上海横沙岛水资源调度方式数值模拟研究
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作者:宋荣华
摘 要：本文通过Mike11建立横沙岛水动力和水质模型，基于模拟三种工况下两种主要水资源调度方式的不同方案对比，得出现状水资源调度方式“北引北排”、后期的“北引西排”与“西引北排”调度方式对横沙岛水质的影响结果。经分析可知，在水系沟通的基础上，水资源调度的时间在逐渐缩短;从5d的水质调度结果来看，“北引西排”调度方式比“西引北排”调度方式效果略好;从15d的水质调度结果来看，两种调度方式效果相差不大。综合考虑，推荐“北引西排”的水资源调度方式。
关键词：上海横沙岛;水资源调度方式;数值模拟;Mike11
中图分类号：TV21 文獻标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0118-03
随着计算机技术的不断发展，数值模拟方法越来越频繁地应用于河道整治中。国际上通用的河口海洋数值模拟软件有很多，如美国普林斯顿大学的POM、ECOM模式，丹麦水力学研究所的MIKE软件，荷兰代尔夫特大学的Delft3D软件等等[1]。水动力学模型是对河网水系水流运动规律的一种模拟，通过水动力学模型计算可以预测各种降雨标准、边界条件、控制条件下的河网水位和流量变化。水质模型是描述水体中污染物随时间和空间迁移、转化规律的数学方程，可用于模拟污染物在水体中迁移、转化的特征和规律，对水质变化趋势进行预测[2-3]。
横沙岛位于长江入海口东端，三面环江，一面临海。横沙岛现有河网布局不合理，岛内水系未连接成网、河道水系不通畅，河道水动力不足。根据近2年的水质调查结果，横沙岛水质有逐年下降趋势，特别是2017年8月水质调查结果显示岛内河道Ⅴ类和劣Ⅴ类水质已占86.7%。横沙岛水系格局基础薄弱，规划“三横一纵一环”骨干河道大多未进行综合整治，存在乱占乱建现象，农业面源污染较普遍[4]。本文通过Mike11建立横沙岛水动力和水质模型，模拟不同工况下的水资源调度方式，得出水资源调度方式对横沙岛水质的影响结果。
1数值模型
1.1 控制方程
Mike11模块由水动力、对流～扩散、水质、降雨～径流、洪水预报等模块组成，核心模块为水动力模块。Mike11水动力模块采用6点Abbott～Ionescu有限差分格式对圣维南方程组进行求解。
圣维南方程是反映有关物理定律的微分方程，包括连续方程（质量守衡定律）和动量方程（牛顿第二定律）：
式中：Q为流量，m3/s;q为侧向入流，m3/s;A为过水面积，m2;h为水位，m;R为水力半径，m;C为谢才系数;α为动量修正系数。
1.2 方程离散
圣维南方程中的连续型方程和动量方程通过有限差分法进行离散，计算网格由流量点和水位点组成，其中流量点和水位点在同一时间步长下分别进行计算。计算网格由模型自动生成，水位点是横断面所在的位置，流量点位于两个相邻的水位点之间。计算网格点的分布遵循以下规则：①河段上下游端点为计算水位点;②支流入流点为计算水位点;③实测断面资料点为计算水位点;④模型根据max值自动插入的点为计算水位点;⑤建筑物点为计算水位点;⑥两个水位点之间只存在一个计算流量点。
1.3 河网概化
横沙乡的现状河网是基于Mike11一维河流模拟系统，根据2017年现状河网GIS数据及现状河道调查数据构建而成，本次计算范围为横沙乡区域，计算面积约51.74km2。横沙岛现状河网模型见图1，河道按《崇明区横沙乡水利专业规划[5]实施后的河网模型见图2。
1.4 河网泵闸系统控制模块
泵闸控制方式的模拟是水动力模型的重要组成部分。根据上海的水网特征、水资源合理调度客观要求以及水利工程运行管理的实践经验，遵循防汛时按照防汛安全要求调度、平时按照改善水质和用水需要调度的原则，对闸的运行方式按照上下游的水位进行控制、闸关联水系的区域水位控制以及时间控制等多重要求进行详细的调度模拟。
1.5 模型验证
本模型降雨径流模块采用UHM（单位水文过程线），该模块适用于单一暴雨时间且无河流流量记录的地区。汇水面积通过Thiessen平均面积降雨权重法进行计算。模型中的Initial Loss（初损）对应水务规划院河网模型中的初渗，Constant Loss（常损）对应水务规划院河网模型中的稳渗、蒸发和拦截，初损值和常损值根据不同用地面积占比进行加权平均计算。
规划河网经过除涝计算所得到的最高水位为2.66m（见图3），与《崇明区横沙乡水利专业规划》计算成果一致，因此采用Mike 11构建的横沙岛一维河网的计算结果是可靠的。
2水资源调度方式设计与结果分析
2.1 水资源调度方式设计
根据《上海市水环境功能区划（2011年修订版）》，横沙岛属于Ⅲ类水质控制区。横沙岛现状水质与水环境功能区划的要求仍有明显差距。引清调水是水质提升和水环境治理的重要手段，充分利用现有水利工程设施，发挥区域的水资源、水动力优势，引入相对优良的水资源，调活水体、改善水质，增加复氧、增强水体自净能力。横沙岛位于长江口，受长江口潮汐变化影响，横沙岛潮汐为不正规半日潮，其引排水口门有着天然潮差的优势，本着节能的原则，尽量利用潮差引排水，减少泵站的开启量。长江口水质Ⅲ类水居多，有时水质可以达到二类水标准。
根据横沙口门的分布位置，拟定的横沙乡水资源调度方式有“北引西排”和“西引北排”两种方式，“北引西排”即创建港水闸引水其他三个闸门排水，“西引北排”反之。
2.2 水资源调度方式计算 横沙岛的现状口门中只有创建港水闸可以投入使用，现状的水资源调度方式为“北引北排”，该调度方式会引起河道中水体来回摆动且影响范围比较有限。
本文假定所有泵闸工程均可以正常投入使用，在此基础上采用Mike11水动力和水质模型，针对不同水资源调度方式进行计算，选择氨氮作为水质考察指标。
2.2.1 计算工况
横沙水系未形成网络，距离规划要求较远。以水利规划为基础提出相应连通方案，便于水资源调度能达到预期效果。方案原则：①近期未整治且对盘活水体相对重要的河段;②局部有阻水点或未与骨干河道连通的河段。基于此选择建东河、东海河、庆德圩河（老文兴河～文兴河）、新盟河。因此，计算工况选取：①现状河道+现状泵闸;②方案实施后+现状泵闸;③远期规划实施后+规划泵闸。
2.2.2 计算条件
（1）计算边界条件。模型边界水位条件采用横沙站2018年9月10日（初一）～2018年9月25日（十六）的实测潮位过程，为一个完整的大潮、小潮过程。边界条件中的氨氮浓度设为0.75mg/L（对应Ⅲ类水标准）。
（2）计算初始条件。内河初始水位设为常水位2.3m，氨氮初始浓度设为1.75mg/L（對应Ⅴ类水标准）。
（3）口门控制条件。①引水口门控制条件，即外海潮位高于内河水位时，开启闸门进行引水，待内河水位上升至最高控制水位2.7m时关闭闸门;外海潮位低于内河水位时，关闭闸门。②排水口门控制条件，即外海潮位低于内河水位时，开启闸门进行排水，待内河水位下降至起调水位1.7m时关闭闸门;外海潮位高于内河水位时，关闭闸门。
2.3 计算结果分析
通过模型计算得到三种工况下不同调水方向的氨氮浓度分布图，见图4～7。
根据计算结果可知，现状条件下“北引北排”对于横沙乡水质改善程度有限，经过15d的引清调度，仍然无法明显改善横沙乡南侧区域的水质。
方案实施后，经过10d的“西引北排”调度，基本可以将全乡的主要河道水体置换一遍;经过15d的“北引西排”调度，也基本可以将全乡的河道水体置换一遍，只有局部由于水系沟通问题，水质改善缓慢。从5d的水质调度结果来看，“北引西排”调度方式比“西引北排”调度方式效果略好;从15d的水质调度结果来看，两种调度方式效果相差不大。
远期规划实施后，经过3d的“西引北排”或者“北引西排”调度，均基本可以将全乡的河道主要水体置换一遍，较短时间内能够满足水质改善的需要，两种调水方式区别不大。
3结论
本文通过Mike11建立横沙岛水动力和水质模型，基于模拟三种工况下两种主要水资源调度方式的不同方案对比，得出现状水资源调度方式“北引北排”、后期的“北引西排”与“西引北排”调度方式对横沙岛水质的影响结果。经分析可知，在水系沟通的基础上，水资源调度的时间在逐渐缩短;从5d的水质调度结果来看，“北引西排”调度方式比“西引北排”调度方式效果略好;从15d的水质调度结果来看，两种调度方式效果相差不大。
由于横沙西侧口门外滩势呈淤积态势，如果从西侧口门引水，会加重口门外的滩地淤积;如果从西侧口门排水，则可以利用大流速的出流对口门外侧进行冲刷，使西侧口门外的滩地稳定甚至略有冲刷。综合考虑水资源调度方式的水质改善效果和对口门冲淤的影响，本文推荐“北引西排”的水资源调度方式，即从创建港水闸和反帝圩水闸引水、从红星港水闸、新民港水闸和文兴港水闸排水。
参考文献：
[1] 申宏伟. Delft3D 软件在水利工程中的数值模拟[J].水利科技与经济，2005，11（7）：440- 442.
[2] 郝芳华，李春晖，赵彦伟等. 流域水质模型与模拟[M].北京：北京师范大学出版社，2008，10（3）：3- 10.
[3] 田凯达，刘晓薇等. Mike11模型在合肥市十五里河水质改善研究中的应用[J].水文，2019，39（4）：18- 23.
[4] 顾建，高肖.上海横沙岛骨干河道“一河一策”方案编制探讨[J].水利规划与设计，2019，5：14-16.
[5] 李琦，唐迎洲.崇明区横沙乡水利专业规划[M].上海，上海市水务规划设计研究院，2018.
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