周波

摘要： 運用MIKE11構(gòu)建水量水質(zhì)耦合模型，模擬現(xiàn)狀河網(wǎng)和增加航塘港閘后的河網(wǎng)。首先模擬引清調(diào)水中水質(zhì)代表點的污染物濃度變化過程，研究航塘港水閘對周邊鎮(zhèn)區(qū)河道水質(zhì)的改善作用，然后模擬莫拉克臺風(fēng)以及50年一遇暴雨期的水位變化過程，分析航塘港水閘的防汛排澇作用。研究成果能為航塘港水閘建設(shè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 水文模型 水閘 引清調(diào)水防汛排澇

1 前言

奉賢區(qū)位于上海市南部，地處黃浦江以南、杭州灣以北，兩面瀕水，東與浦東相鄰，西與松江、金山接壤，全區(qū)面積約720Km2。區(qū)域內(nèi)市、區(qū)級骨干河道19條，鎮(zhèn)級河道260多條，河道面積為55.39 km2。

奉賢區(qū)水務(wù)局十三五規(guī)劃中，航塘港將延伸約3公里至杭州灣，并在該河出海口設(shè)置水閘。航塘港水閘的建設(shè)將對奉賢區(qū)的防汛以及調(diào)水產(chǎn)生作用，本文通過水文模型的模擬試對該作用進行分析，為航塘港水閘的建設(shè)提供參考依據(jù)。

2水利概況

奉賢區(qū)境內(nèi)共有12座水閘，其中沿江7座，全部分布在金匯港以西。沿海4座，金匯港以西2座（金匯港南閘、南竹港南閘），以東2座（南門港閘、中港閘）。西部邊界1座。規(guī)劃在金匯港以東地區(qū)新建1座沿海閘門。水閘分布見圖1。

3水文模型簡介

MIKE11是丹麥水力研究所研制的一維河網(wǎng)模擬軟件，軟件包括水動力模塊、降雨徑流模塊、對流擴散模塊、可控水工建筑物模塊、水質(zhì)實驗室模塊等，是進行河網(wǎng)水動力和環(huán)境狀態(tài)模擬的有力工具。

MIKE11軟件中的水動力模塊（HD）模擬河網(wǎng)水動力狀態(tài)。該模塊基于描述簡單明渠非恒定漸變流運動規(guī)律的圣維南方程組建立，包括反映動量守恒定律的運動方程和反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)性方程：

（1）

（2）

式（1）～（2）中，A為河道內(nèi)任意斷面的面積；Q為斷面流量；t、x分別為時間與位置的坐標；h為水位；g為重力加速度；q為旁側(cè)入流；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；為動量校正系數(shù)。模型采用6 點Abbott-Ionescu有限差分格式求解，在給定的邊界條件下推求近似結(jié)果。

降雨徑流模塊（RR）包含幾種模型，其中主要是NAM模型。該模型描述水文循環(huán)的地表過程，是概念性集總式模型，其將整個（子）流域視作一個整體單位，并考慮水文循環(huán)的各種物理過程，模型參數(shù)代表平均情況，率定目標是總水量平衡和徑流過程線形狀相似。NAM模型的結(jié)構(gòu)圖見圖2。

對流擴散模塊（AD）可模擬溶解態(tài)或懸浮物質(zhì)的對流擴散和一級降解過程。污染物質(zhì)在水中的濃度與自身降解、水流運動以及擴散有關(guān)，其控制方程采用物質(zhì)輸移的對流擴散方程：

（3）

式（3）中：C為某污染物的水質(zhì)濃度；A為斷面面積；Q為斷面流量；Ex為縱向擴散系數(shù)；K為生物降解系數(shù)；C2為外部匯入同種污染物的濃度；q為帶有該污染物的旁側(cè)入流量。該方程為偏微分方程，通過與水動力方程聯(lián)合進行求解。

模塊（SO）為可控制建筑物模型，可設(shè)置參數(shù)為水閘類型、閘寬、閘底高程、閘門開啟高度、河網(wǎng)中所在位置、調(diào)度原則等。新建水閘可在該模塊中進行設(shè)置。

4 模型構(gòu)建

利用上述模塊可構(gòu)建水量水質(zhì)耦合模型，根據(jù)實測資料對模型參數(shù)進行率定，使水位流量過程基本與實際吻合。假定某不可降解污染物質(zhì)在河網(wǎng)中的初始狀態(tài)和邊界狀態(tài)，擴散系數(shù)取經(jīng)驗值建立水質(zhì)模型。通過水量水質(zhì)模型耦合計算，能在一定程度上真實反映污染物質(zhì)在河網(wǎng)中的傳輸過程。

4.1水量模型

模型對浦東水利控制片區(qū)的河網(wǎng)進行了概化，其中河道斷面采用2011年水利普查數(shù)據(jù)。

模型邊界：西部邊界河道交換水量很少，故將西部邊界處理為閉邊界。沿江沿海邊界以實測或插補潮位為邊界。初始狀態(tài)：水位為2.5m，流量為0m3/s。

模型計算時段為2013年6月1日0：00至12月31日0：00，模型中HD模塊計算步長為5min，RR模塊計算步長為1hr。

4.2水質(zhì)模型

水質(zhì)邊界初始狀態(tài)：假定不可降解污染物A在黃浦江和杭州灣中的濃度為0mg/L，在河網(wǎng)中的濃度為2mg/L。

模型參數(shù)：市、區(qū)級河道擴散系數(shù)為20，其他河道擴散系數(shù)為10；降解系數(shù)為0。

耦合計算時段：2013年9月16日0：00至9月23日0：00。模型計算步長為5min。

因缺乏足夠的連續(xù)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，故水質(zhì)模型沒有進行率定。

5航塘港閘調(diào)水作用分析

5.1污染物對流擴散模擬

模型分別在現(xiàn)狀河網(wǎng)和規(guī)劃河網(wǎng)中進行水質(zhì)模擬。規(guī)劃河網(wǎng)是在現(xiàn)狀河網(wǎng)的基礎(chǔ)上延長航塘港并設(shè)置出海水閘。航塘港延長段總長約3.5Km，設(shè)定河寬30m，底高程0m，邊坡比1：1.5，航塘港水閘底高程為0m，閘門寬分別假定10m、12m、15m，水頭損失系數(shù)0.5。

模型分別在常規(guī)和非常規(guī)調(diào)水狀態(tài)下進行模擬。常規(guī)調(diào)水時，水閘每次運行時間約3小時，非常規(guī)6小時。本文中常規(guī)調(diào)水狀態(tài)為：沿江沿海水閘常規(guī)運行，每日引排1潮次。非常規(guī)調(diào)水狀態(tài)為：沿江水閘常規(guī)引水每日2潮次，金南閘常規(guī)排水每日1潮次，其余沿海水閘非常規(guī)排水，每日2潮次。

模型對水質(zhì)代表點進行模擬，代表點選取鎮(zhèn)內(nèi)河道，為錢橋社區(qū)的錢塘港、塘外社區(qū)的航塘港和奉城鎮(zhèn)的城河。

圖4 水質(zhì)代表點所在位置

5.2航塘港水閘的作用分析

假設(shè)片區(qū)內(nèi)某污染物濃度初始值為2mg/L，模擬引清調(diào)水7天后得到的污染物濃度變化數(shù)據(jù)如下表1。

對代表點的污染物濃度值進行分析，可研究航塘港閘對周邊城鎮(zhèn)水質(zhì)的改善作用。比較現(xiàn)狀河網(wǎng)與規(guī)劃河網(wǎng)的模擬數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果：

（1）常規(guī)調(diào)水時，航塘港閘寬10m時只對塘外水質(zhì)有影響，但影響很小。當閘寬12m和15m時，對3個代表點水質(zhì)都有影響，影響程度基本相同，分別為：0.7%（錢橋）、1.5%（塘外）、1.5%（奉城）?？梢娦陆ê教粮鬯l后，在常規(guī)調(diào)水時對附近鎮(zhèn)區(qū)河道水質(zhì)的改善作用較小。endprint

（2）非常規(guī)調(diào)水時，航塘港水閘對3個代表點水質(zhì)都有影響。閘寬10m時，影響程度為：0.9%（錢橋）、12.3%（塘外）、3.7%（奉城）。閘寬12m和15m的影響基本相同，分別為：0.9%（錢橋）、12.8%（塘外）、4.0%（奉城）。可見新建航塘港水閘后，非常規(guī)調(diào)水對塘外鎮(zhèn)河道水質(zhì)改善作用明顯，對奉城鎮(zhèn)水質(zhì)有一定改善，對錢橋鎮(zhèn)水質(zhì)改善較小。

（3）航塘港閘對河道水質(zhì)的改善作用隨距離增加而減少。經(jīng)過比較，無論常規(guī)還是非常規(guī)調(diào)水，航塘港閘寬12m的經(jīng)濟效用最佳。

6 防汛排澇作用分析

6.1 菲特臺風(fēng)水情模擬

2013年10月6日，臺風(fēng)“菲特”登陸，奉賢地區(qū)受此影響開始降雨。6日至8日，三天累積雨量達到194.6mm。為了防澇，南橋水位先緊急降到2.29m，之后水位持續(xù)上漲至降雨結(jié)束，8日水位達到最高3.55m。主降雨期，沿江水閘由于黃浦江潮位較高無法排水，只能依靠沿海水閘排水。

模型分別對現(xiàn)狀河網(wǎng)和規(guī)劃河網(wǎng)的內(nèi)河水位進行模擬，規(guī)劃河網(wǎng)中航塘港水閘閘寬設(shè)定為12m。模擬期：2013年10月1日至10月10日，包括了菲特臺風(fēng)。各水位代表點模擬數(shù)據(jù)如下表2，水位代表點位置同水質(zhì)代表點。

菲特臺風(fēng)降雨峰值出現(xiàn)在8日4：00～10：00，期間沿海水閘排水1潮次，6小時內(nèi)降雨119mm，查圖6，頻率為11%（9年一遇）。

6.2 50年一遇暴雨水情模擬

查圖6，50年一遇6小時最大降雨178mm。將菲特臺風(fēng)主降雨期各時段的雨量同比例放大1.5倍，即從119mm放大到178mm。在其它因素條件不變的情況下進行模擬，得到各代表點的模擬水位值，見表3。

表350年一遇暴雨期間各代表點模擬的最高水位表單位：m

6.3 航塘港水閘的作用分析

奉賢區(qū)降雨量無論接近十年一遇還是五十年一遇，新建航塘港水閘后能對塘外鎮(zhèn)的最高水位消減4～5公分，防汛排澇作用明顯。對距離稍遠的錢橋和奉城鎮(zhèn)的最高水位只能消減2公分左右，排澇作用不是很大，對更遠的南橋鎮(zhèn)的最高水位消減作用幾乎為零。

7 結(jié)論

通過水量水質(zhì)耦合模型的模擬，規(guī)劃的航塘港水閘對周邊鎮(zhèn)區(qū)的水質(zhì)改善和防汛排澇都有一定作用。在引清調(diào)水時，水閘運行時間越長，頻次越高，對水質(zhì)改善的作用越明顯。在常規(guī)調(diào)水時，航塘港閘對河道水質(zhì)的改善作用并不明顯，非常規(guī)調(diào)水時對距離最近的塘外鎮(zhèn)河道水質(zhì)改善作用明顯，次之是奉城鎮(zhèn)，對最遠的錢橋鎮(zhèn)水質(zhì)改善作用很小。經(jīng)比較后，無論常規(guī)還是非常規(guī)調(diào)水，航塘港閘寬定為12m比較合適。

在確定航塘港閘寬后，經(jīng)模型模擬，降雨量無論接近十年一遇還是五十年一遇，航塘港閘對塘外鎮(zhèn)的最高水位能消減4到5公分，防汛作用較大，對距離稍遠的錢橋和奉城鎮(zhèn)的最高水位只能消減2公分左右，防汛作用并很大，對更遠的南橋鎮(zhèn)防汛作用幾乎為零。

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