基于数学模型的感潮河网水环境改善方案研究——以上海市金山区浦南东片为例

黄 欣

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司上海分公司，上海 200434)

前 言

平原感潮水网地区河道密集、湖泊星罗棋布，因城市人口、经济的快速发展，各种生活污水及工业废水大量排入河网，且由于地势平坦，河道水动力条件相对较差，存在滞流和局部往复流等现象，致使区域水环境质量日益恶化，逐渐成为困扰经济可持续发展和城市环境的一个重大问题[1]。为保障区域防洪排涝安全，现许多城市河道中均设有闸、泵站等水利工程建筑物，如何利用闸泵调度和平原感潮河网的潮动力[2～4]，打造畅通的健康水系网络，增强水体的有序流动，提高河网整体的自净能力，对于水环境改善具有重大意义[5-6]。

平原感潮河网地区水环境改善方案制定是一个多目标、多变量的优化问题，已有很多学者展开了研究。谢忱等[7]以上海市淀北片为例，提出淀北片畅流活水方案，并利用水动力数学模型对比分析了不同方案的河网流速变化情况。顾正华等[8]建立了浦东新区感潮河网调水数学模型，对调水水流时空变化过程、闸门开启过程引排水流量以及调水过程引排水总量进行模拟和计算，并进一步讨论了调水过程外河潮位实时预报、感潮水闸流量的计算和调水模型河网糙率的反演问题。张现国等[9]基于EFDC构建福州复杂河网水系水动力水质模型，模拟研究区内不同水质目标及引水条件下的闸泵调度对河道水质变化影响。王菲等[10]以东莞市滨海湾新区为例，进行以潮汐为水源的生态补水效果研究，考虑引潮河涌宽度、河涌连通的差异性拟定补水方案，建立研究范围内的水动力水质耦合模型。现阶段国内外关于感潮河网地区水环境改善方案的研究主要关注闸泵调度方案、引水量等，研究角度单一、方案过于局限。

本次研究以上海市金山区浦南东片为例，基于现状河道和水利工程，构建水动力精细化数学模型，从增加排水口门和优化调度控制方案两个角度，分析不同方案下研究区域的引排水量、内部河道流速变化情况等，为改善金山区浦南东片河道水环境提供重要参考和指导。

1 研究区域概况

研究区域位于上海市西南临海、金山区东部，属上海市水利分片综合治理中的浦南东片，北至黄浦江、西至大泖港-掘石港-惠高泾、南至杭州湾、东至叶榭塘-金山区界。区域内河流属黄浦江水系，骨干河道以南北向为主，如张泾河、龙泉港、紫石泾、新张泾、南泖泾等，为通浦纳潮的主要通道；东西向的主要河道有中运河、山塘河、红旗港等，片内多小河，河网密度相对较高。研究区域内共有市级河道3条、区级河道18条，形成了整个片区河网的骨干框架，承担着接纳潮水、调蓄上游客水和引调水的任务。

1.1 水利工程布置

研究区域内共建成16个圩区防洪自保，总控制面积14.8万亩，圩区水闸54座，泵站90座，总流量149.29m3/s；其余均为敞开片，仅张泾河、紫石泾和南泖泾等10条河道设闸控制。研究区域内现有四条主要纵向通江河流，从西到东依次为：张泾河、紫石泾、南泖泾、叶榭塘-龙泉港，入江口均建有闸门，这些河道不仅是区域排江通道，同时也是引黄浦江水改善研究区域水质状况的主要引水通道。现有一条纵向排海通道，为叶榭塘-龙泉港，入海口处建有闸门，具有排水功能。

1.2 现有水资源调度

研究区域水资源常规调度方式为“北引南排”，即黄浦江干流南岸沿线水闸只引不排，杭州湾沿线水闸只排不引，如图1所示。

图1 水资源常规调度引排格局示意图Fig.1 Schematic diagram of conventional scheduling of water resources

1.3 水环境现状

研究区域内共有8个水功能区监测断面，水质类别都在Ⅳ类水至Ⅴ类水之间，达标率为50.0%，未达标断面的主要超标因子为总磷。

研究区域内大部分中小河流均为劣V类，还有部分河道呈黑臭状态，主要污染因子为高锰酸盐指数、氨氮和总磷。现状呈劣V类(黑臭)的河道共计512条，其中村级河道492条，占比高达96%，绝大部分均为断头浜。

1.4 存在问题

1.4.1 排水出路不足

现状水资源调度模式下，西侧池泾水闸、中运河水闸处于择机引排的状态，整个片区主要依靠叶榭塘-龙泉港通道进行排水。因此，在黄浦江干流南岸沿线枢纽全部开闸引水的情况下，最后均通过龙泉港出海闸外排入海，现状排水出路严重不足。

1.4.2 断头浜多，影响水流畅通

研究区域内河网密度相对较高，且小河偏多，并存在大量断头浜，水流条件差，水体交换能力弱，加上污水排放，造成局部黑臭现象。

1.4.3 现有调度方案已不适应髙标准换水要求

研究区域通过长期、定期引调水，部分骨干河道已达到既定水质目标要求，但是目前的调水方案以潮引为主，进入片区的水量保障度低，难以满足现阶段高标准的换水需求。此外，片区内河网由于缺乏闸站等控导工程的联合及精细化调度，清水易从骨干河道流走，内部小河道缺乏水动力，清水来量少，流动性改善不大，水质改善效果也不明显。

2 数学模型构建与率定

2.1 模型构建

本次研究采用一维水动力数学模型进行模拟分析，模拟范围为金山区浦南东片，基本控制方程是基于垂向积分的圣维南方程组。

本次构建的模型中共概化河道1268条，现状闸站工程157处，如图2所示。概化后的河网中，共有12681个水位计算点，9414个流量计算点，交替均匀分布于概化河网中。

图2 模型概化河网及工程示意图Fig.2 Schematic diagram of river network and engineering generalized by model

模型中共设置水位(潮位)边界6个，分别位于黄浦江上下游，山塘河、惠高泾、黄姑塘以及龙泉港，选取完整的潮汛周期作为计算代表时段，采用相应的同步实测水(潮)位过程。

根据相关参考文献对研究区域内河道赋予不同糙率初始值，一级河道选取0.025，二级河道选取0.03，三级河道选取0.035。

2.2 模型率定

采用朱泾站实测水位数据对模型进行率定验证，如图3所示。结果表明，本次研究区域内水位实测值与计算值大小平均误差较小，基本可以模拟区域内的水量情况，本次研究所建立的一维水动力模型具有较高精度，能够较为准确地模拟研究区域的河网水动力特性。

图3 朱泾站水位率定验证Fig.3 Calibration of water level at Zhujing Station

3 方案设计与对比分析

3.1 方案设计

在尊重区域引排格局的基础上，本次研究采取的主要方式是适当增加排水口门和优化调度控制方案。增加排水口门即指新增南排杭州湾通道张泾河枢纽，优化调度则主要为优化西侧口门的调度，从这两个角度出发设计多种方案并进行模拟计算，并与现状工况进行比对，寻找综合效果和适用性兼具的最佳方案，改善研究区域的水环境。

从上述角度出发，设计了4个调度方案，如图4所示。

方案一(基础方案)：在现状基础上仅新增张泾河南延工程，扩大南排。张泾河南延工程北起卫城河，南至杭州湾，入海口处新建泵闸1座，规模为3台30m3/s+3孔10m闸。

方案二：在方案一的基础上优化调度，关闭西侧池泾水闸和中运河水闸闸门，圩区参与联合调度。

方案三：在方案二的基础上进一步细化调度，当片区水位在2.7～2.9m之间时，开启西侧池泾水闸和中运河水闸闸门，其余时间关闭，圩区参与联合调度。

方案四：在方案二的基础上进一步限制西排，关闭西侧池泾水闸、中运河水闸和山塘河水闸，圩区参与联合调度。

图4 调度方案示意图Fig.4 Schematic diagram of scheduling schemes

3.2 方案对比分析

本次将整个区域按照主干河道划分为15个统计区域，见图5。

图5 统计区域划分示意图Fig.5 Schematic diagram of division of statistical areas

3.2.1 增加排水口门影响分析

方案一活水期间，研究区域内四大引水口门净引水量为363.64万m3，较现状增加了11.94万m3，增幅为3%，南排杭州湾净排水量为1006.93万m3，较现状增加了495.75万m3，增幅为97%。南排出口的增加直接拉动了西南区域的水体流动，黄姑塘省界断面进入浦南东片的水量较现状增加27.73万m3，山塘河西端由原来引排出口变为单向引水入口，净引水量增加63.15万m3，掘石港、惠高泾沿线外排水量减少。可见扩大南排出口后，区域增加的引水量并非来自黄浦江，而是来自西侧掘石港、惠高泾甚至上游杭嘉湖片区，通过西侧口门进入浦南东片。即南排出口增加后，西排减少，西引增加。

区域内主干河道平均流速达到0.035～0.431m/s，较现状增加最多的是和南排工程最近的黄姑塘与卫城河，两河流速分别增加了0.162m/s和0.374m/s，其次为张泾河、红旗港和山塘河，增加了0.034～0.057m/s，其余主干河道流速增加0.004～0.019m/s。

各统计片区河网平均流速达到0.026～0.159m/s，如图6(a)所示。平均流速增加最多的是13号区，即卫城河、老龙泉港以北红旗港以南区域，直接受到扩大南排影响，该片区流速增加0.073m/s；其次为4号、15号区流速增加0.014～0.016m/s，其余区域河网增加流速基本都不超过0.01m/s。南部河网流速增加最多。

片区进出水量明显增多的地区主要有：4号、10～15号片区，如图6(b)所示，即西南角地区、龙泉港两侧地区、后岗塘以南紫石泾张泾河以东，其中卫城河周边区域受到南排新增出口的影响，水量交换增加幅度最大。

方案一(基础方案)增加南排杭州湾排水口门，扩大了南排趋势，区域排水量较现状显著增加，对南部、东部区域的水动力条件的提升有效果，对西北部圩区区域的影响较小。

图6 总水量和流速分布示意图Fig.6 Distribution diagram of total water volume and flow velocity

3.2.2 优化调度方案影响分析

方案二～四在方案一增加南排口门的基础上，对研究区域的水资源调度方案进一步优化，区域主要出入口门净引排水量详见表1。三个方案中，沿黄浦江四大引水口门净引水量最多的为方案四591.07万m3，其次为方案二，这两个方案关闭了西侧口门，导致从黄浦江引水量显著增加，明显高于方案三和方案一；南排杭州湾净排水量最多的为方案二1017.28万m3，远高于方案一水平，方案三和方案四排水量则均低于方案一。三方案中黄姑塘均接受上游杭嘉湖片区来水，引水量最多的是方案四，最少的是方案三；西侧其他口门现状引排皆有且排水量较多，而三个方案中方案二以引水为主，方案三、方案四以排水为主，但方案四中西侧口门引排水量总体都偏少。从区域整体来看，进出交换水量最少的是方案三，其余三个方案交换水量相近，方案二与方案四引黄浦江水最多。

表1 区域主要出入口门净引排水量比较Tab.1 Comparison between water intake and discharge at outlet and inlet (万m3)

从主干河道平均流速来看，方案二与方案四总体效果基本相当，平均流速在0.031～0.434m/s，方案三中的主干河道平均流速比其余方案甚至方案一更少，在0.026～0.355m/s，主要是因为方案三中西侧口门调度改变使活水畅流期间河道水流方向发生变化所导致的。

从各统计片区平均流速来看(表2所示)，方案一中1～3号、5～8号区域平均流速在各方案中达到最大，且15号区域接近各方案中的最大值；方案二中4号、9～10号、12～15号区域平均流速在各方案中达到最大，且11号区域接近各方案中的最大值；方案四中9～12号、14号区域平均流速在各方案中达到最大，此外4、13、15号接近各方案中的最大值。从各统计片区边界出入总水量比较来看，方案一中1、2、5、6号交换水量为各方案中最大，7号区交换水量也接近最大值；方案二中4号、7～15号区域交换水量均为各方案中最大，仅7号区较小；方案三中仅3号区交换水量比较接近三方案中的最大值；方案四中3号区交换水量为各方案中最大，此外4号、9～13号与最大值(即方案二中结果)非常接近。从个统计片区交换水量上来看，方案二是最优的，但方案二对西北部圩区较为不利，而相对应的，方案一对西北部圩区在各方案中最为有利。

表2 各统计片区内平均流速、交换总水量比较Tab.2 Comparison between average flow velocity and total water volume exchanged in various statistical areas

4 结 语

由于受到地形地貌、经济发展等诸多方面的影响，平原感潮水网地区水体普遍存在水动力条件差、水环境质量堪忧等问题。本文基于工程方案和调度方案相结合的总体思路下，建立上海市金山区浦南东片水动力数学模型，进行模拟分析计算，在充分利用潮动力引水的基础上，实现区域中小河道水动力条件和水环境质量的改善。经对比分析，新增南排杭州湾排水口门后，研究区域净排水量有较大增幅、净引水量也略微增加，对南部、东部区域河道的水动力条件有较为明显的提升。此外，基于增加南排口门的基础上，对研究区域的水资源调度方案进一步优化，模拟计算结果表明，关闭西侧水闸闸门、圩区参与联合调度的情况下，可最大化的利用黄浦江潮引动力，对整个区域水动力条件的改善也最为有利，仅西北部圩内河道流动性的提升较为欠缺；但在基础方案下，即增加南排口门方案，便可对西北部圩区的水动力条件有较大改善。因此，本文提出平原感潮水网地区可通过增加排水口门，进而扩大区域排水量、增加河道流动性，并灵活运用水资源调度方案，实现不同片区中小河道水动力的显著提升，为其他平原感潮河网地区的水环境改善方案制定，提供经验和依据。