基于水資源調度的崇明島河網水動力水質改善研究

滕 飛

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司 規劃與科研分院,上海 200061; 2.上海灘涂海岸工程技術研究中心,上海 200061; 3.上海市水務局防汛減災工程技術研究中心,上海 200061)

0 引 言

平原地區由于地勢平坦,內部河網水動力較弱,河道中易出現水體滯留和往復流[1],進而對河網水環境造成不利影響。在平原河網周邊設置閘、泵等水工建筑物,通過合理的調度模式引入優質水源,提升平原河網的流動性,能夠迅速有效改善水環境質量[2]。該方法具有較高的可行性、經濟性,成為治理平原河網水體污染、維持河網水質的常用手段[3-5],并已在國內外相關區域的水動力、水環境調控中獲得了廣泛的應用[6-9]。

崇明島地處長江出?？?濱江臨海,島上水系發達,與長江連通口門眾多,屬于強感潮河網[10],在上海市水資源調度中屬于崇明水利片,進行獨立調度。崇明島作為上海市農業大區,農業面源污染負荷壓力較大,河道水質面臨較高的污染壓力[11-13]。為實現崇明世界級生態島的遠期規劃目標[14],當地河網亟待采取適當的污染整治措施,促進河網水生態功能恢復,水環境功能達標。

崇明島水系具有河網密度大、分片控制、外圍長江水資源較為優質、日常引排可借助潮汐動力的特點[15],充分利用好周邊潮汐動力和優質水資源,對于提高當地的河網水資源調度能力、改善河道水環境具有十分重要的意義。受限于歷史建設規模以及新成陸區域對水系布局影響等因素,現狀崇明島河網的水體調度能力仍存在較大開發潛力,亟待實施相關工程進行開發。針對水動力提升、水資源改善的調度優化措施效果開展研究,能夠有效提升工程實施的針對性,為后續研究崇明島河網建設項目的優先度、性價比提供參考。

本文通過全面梳理崇明島河網現狀規模及工程布局,針對區域內引起河網水動力不足的主要短板,從溝通河道、增大引排規模等角度,結合對島內現有水工程設施潛力的進一步挖掘,提出多種島內活水暢流調度的優化方案。在此基礎上,利用河網模型進行對應的水動力、水質數值模擬,對相關工程優化方案的效果進行定量檢驗,為進一步改善崇明島河網水生態提供數據參考。

1 崇明河網水資源調度現狀

截至2021年底,崇明島南北沿共建成節制閘26座,其中15座位于南沿,11座位于北沿(見圖1)。目前,崇明島主要基于了建節制閘,以“南引北排、西水東調”模式,即按照“南支沿線水閘只引不排,北支沿線水閘只排不引”的方向進行日常河網的活水暢流調度[16]。南沿水閘隔天至少一潮引水,北沿水閘隔天至少一潮排水。島內另有47座小涵閘分布于各區、鎮、村級河道及小微水體與長江南北支匯口處,用于提升所在區域的除澇、引排水能力,并滿足相關企業和鄉鎮的生活生產用水供應需求。

崇明島2019年及2020年實測水質資料表明,全島市、區管河道全河段基本達到Ⅲ類水水質標準,骨干河道整體水質情況較好。鎮管河道、村級河道等支級河道水質情況不佳,V類水及以上的超標水體較多,且存在部分V類及劣V類河段。島內河網水質主要超標污染物為總磷,現狀水質治理仍有較大空間。

崇明規劃河網水面率為10.46%,崇明島現狀水面率為9.07%(2020年數據[17])?，F狀河網主要存在的問題包括:① 崇明島部分區管河道尚未實施河道擴展工程,未與北橫引河直接連通;② 部分區管河道河口寬與規劃藍線存在差距(見圖2及表1);③ 島內水閘空間分布不均。崇明島北沿節制閘數量較南沿少,且主要集中在北沿東西兩端,中部因北湖阻擋,北排通道不暢;④ 部分小涵閘等現狀水利設施未在全島水資源調度過程中被充分利用。

表1 崇明島主要骨干河道現狀與規劃規模對比Tab.1 Scale of current and planed main river network of Chongming Island

圖2 崇明島骨干河道規劃與現狀實施情況對比Fig.2 Current and planed main river network of Chongming Island

基于上述崇明河網水動力的短板,本文嘗試采取河道拓展、構建北湖北排通道、將現有涵閘加入引排調度等3種優化措施改善河網水動力條件,并進一步分析水資源調度優化工程措施實施后對崇明全島特別是工程周邊區域的水環境、水動力的改善力度,為確定相關工程實施的優先級提供參考。

2 數學模型搭建

本次研究通過構建崇明島一維河網水動力模型。依據現狀水資源調度策略,模擬崇明島河網水體的引排水過程。在此基礎上,進一步進行引調水工程方案的優化,包括改善河網結構、調整引調水工程布局,并利用模型計算分析工程措施對水環境的改善效果。

2.1 模型原理

模型采用一維非恒定流的圣維南方程組作為水動力計算控制方程:

(1)

(2)

式中:A為過水斷面面積;Q為過水斷面流量;x為沿程坐標;t為時間坐標;h為斷面水位;C謝才系數;R為水力半徑。模型采用了Abbott-Ionescu六點中心隱式格式進行差分計算,數值計算采用傳統的“追趕法”。

同時,模型采用對流-擴散方程計算物質在流體中的濃度變化,該方程為

(3)

式中:M為濃度;D為擴散系數;K為線性衰減系數;C2為源濃度;q為側向流。

2.2 模型結構

以2016年崇明島河湖數據復核成果為基礎,參考2020年現狀河網數據,并結合衛星圖像,以崇明主要市、區、鎮級河道為骨干,概化其他低等級河道,建立崇明島現狀河網模型,河網及水工程設施(水閘)如圖3所示。

圖3 崇明現狀河網水動力模型Fig.3 Hydrodynamic model of current river network of Chongming Island

基于崇明島現狀引排水模式,設定模型中閘門調度模式為南引北排,島內引排水過程中最低水位不低于2.6 m,最高水位不超過3.2 m。以長江沿線實測水位數據序列及水質月報提供的水質數據為模型的邊界條件(見圖2)。模型中水體面源污染負荷量根據2020年崇明島統計年鑒中的各鎮農業生產數據進行推算,并基于空間分布分配至各鎮級河道。污染物負荷參考崇明河道各月實測水質濃度數據,按對應比例分配至各月中。

相關模型已在崇明島河網面源污染分析中進行了率定驗證應用[18],能夠較為合理地刻畫崇明島內水動力、污染物輸移過程。本次研究將在此模型基礎上進一步進行后續引調水優化方案計算。

3 工程設施布局優化效果分析

3.1 河道疏拓效果影響分析

崇明現狀河網實施情況(表1)顯示,倉房港、東平河、小漾港、四滧港4處區管河道的河口寬度較規劃達標率較低,故選取上述河道,以總磷為例,利用崇明河網水質模型進行特定調度模式下(南引北排,每日兩引兩排)水質計算,分析各河道單獨根據規劃規模實施后對其自身及周邊河道水環境的影響。模型計算時間選取水質等級處于全年中等水平的春季3～4月。各河道疏拓工程實施后,提取其自身及周邊各級河道斷面總磷變化情況進行變化分析。斷面位置分布見圖4。

圖4 水質對比特征斷面位置Fig.4 Location of typical sections of water quality comparison

由模型提取的斷面總磷濃度分布可見(見表2),上述4條區管河道分別單獨按照規劃實施后,其自身總磷濃度均有較大幅度降低,計算時段內平均降幅約6.3%～20.1%,最大降幅出現在東平河。提取周邊市管至鎮管各級河道斷面水質可見,拓寬河道對工程區東側區管河道1、直接連通的周邊鎮級河道水質有一定程度改善,降幅分別為1.3%～6.4%,4.3%～13.6%,最大降幅均在東平河拓寬時出現,表明河道疏拓能夠改善一定區域范圍內的河道水環境。工程對西側相鄰河道或東側未相鄰河道濃度無顯著改變。

表2 河道疏拓后周邊斷面總磷濃度變幅Tab.2 Change of TP at the sections after inmplementing dredging project nearby %

綜合4處疏拓工程實施后,工程河道及周邊水體污染物濃度發生變化,表明骨干河道進行疏拓后能夠在引水期間匯入更多的清水,進一步稀釋了污染物,使自身以及臨近部分支級河道水質均出現一定改善,但影響范圍相對較小,對全島總體引排改善不明顯。東平河現狀由于僅有南部閘門進行引水,北排期間水動力較弱,較少受納周邊支級河道排放的污染物,按規劃規模疏拓后對區域內水體的污染物濃度改善效果優于其他3處工程實施效果。倉房港、小漾港、四滧港根據規劃進行疏拓后,對周邊水體污染物濃度改善效果無顯著差異。

基于數學模型結果的分析,疏拓河道能夠有效削減工程河道自身水體污染物濃度,對其東側鄰近區、鎮級河道的水質也有一定程度的改善。其中,對于現狀有南部閘門、無北部閘門的區管河道,在拓寬工程實施后,水質提升效果最佳,宜作為優先實施對象進行建設。

3.2 北湖北排效果影響分析

崇明島北湖原為長江北支一部分,于2002年經圈圍形成湖區,現狀水域面積約7.59 km2。崇明北湖北部通過三通港涵閘與長江北支進行水系溝通,南側保留與崇明河網的連接通道前進閘河,但因前進閘河水閘現已廢棄,北湖目前不與崇明河網溝通。南部相見港、直河港等區管河道及周邊支級河道水體需先進入北橫引河,再向東西輸移經遠端新河港北閘、堡鎮港北閘北排進入長江,排水行程遠,通道少?，F狀水質監測[19]及數學模型模擬成果顯示,北湖以南河網因北排通道不暢,水質較差,南引清水較難更新河道。本文考慮將北湖納入崇明島整體引排水調度中,通過修復利用現有涵閘,將前進閘河、北湖、三通港、長江北支的北排通道納入崇明全島水資源調度系統中,提高調水效率,分析北湖加入引排后對崇明島河網水體更新效率的影響。

北湖參與水資源調度后,利用前進閘河連通北橫引河及北湖,河道口寬約30 m。模型在北湖北端新增三通港涵閘,設置每日2次在長江北支低潮期間向外排水,三通港涵閘現狀規模為5孔3.2 m×3.0 m箱涵。

提取河網模型開始引水48,96 h和192 h后的河網水體換水分布可見,將北湖納入崇明島引排調度后,周邊水體更新效率有顯著改善。新增的北排通道使南部相見港、直河港及其周邊河道水體可直接通過三通港涵閘向北外排,縮短了區域內河道水體的北排路徑,提高了換水效率。新河港北閘、堡鎮港北閘因北湖分擔北排壓力,可排出更多其他區域水體。同時,北排規模的增大使南部節制閘在同等時間內引入了更多的清水至河網中。北湖以南區域河網水體換水率較現狀有較明顯的提高(見圖5)。由提取北湖南側新河港、相見港、直河港等河道的水體更新率變化曲線可見,上述河道完成同等比例換水的耗時普遍減少2～3 d(見圖6),在開始引排96～192 h(4～8 d)后河道斷面平均水體更新率改善最為顯著(圖6),相見港、直河港提升率可達18.9%～20.0%,新河港平均提升約12%,整體提升全島河網水體更新率約1.6%～2.6%(見表3),表明增加北湖作為崇明河網的引排通道能夠有效提升北湖以南區域的水體更新效率,對當地水質有一定改善。

表3 北湖北排前后周邊區管河道及全島河道平均水體更新率Tab.3 Water update rate of channels in Chongming Island before and after adding North Lake as drainage channel

圖5 北湖加入崇明河網調度前后河道引排水體更新率對比Fig.5 Comparison of water update rate with and without adding North Lake as drainage channel

圖6 北湖加入崇明河網調度前后區管河道水體更新率對比Fig.6 Comparison of typical sections’ water update rate before and after adding North Lake as drainage channel

3.3 利用現狀涵閘效果影響分析

崇明島南北現有47處沿江涵閘中,26座位于崇明島村級及以上河道,所在河道較為暢通,易于直接納入崇明河網總體調度,主要集中在崇明島南沿自廟港至奚家港岸線范圍,在崇明島北沿也存在少量分布(見圖7)。

圖7 可改擴建納入河網調度涵閘分布Fig.7 Location of culverts available for water resources regulation

在崇明島河網現狀引水能力基礎上,若需要額外從長江南支引入清水,在不對現狀河道、節制閘規模進行大范圍調整的情況下,可優先使用此類涵閘作為日常引調水工程的補充。在河網模型中比較以下3種工況:

(1) 工況1?，F狀引排規模,涵閘不參與水資源調度。

(2) 工況2。引排過程加入現狀涵閘參與調度,其中,崇明島南沿涵閘與其附近節制閘同步進行引水,北沿涵閘與其附近節制閘同步進行排水。

(3) 工況3。在工況2基礎上擴建26處涵閘,其中位于區管河道的涵閘擴建至10 m規模,鎮、村級河道涵閘擴建至6 m規模,并對應疏拓各涵閘所在村、鎮級河道分別至15 m和10 m規模。

在模型計算成果中,提取全島河道總體換水率以及特定河道斷面換水效率進行比較,評估各工況對河網水動力的改善情況。

不同工況計算結果顯示,26處涵閘加入河網水資源引排調度能夠有效提升河道水體更新速率,且能減少水體更新所需的引排次數和頻率。水體更新率自工況1至工況3逐步升高(見圖8),其中,工況3對崇明島內西北、中北、東北區域的河道水體更新改善明顯。提取崇明島西、中、東部3處典型骨干河道斷面的水體更新率變化曲線(見圖9)可見,達到同等水體更新率的情況下,工況2較工況1耗時減少約1 d,工況3在工況2基礎上進一步縮減1～2 d,換水效率提升主要集中體現在斷面水體開始更新后的5～7 d內,在當斷面水質更新率達到約90%以上后,3種工況下的水體更新效率逐漸趨于相同。

注:工況1為現狀;工況2為引排水調度加入現狀涵閘;工況3為引排水調度加入擴建后涵閘。圖8 涵閘納入引排調度前后島內河網水體更新率變化Fig.8 Comparison of water update rates with different operating modes of water resources regulation

圖9 3種工況下特征點位水體更新率變化Fig.9 Water update rate at typical sections with three operating modes

由全島河網平均水體更新率變化(見圖10)可見,工況1、工況2、工況3對河網水體更新效率依次提高。將涵閘納入調度對水體更新效率的提升在引水初期最大,開始引水1 d后工況2較工況1提升幅度為18.6%,工況3進一步達到28.4%。在開始引排第11 d后,因累積引水量較大,水體更新率提升幅度有所下降,但仍分別達到8.4%和13.7%,此時3種工況下的河網平均水體更新率分別達到79.1%,85.7%,89.9%。

圖10 3種工況下崇明島河網平均水體更新率變化Fig.10 Average water update rate of river network in Chongming Island with three operating modes

模型計算結果表明,將部分沿江涵閘加入至崇明河網引排水調度中能夠有效提升河道各斷面的換水效率(工況2),適當擴建能夠進一步提升涵閘引排水河網水體的更新效果(工況3),但一味擴大涵閘規模無法使換水效率對應獲得線性提升(見圖11)。

圖11 增加涵閘調度后平均水體更新率較現狀提升情況Fig.11 Improvement of water update rate after the culverts participating in water resource regulation

4 結論與建議

4.1 結 論

本文基于對崇明島河網調水現狀情況的收集,梳理了當地水體調度面臨的主要問題,包括河口規模未按規劃實施到位、排水通道空間分布不均、部分小涵閘功能未充分利用。針對現狀短板,比較了幾種水資源調度優化工程措施的實施效果。

(1) 根據崇明島河網規劃對現狀區管河道進行疏拓能夠對河道自身及周邊一定范圍內支級河道的水質進行改善,但對整治區域以外的河道水質提升作用不明顯。工程實施對象可優先選擇南部現有引水閘門、北部無排水閘門的河道。

(2) 將北湖納入島引排調度后,北湖南側區域河網換水效率能夠得到顯著改善,更新區域內水體耗時較現狀縮短約2～3 d。

(3) 將部分崇明島現有可用沿江涵閘納入河網整體水資源調度后,島內河網換水效率得到有效提高,但隨著納入引調水的涵閘數量增加、規模擴大,水體更新率無法對應獲得線性提升。

(4) 綜合一維河網數學模型模擬計算成果,本研究設定的幾種水資源調度工程優化方案均能夠有效提升崇明島局部區域河網水動力,改善區域水環境,相關措施具有有效性,對崇明島總體生態環境達標建設具有較高的參考價值。

4.2 建 議

(1) 可在現有水利工程設施基礎上開展現狀涵閘加入引排調度,作為近期提升河網水動力水質手段。河道疏拓可結合崇明河網規劃,遠期逐步開展實施。

(2) 若將北湖作為崇明河網北排通道,需同時考慮維持湖區內鹽度穩定的相關措施,避免湖區鹽度失衡造成的生態影響,并進一步評估崇明河網水體進入湖區后對當地水生態環境的影響。

(3) 考慮到工程實施的優先級,建議綜合考慮現有河道規模、涵閘位置分布、河道狀態、周邊區域水質,對擬實施的河道疏拓、涵閘擴建工程進行優先度排序,提升工程實施的效費比。