2.0m，与上游闸闸前底高程衔接，将南汊尾部和库区下游主槽之间的过水通道拓宽并挖深至-4.0m，疏浚区总面积约218万m2，疏浚方量约为444万m3。

2.4 疏浚方案效果对比

对水库实施清淤疏浚，既恢复了水库库容，也对库区水动力和水质产生影响。采用青草沙库区水动力水质模型对青草沙库区不同疏浚方案的工程效果进行对比分析。

(1)汊道分流比

疏浚前后汊道平均流量和分流比对比情况见表1—2。疏浚后，南北两汊的总流量不变；南汊平均流量和分流比有明显增加，方案1和方案2的南汊分流比分别增加13.7%和13.8%，南汊水动力明显增强；北汊平均流量和分流比减小，北汊水动力减弱。两个方案对南北两汊的过流量和分流比的影响程度相近。

表1 疏浚前后汊道平均流量对比表

(2)流速

疏浚前后库区流速变化情况见表3。无风条件下的青草沙库区最大流速变化见如图8—9所示，盛行东南风条件下青草沙库区最大流速变化如图10—11所示。疏浚后，2个方案对库区上游流速的影响规律类似，南汊、库区南侧中段水域的流速明显增大，增幅约为1～3cm/s，库区头部和北汊流速有所减小，其他水域的流速变化较小。2个方案对库区下游南侧流速的影响规律略有不同。总体上，库区内流速增大的水域面积大于流速减小的水域面积。无风条件下，方案1对流速的总体改善效果相对较好。盛行东南风条件下，方案2对流速的总体改善效果相对较好。盛行东南风条件下，疏浚对流速的改善效果大于无风条件。

表3 疏浚前后库区流速变化情况表

图8 方案1疏浚前后青草沙库区最大流速变化图(无风)

图9 方案2疏浚前后青草沙库区最大流速变化图(无风)

图10 方案1疏浚前后青草沙库区最大流速变化图(SE风)

图11 方案2疏浚前后青草沙库区最大流速变化图(SE风)

表2 疏浚前后汊道分流比对比表

(3)换水周期

疏浚前后库尾平均换水周期对比见表4。无风风条件下，方案1和方案2对库尾平均换水周期的减小幅度分别为6.2%、1.4%，方案1对换水周期的改善效果较好。盛行东南风条件下，2个方案对库尾平均换水周期的影响较小，变化幅度在1%以内。无风条件下，疏浚对换水周期的改善效果大于东南风条件。

表4 疏浚前后库尾平均换水周期对比表

(4)水质

高锰酸盐指数是常规水质指标，长江水进入库区后，水体中的高锰酸盐指数在库内逐渐降解，出库浓度小于进库浓度。叶绿素a是浮游植物进行光合作用的重要色素，是表征藻类生物量的指标，水库中叶绿素a含量和藻类生物量显著正相关[8]。长江水叶绿素a浓度较低，长江水进入库区后流动减缓，在库区流速、水深、光照等条件下逐渐生长，浓度增大，出库浓度远大于进库浓度。

现状选用2021年非咸潮期某月的水质情况，上游泵闸引水的高锰酸盐指数、叶绿素a的平均浓度分别为2.3、0.002mg/L，输水口的高锰酸盐指数、叶绿素a的平均浓度分别为2.107、0.0139mg/L，详见表5。

高锰酸盐指数以降解为主，疏浚对高锰酸盐指数的影响较小。按方案1疏浚后，输水口的高锰酸盐指数平均浓度增加0.09%；按方案2疏浚后，输水口的高锰酸盐指数平均浓度减小0.05%，详见表5。

表5 疏浚前后输水口水质浓度对比表

疏浚可以改善库区改善水动力，减少水力停留时间，减缓局部水域叶绿素a的生长速率，减小输水口的叶绿素a浓度。按方案1疏浚后，输水口的叶绿素a平均浓度减小4.3%。按方案2疏浚后，输水口的叶绿素a平均浓度减小2.2%。方案1对叶绿素a的改善率较大。

3 结语

采用数值模拟技术对比分析青草沙库区疏浚前后的水动力和水质情况，可以看出，对水库实施清淤疏浚，南汊、库区下游南侧和库尾的水动力条件得到改善，输水口的叶绿素a浓度有所减小，有利于改善供水水质。方案1的总体效果相对较好。研究成果可为今后同类工程规划提供参考与借鉴。

青草沙水库总体清淤疏浚的工程量和投资较大，建议相关部门按计划有序推进青草沙水库疏浚工作，先行实施淤积严重的主要引流通道，保障水库正常运行。

青草沙库区疏浚产生的土方量较大，疏浚土的处置是个难题，建议对疏浚土进行资源化利用[9]。