基于水资源调度的崇明岛河网水动力水质改善研究

滕 飞

(1.上海市水利工程设计研究院有限公司 规划与科研分院,上海 200061; 2.上海滩涂海岸工程技术研究中心,上海 200061; 3.上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心,上海 200061)

0 引 言

平原地区由于地势平坦,内部河网水动力较弱,河道中易出现水体滞留和往复流[1],进而对河网水环境造成不利影响。在平原河网周边设置闸、泵等水工建筑物,通过合理的调度模式引入优质水源,提升平原河网的流动性,能够迅速有效改善水环境质量[2]。该方法具有较高的可行性、经济性,成为治理平原河网水体污染、维持河网水质的常用手段[3-5],并已在国内外相关区域的水动力、水环境调控中获得了广泛的应用[6-9]。

崇明岛地处长江出海口,滨江临海,岛上水系发达,与长江连通口门众多,属于强感潮河网[10],在上海市水资源调度中属于崇明水利片,进行独立调度。崇明岛作为上海市农业大区,农业面源污染负荷压力较大,河道水质面临较高的污染压力[11-13]。为实现崇明世界级生态岛的远期规划目标[14],当地河网亟待采取适当的污染整治措施,促进河网水生态功能恢复,水环境功能达标。

崇明岛水系具有河网密度大、分片控制、外围长江水资源较为优质、日常引排可借助潮汐动力的特点[15],充分利用好周边潮汐动力和优质水资源,对于提高当地的河网水资源调度能力、改善河道水环境具有十分重要的意义。受限于历史建设规模以及新成陆区域对水系布局影响等因素,现状崇明岛河网的水体调度能力仍存在较大开发潜力,亟待实施相关工程进行开发。针对水动力提升、水资源改善的调度优化措施效果开展研究,能够有效提升工程实施的针对性,为后续研究崇明岛河网建设项目的优先度、性价比提供参考。

本文通过全面梳理崇明岛河网现状规模及工程布局,针对区域内引起河网水动力不足的主要短板,从沟通河道、增大引排规模等角度,结合对岛内现有水工程设施潜力的进一步挖掘,提出多种岛内活水畅流调度的优化方案。在此基础上,利用河网模型进行对应的水动力、水质数值模拟,对相关工程优化方案的效果进行定量检验,为进一步改善崇明岛河网水生态提供数据参考。

1 崇明河网水资源调度现状

截至2021年底,崇明岛南北沿共建成节制闸26座,其中15座位于南沿,11座位于北沿(见图1)。目前,崇明岛主要基于了建节制闸,以“南引北排、西水东调”模式,即按照“南支沿线水闸只引不排,北支沿线水闸只排不引”的方向进行日常河网的活水畅流调度[16]。南沿水闸隔天至少一潮引水,北沿水闸隔天至少一潮排水。岛内另有47座小涵闸分布于各区、镇、村级河道及小微水体与长江南北支汇口处,用于提升所在区域的除涝、引排水能力,并满足相关企业和乡镇的生活生产用水供应需求。

崇明岛2019年及2020年实测水质资料表明,全岛市、区管河道全河段基本达到Ⅲ类水水质标准,骨干河道整体水质情况较好。镇管河道、村级河道等支级河道水质情况不佳,V类水及以上的超标水体较多,且存在部分V类及劣V类河段。岛内河网水质主要超标污染物为总磷,现状水质治理仍有较大空间。

崇明规划河网水面率为10.46%,崇明岛现状水面率为9.07%(2020年数据[17])。现状河网主要存在的问题包括:① 崇明岛部分区管河道尚未实施河道扩展工程,未与北横引河直接连通;② 部分区管河道河口宽与规划蓝线存在差距(见图2及表1);③ 岛内水闸空间分布不均。崇明岛北沿节制闸数量较南沿少,且主要集中在北沿东西两端,中部因北湖阻挡,北排通道不畅;④ 部分小涵闸等现状水利设施未在全岛水资源调度过程中被充分利用。

表1 崇明岛主要骨干河道现状与规划规模对比Tab.1 Scale of current and planed main river network of Chongming Island

图2 崇明岛骨干河道规划与现状实施情况对比Fig.2 Current and planed main river network of Chongming Island

基于上述崇明河网水动力的短板,本文尝试采取河道拓展、构建北湖北排通道、将现有涵闸加入引排调度等3种优化措施改善河网水动力条件,并进一步分析水资源调度优化工程措施实施后对崇明全岛特别是工程周边区域的水环境、水动力的改善力度,为确定相关工程实施的优先级提供参考。

2 数学模型搭建

本次研究通过构建崇明岛一维河网水动力模型。依据现状水资源调度策略,模拟崇明岛河网水体的引排水过程。在此基础上,进一步进行引调水工程方案的优化,包括改善河网结构、调整引调水工程布局,并利用模型计算分析工程措施对水环境的改善效果。

2.1 模型原理

模型采用一维非恒定流的圣维南方程组作为水动力计算控制方程:

(1)

(2)

式中:A为过水断面面积;Q为过水断面流量;x为沿程坐标;t为时间坐标;h为断面水位;C谢才系数;R为水力半径。模型采用了Abbott-Ionescu六点中心隐式格式进行差分计算,数值计算采用传统的“追赶法”。

同时,模型采用对流-扩散方程计算物质在流体中的浓度变化,该方程为

(3)

式中:M为浓度;D为扩散系数;K为线性衰减系数;C2为源浓度;q为侧向流。

2.2 模型结构

以2016年崇明岛河湖数据复核成果为基础,参考2020年现状河网数据,并结合卫星图像,以崇明主要市、区、镇级河道为骨干,概化其他低等级河道,建立崇明岛现状河网模型,河网及水工程设施(水闸)如图3所示。

图3 崇明现状河网水动力模型Fig.3 Hydrodynamic model of current river network of Chongming Island

基于崇明岛现状引排水模式,设定模型中闸门调度模式为南引北排,岛内引排水过程中最低水位不低于2.6 m,最高水位不超过3.2 m。以长江沿线实测水位数据序列及水质月报提供的水质数据为模型的边界条件(见图2)。模型中水体面源污染负荷量根据2020年崇明岛统计年鉴中的各镇农业生产数据进行推算,并基于空间分布分配至各镇级河道。污染物负荷参考崇明河道各月实测水质浓度数据,按对应比例分配至各月中。

相关模型已在崇明岛河网面源污染分析中进行了率定验证应用[18],能够较为合理地刻画崇明岛内水动力、污染物输移过程。本次研究将在此模型基础上进一步进行后续引调水优化方案计算。

3 工程设施布局优化效果分析

3.1 河道疏拓效果影响分析

崇明现状河网实施情况(表1)显示,仓房港、东平河、小漾港、四滧港4处区管河道的河口宽度较规划达标率较低,故选取上述河道,以总磷为例,利用崇明河网水质模型进行特定调度模式下(南引北排,每日两引两排)水质计算,分析各河道单独根据规划规模实施后对其自身及周边河道水环境的影响。模型计算时间选取水质等级处于全年中等水平的春季3～4月。各河道疏拓工程实施后,提取其自身及周边各级河道断面总磷变化情况进行变化分析。断面位置分布见图4。

图4 水质对比特征断面位置Fig.4 Location of typical sections of water quality comparison

由模型提取的断面总磷浓度分布可见(见表2),上述4条区管河道分别单独按照规划实施后,其自身总磷浓度均有较大幅度降低,计算时段内平均降幅约6.3%～20.1%,最大降幅出现在东平河。提取周边市管至镇管各级河道断面水质可见,拓宽河道对工程区东侧区管河道1、直接连通的周边镇级河道水质有一定程度改善,降幅分别为1.3%～6.4%,4.3%～13.6%,最大降幅均在东平河拓宽时出现,表明河道疏拓能够改善一定区域范围内的河道水环境。工程对西侧相邻河道或东侧未相邻河道浓度无显著改变。

表2 河道疏拓后周边断面总磷浓度变幅Tab.2 Change of TP at the sections after inmplementing dredging project nearby %

综合4处疏拓工程实施后,工程河道及周边水体污染物浓度发生变化,表明骨干河道进行疏拓后能够在引水期间汇入更多的清水,进一步稀释了污染物,使自身以及临近部分支级河道水质均出现一定改善,但影响范围相对较小,对全岛总体引排改善不明显。东平河现状由于仅有南部闸门进行引水,北排期间水动力较弱,较少受纳周边支级河道排放的污染物,按规划规模疏拓后对区域内水体的污染物浓度改善效果优于其他3处工程实施效果。仓房港、小漾港、四滧港根据规划进行疏拓后,对周边水体污染物浓度改善效果无显著差异。

基于数学模型结果的分析,疏拓河道能够有效削减工程河道自身水体污染物浓度,对其东侧邻近区、镇级河道的水质也有一定程度的改善。其中,对于现状有南部闸门、无北部闸门的区管河道,在拓宽工程实施后,水质提升效果最佳,宜作为优先实施对象进行建设。

3.2 北湖北排效果影响分析

崇明岛北湖原为长江北支一部分,于2002年经圈围形成湖区,现状水域面积约7.59 km2。崇明北湖北部通过三通港涵闸与长江北支进行水系沟通,南侧保留与崇明河网的连接通道前进闸河,但因前进闸河水闸现已废弃,北湖目前不与崇明河网沟通。南部相见港、直河港等区管河道及周边支级河道水体需先进入北横引河,再向东西输移经远端新河港北闸、堡镇港北闸北排进入长江,排水行程远,通道少。现状水质监测[19]及数学模型模拟成果显示,北湖以南河网因北排通道不畅,水质较差,南引清水较难更新河道。本文考虑将北湖纳入崇明岛整体引排水调度中,通过修复利用现有涵闸,将前进闸河、北湖、三通港、长江北支的北排通道纳入崇明全岛水资源调度系统中,提高调水效率,分析北湖加入引排后对崇明岛河网水体更新效率的影响。

北湖参与水资源调度后,利用前进闸河连通北横引河及北湖,河道口宽约30 m。模型在北湖北端新增三通港涵闸,设置每日2次在长江北支低潮期间向外排水,三通港涵闸现状规模为5孔3.2 m×3.0 m箱涵。

提取河网模型开始引水48,96 h和192 h后的河网水体换水分布可见,将北湖纳入崇明岛引排调度后,周边水体更新效率有显著改善。新增的北排通道使南部相见港、直河港及其周边河道水体可直接通过三通港涵闸向北外排,缩短了区域内河道水体的北排路径,提高了换水效率。新河港北闸、堡镇港北闸因北湖分担北排压力,可排出更多其他区域水体。同时,北排规模的增大使南部节制闸在同等时间内引入了更多的清水至河网中。北湖以南区域河网水体换水率较现状有较明显的提高(见图5)。由提取北湖南侧新河港、相见港、直河港等河道的水体更新率变化曲线可见,上述河道完成同等比例换水的耗时普遍减少2～3 d(见图6),在开始引排96～192 h(4～8 d)后河道断面平均水体更新率改善最为显著(图6),相见港、直河港提升率可达18.9%～20.0%,新河港平均提升约12%,整体提升全岛河网水体更新率约1.6%～2.6%(见表3),表明增加北湖作为崇明河网的引排通道能够有效提升北湖以南区域的水体更新效率,对当地水质有一定改善。

表3 北湖北排前后周边区管河道及全岛河道平均水体更新率Tab.3 Water update rate of channels in Chongming Island before and after adding North Lake as drainage channel

图5 北湖加入崇明河网调度前后河道引排水体更新率对比Fig.5 Comparison of water update rate with and without adding North Lake as drainage channel

图6 北湖加入崇明河网调度前后区管河道水体更新率对比Fig.6 Comparison of typical sections’ water update rate before and after adding North Lake as drainage channel

3.3 利用现状涵闸效果影响分析

崇明岛南北现有47处沿江涵闸中,26座位于崇明岛村级及以上河道,所在河道较为畅通,易于直接纳入崇明河网总体调度,主要集中在崇明岛南沿自庙港至奚家港岸线范围,在崇明岛北沿也存在少量分布(见图7)。

图7 可改扩建纳入河网调度涵闸分布Fig.7 Location of culverts available for water resources regulation

在崇明岛河网现状引水能力基础上,若需要额外从长江南支引入清水,在不对现状河道、节制闸规模进行大范围调整的情况下,可优先使用此类涵闸作为日常引调水工程的补充。在河网模型中比较以下3种工况:

(1) 工况1。现状引排规模,涵闸不参与水资源调度。

(2) 工况2。引排过程加入现状涵闸参与调度,其中,崇明岛南沿涵闸与其附近节制闸同步进行引水,北沿涵闸与其附近节制闸同步进行排水。

(3) 工况3。在工况2基础上扩建26处涵闸,其中位于区管河道的涵闸扩建至10 m规模,镇、村级河道涵闸扩建至6 m规模,并对应疏拓各涵闸所在村、镇级河道分别至15 m和10 m规模。

在模型计算成果中,提取全岛河道总体换水率以及特定河道断面换水效率进行比较,评估各工况对河网水动力的改善情况。

不同工况计算结果显示,26处涵闸加入河网水资源引排调度能够有效提升河道水体更新速率,且能减少水体更新所需的引排次数和频率。水体更新率自工况1至工况3逐步升高(见图8),其中,工况3对崇明岛内西北、中北、东北区域的河道水体更新改善明显。提取崇明岛西、中、东部3处典型骨干河道断面的水体更新率变化曲线(见图9)可见,达到同等水体更新率的情况下,工况2较工况1耗时减少约1 d,工况3在工况2基础上进一步缩减1～2 d,换水效率提升主要集中体现在断面水体开始更新后的5～7 d内,在当断面水质更新率达到约90%以上后,3种工况下的水体更新效率逐渐趋于相同。

注:工况1为现状;工况2为引排水调度加入现状涵闸;工况3为引排水调度加入扩建后涵闸。图8 涵闸纳入引排调度前后岛内河网水体更新率变化Fig.8 Comparison of water update rates with different operating modes of water resources regulation

图9 3种工况下特征点位水体更新率变化Fig.9 Water update rate at typical sections with three operating modes

由全岛河网平均水体更新率变化(见图10)可见,工况1、工况2、工况3对河网水体更新效率依次提高。将涵闸纳入调度对水体更新效率的提升在引水初期最大,开始引水1 d后工况2较工况1提升幅度为18.6%,工况3进一步达到28.4%。在开始引排第11 d后,因累积引水量较大,水体更新率提升幅度有所下降,但仍分别达到8.4%和13.7%,此时3种工况下的河网平均水体更新率分别达到79.1%,85.7%,89.9%。

图10 3种工况下崇明岛河网平均水体更新率变化Fig.10 Average water update rate of river network in Chongming Island with three operating modes

模型计算结果表明,将部分沿江涵闸加入至崇明河网引排水调度中能够有效提升河道各断面的换水效率(工况2),适当扩建能够进一步提升涵闸引排水河网水体的更新效果(工况3),但一味扩大涵闸规模无法使换水效率对应获得线性提升(见图11)。

图11 增加涵闸调度后平均水体更新率较现状提升情况Fig.11 Improvement of water update rate after the culverts participating in water resource regulation

4 结论与建议

4.1 结 论

本文基于对崇明岛河网调水现状情况的收集,梳理了当地水体调度面临的主要问题,包括河口规模未按规划实施到位、排水通道空间分布不均、部分小涵闸功能未充分利用。针对现状短板,比较了几种水资源调度优化工程措施的实施效果。

(1) 根据崇明岛河网规划对现状区管河道进行疏拓能够对河道自身及周边一定范围内支级河道的水质进行改善,但对整治区域以外的河道水质提升作用不明显。工程实施对象可优先选择南部现有引水闸门、北部无排水闸门的河道。

(2) 将北湖纳入岛引排调度后,北湖南侧区域河网换水效率能够得到显著改善,更新区域内水体耗时较现状缩短约2～3 d。

(3) 将部分崇明岛现有可用沿江涵闸纳入河网整体水资源调度后,岛内河网换水效率得到有效提高,但随着纳入引调水的涵闸数量增加、规模扩大,水体更新率无法对应获得线性提升。

(4) 综合一维河网数学模型模拟计算成果,本研究设定的几种水资源调度工程优化方案均能够有效提升崇明岛局部区域河网水动力,改善区域水环境,相关措施具有有效性,对崇明岛总体生态环境达标建设具有较高的参考价值。

4.2 建 议

(1) 可在现有水利工程设施基础上开展现状涵闸加入引排调度,作为近期提升河网水动力水质手段。河道疏拓可结合崇明河网规划,远期逐步开展实施。

(2) 若将北湖作为崇明河网北排通道,需同时考虑维持湖区内盐度稳定的相关措施,避免湖区盐度失衡造成的生态影响,并进一步评估崇明河网水体进入湖区后对当地水生态环境的影响。

(3) 考虑到工程实施的优先级,建议综合考虑现有河道规模、涵闸位置分布、河道状态、周边区域水质,对拟实施的河道疏拓、涵闸扩建工程进行优先度排序,提升工程实施的效费比。