上海市瀝青城區(qū)西北片河網(wǎng)引清調水頻率研究

上海市瀝青城區(qū)西北片河網(wǎng)引清調水頻率研究

青浦地區(qū)西北部位于青浦市西北部。北與上梁河相連，東與東陽港相連，西與老西港相連，南與環(huán)河相連（圖1），總面積2.27公里2公頃，人口3萬。該區(qū)域的部分地段屬城鄉(xiāng)結合部,居住大量外來務工人員,由于居住條件較差,其生活用水直接排入河道,使本已不堪負荷的河道水質更加惡化,導致河道黑臭現(xiàn)象時有發(fā)生。根據(jù)河網(wǎng)結構以及與其相配套的水利設施狀況,為了消除青浦城區(qū)西北片河道中的黑臭現(xiàn)象,在當前條件下,只有通過引清調水將上達河內相對干凈的水體引入到河網(wǎng)來稀釋或置換高污染水體才能實現(xiàn)。青浦城區(qū)西北片的引清調水屬于小尺度范圍內的河網(wǎng)水質調節(jié)問題。對于該類問題可采用實體模型試驗和數(shù)值仿真來研究。相對于實體模型試驗而言,數(shù)值仿真不受縮尺變態(tài)的影響,對于河網(wǎng)中不同邊界條件下的水流運動和污染物遷移預測,具有周期短和投資少的優(yōu)勢。鑒于此,在引清調水研究中,文獻構建起模擬上海青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)內水流運動和污染物遷移的二維數(shù)學模型,并采用兩種不同的實際調水工況(先排后引和邊引邊排)對所建模型進行了驗證;文獻利用經(jīng)過實際調水過程驗證的二維數(shù)學模型,對青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)的9種調水工況(6種邊引邊排和3種先排后引)進行了數(shù)值仿真,并通過對比分析每種工況的模擬調水效果,提出了優(yōu)化的調水方案。在文獻和的基礎上,本文進一步研究青浦城區(qū)西北片的河網(wǎng)調水問題,重點確定不同季節(jié)下的河網(wǎng)調水頻率,以及對河網(wǎng)內水體在現(xiàn)有水利設施條件下的流動自凈功能進行模擬分析,以期為科學調水和新的水利設施建設提供技術支撐。1溶解氧濃度影響基于調水效果和調水經(jīng)濟性兩方面考慮,科學確定調水頻率具有重要的工程應用價值。一般而言,對于河網(wǎng)河道中的水體,其溶解氧指標是判定調水與否的重要依據(jù)。當溶解氧濃度在4.0mg/L以下時即應調水,若容許降低水質要求,但溶解氧濃度小于2.0mg/L時必須進行調水。上海市青浦區(qū)水利技術推廣站在2005年的不同季節(jié)調水時實測了不同采樣點的水體水質,本研究即通過分析不同季節(jié)河道水體溶解氧濃度隨時間變化的實測數(shù)據(jù)來確定不同季節(jié)的調水頻率。考慮到張倪家浜河道中水體污染嚴重,且張倪家浜河道兩側人口稠密,因此確定調水頻率時以張倪家浜河道水體中的溶解氧濃度變化為依據(jù)。1.1張達家等4.0m以2005年2月3日至5日的西北片調水試驗的水質分析結果為依據(jù),來確定冬季調水頻率。本次調水中,3日上午9:00西北片河網(wǎng)所有閘門關閉,然后開始采第一次水樣(9:40),5日上午9:00采第二次水樣,9:00后打開閘門引水。表1為冬季張倪家浜河道水體采樣點的溶解氧濃度變化。從該表可以看出,張倪家浜河道水體的溶解氧濃度下降率為1.05mg/(L·d)。顯然,如果以4.0mg/L作為調水的臨界溶解氧濃度大小,設每次調水結束時張倪家浜水體的溶解氧指標為4.5mg/L,則兩次調水間隔小于12h,即每天都應調水;若以溶解氧濃度≤2.0mg/L作為臨界調水條件,則調水間隔可定為57h(即可考慮隔兩天調水)。1.2夏季張達平段的溶解氧測定以2005年6月7日至9日的西北片調水試驗的水質分析結果為依據(jù),來確定夏季調水頻率。本次調水過程中,7日上午9:15西北片河網(wǎng)所有閘門關閉后采第一次水樣,9日上午9:05采第二次水樣。表2為夏季張倪家浜河道水體采樣點的溶解氧指標。從表2可以看出,張倪家浜河道水體的水質劣化在夏季要比在冬季快,在夏季其溶解氧濃度的下降率達到1.55mg/(L·d)。顯然,如果以4.0mg/L作為調水的臨界溶解氧濃度大小,設每次調水結束時張倪家浜水體的溶解氧指標為4.5mg/L,則兩次調水間隔小于8h,即每天都應調水;若以溶解氧濃度≤2.0mg/L作為臨界調水條件,則調水間隔可定為39h(即可考慮隔一天調水)。1.3采樣點的溶解氧測定以2005年9月22日至24日的西北片河網(wǎng)水質分析結果為依據(jù),來確定秋季的調水頻率。在本次水質分析過程中,22日上午9:00西北片河網(wǎng)所有閘門關閉后開始采第一次水樣,23日上午9:05開始采第二次水樣,24日上午10:00開始采第三次水樣。表3為秋季張倪家浜河道水體采樣點的溶解氧指標。該表顯示,張倪家浜河道水體的溶解氧濃度下降率為1.05mg/(L·d),與冬季的下降率相當。顯然與冬季情況類似,如果以4.0mg/L作為調水的臨界溶解氧濃度大小,設每次調水結束時張倪家浜水體的溶解氧指標為4.5mg/L,則兩次調水間隔小于12h,即每天都應調水;若以溶解氧濃度2.0mg/L作為臨界調水條件,則調水間隔可定為57h(即可考慮隔兩天調水)。1.4采樣點的溶解氧指標以2005年4月6日至8日的西北片河網(wǎng)水質分析結果為依據(jù),來確定春季的調水頻率。在本次水質采樣分析中,6日上午9:15西北片河網(wǎng)所有閘門關閉后采第一次水樣,8日上午9:05開始采第二次水樣。表4為春季張倪家浜河道水體采樣點的溶解氧指標。該表顯示,張倪家浜河道水體的溶解氧濃度下降率為1.10mg/(L·d)。如果以4.0mg/L作為調水的臨界溶解氧濃度大小,設每次調水結束時張倪家浜水體的溶解氧指標為4.5mg/L,則兩次調水間隔小于12h,即每天都應調水;若以溶解氧濃度2.0mg/L作為臨界調水條件,則調水間隔可定為52h(隔兩天調一次水)。2河網(wǎng)內的水流速度場為了分析河網(wǎng)內水體在現(xiàn)有水利工程設施下的流動自凈能力,基于通過實際調水過程驗證的數(shù)學模型和河道斷面形狀尺寸,模擬分析不同邊引邊排工況下的河網(wǎng)內水流速度場分布。首先在正常水位下(取水位為2.55m),模擬下述6種邊引邊排工況:工況1老西大盈北口開閘引水,南側在關閉閘和壩的同時,開啟老西大盈南口和張倪家浜處的兩水泵(兩水泵排水流量為2×1.0m3/s)向外排水;工況2老西大盈北口關閘開泵(兩水泵總流量為2×1.2m3/s)向內引水,老西大盈南口門敞開放水(其它所有口門關閉);工況3老西大盈北口關閘開泵向內引水,庵浜河口門敞開放水(其它所有口門關閉);工況4老西大盈北口關閘開泵向內引水,張倪家浜口門敞開放水(其它所有口門關閉);工況5老西大盈北口開閘引水,南側在關閉閘和壩的同時,開啟張倪家浜處的水泵(水泵排水流量為1.0m3/s)向外排水;工況6老西大盈北口開閘引水,南側在關閉閘和壩的同時,開啟老西大盈南口的水泵(水泵排水流量為1.0m3/s)向外排水。通過數(shù)值模擬,得到每種工況下河網(wǎng)內的水流速度場分布,見圖2～圖7所示。從中可以明顯看到流動分離、旋渦等流動的非線性特征。從速度場分布中還可以看出,各工況下河網(wǎng)內水流速度都很小,特別是庫容很大的盈湖三島區(qū)域,其在各種邊引邊排工況中幾乎是死水區(qū)。表5給出模擬得到的各工況下流場中的最大水流速度大小。從該表可以看出,最大水流速度也僅為0.213m/s,其出現(xiàn)在工況4中張倪家浜河道的很小區(qū)域范圍內。對于特定的河道斷面,在過水流量一定時,水位越低斷面的水流速度越大。因此,為分析西北片河網(wǎng)水體在現(xiàn)有水利設施下的潛在流動自凈能力,在保持內河水位為2.1m的前提下(由于青浦城區(qū)西北片為老城區(qū),張倪家浜等河道周圍為老式建筑物,考慮到周圍建筑物的安全,為防止建筑物裂縫的產(chǎn)生,水位不宜低于2.1m),模擬老西大盈北口閘門開啟向內河引水,南側兩水泵向外河排水(排水流量為2.0m3/s)的情景(工況7)。圖8為所計算出的水流速度場,此時河網(wǎng)中的最大速度僅在張倪家浜的很短河段內達到0.114m/s,且盈湖三島區(qū)域也近似為死水區(qū)。從上述7種工況的速度場分布可以看出,青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)在目前的水利設施條件下,由于水流速度很小,難以實現(xiàn)水體的流動自凈。必須進行新的水利設施建設(如配置新的高流量水泵等)才有可能實現(xiàn)河網(wǎng)的流動自凈功能。當務之急是打通留水河,將相對干凈的外河水體通過留水河導入盈湖三島水域,以帶動調水過程中該區(qū)域水體的流動,或直接稀釋該區(qū)域內的污染水體。3實際洪水過程驗證通過分析河道水體溶解氧濃度隨時間變化的實測數(shù)據(jù),得出了上海青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)在不同季節(jié)下的引清調水頻率:在自然狀況下,張倪家浜河道內的水體溶解氧濃度在冬季和秋季的下降率為1.05mg/(L·d),春季為1.10mg/(L·d),而在夏季則高達1.55mg/(L·d)。在已知某次調水結束時張倪家浜河道水體的溶解氧濃度時,由溶解氧濃度下降率就可以計算出下次需要調水的開始時刻。設調水結束時張倪家浜河道水體的溶解氧濃度為4.5mg/L,當臨界調水溶解氧濃度取常規(guī)的4.0mg/L時,則兩次調水之間的時間間隔(Δt)為Δt≤12h(春、秋、冬季)和Δt≤8h(夏季),即需要每天都調水;考慮降低水質要求,當臨界調水的溶解氧濃度為2.0mg/L時,則兩次調水之間的時間間隔為Δt≤52～57h(春、秋、冬季)和Δt≤39h(夏季),即春、秋、冬季隔兩天調一次水,而夏季考慮隔一天調水。采用經(jīng)過實際調水過程驗證的數(shù)