上海市瀝青城區(qū)西北片河網(wǎng)引清調(diào)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(jié)合部,居住大量外來務(wù)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(fù)荷的河道水質(zhì)更加惡化,導(dǎo)致河道黑臭現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。根據(jù)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及與其相配套的水利設(shè)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(dāng)前條件下,只有通過引清調(diào)水將上達(dá)河內(nèi)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(shí)現(xiàn)。青浦城區(qū)西北片的引清調(diào)水屬于小尺度范圍內(nèi)的河網(wǎng)水質(zhì)調(diào)節(jié)問題。對于該類問題可采用實(shí)體模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真來研究。相對于實(shí)體模型試驗(yàn)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(yùn)動和污染物遷移預(yù)測,具有周期短和投資少的優(yōu)勢。鑒于此,在引清調(diào)水研究中,文獻(xiàn)構(gòu)建起模擬上海青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)內(nèi)水流運(yùn)動和污染物遷移的二維數(shù)學(xué)模型,并采用兩種不同的實(shí)際調(diào)水工況(先排后引和邊引邊排)對所建模型進(jìn)行了驗(yàn)證;文獻(xiàn)利用經(jīng)過實(shí)際調(diào)水過程驗(yàn)證的二維數(shù)學(xué)模型,對青浦城區(qū)西北片河網(wǎng)的9種調(diào)水工況(6種邊引邊排和3種先排后引)進(jìn)行了數(shù)值仿真,并通過對比分析每種工況的模擬調(diào)水效果,提出了優(yōu)化的調(diào)水方案。在文獻(xiàn)和的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步研究青浦城區(qū)西北片的河網(wǎng)調(diào)水問題,重點(diǎn)確定不同季節(jié)下的河網(wǎng)調(diào)水頻率,以及對河網(wǎng)內(nèi)水體在現(xiàn)有水利設(shè)施條件下的流動自凈功能進(jìn)行模擬分析,以期為科學(xué)調(diào)水和新的水利設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)支撐。1溶解氧濃度影響基于調(diào)水效果和調(diào)水經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮,科學(xué)確定調(diào)水頻率具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。一般而言,對于河網(wǎng)河道中的水體,其溶解氧指標(biāo)是判定調(diào)水與否的重要依據(jù)。當(dāng)溶解氧濃度在4.0mg/L以下時(shí)即應(yīng)調(diào)水,若容許降低水質(zhì)要求,但溶解氧濃度小于2.0mg/L時(shí)必須進(jìn)行調(diào)水。上海市青浦區(qū)水利技術(shù)推廣站在2005年的不同季節(jié)調(diào)水時(shí)實(shí)測了不同采樣點(diǎn)的水體水質(zhì),本研究即通過分析不同季節(jié)河道水體溶解氧濃度隨時(shí)間變化的實(shí)測數(shù)據(jù)來確定不同季節(jié)的調(diào)水頻率?？紤]到張倪家浜河道中水體污染嚴(yán)重,且張倪家浜河道兩側(cè)人口稠密,因此確定調(diào)水頻率時(shí)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(dá)家等4.0m以2005年2月3日至5日的西北片調(diào)水試驗(yàn)的水質(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),來確定冬季調(diào)水頻率。本次調(diào)水中,3日上午9:00西北片河網(wǎng)所有閘門關(guān)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(diǎn)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(diào)水的臨界溶解氧濃度大小,設(shè)每次調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜水體的溶解氧指標(biāo)為4.5mg/L,則兩次調(diào)水間隔小于12h,即每天都應(yīng)調(diào)水;若以溶解氧濃度≤2.0mg/L作為臨界調(diào)水條件,則調(diào)水間隔可定為57h(即可考慮隔兩天調(diào)水)。1.2夏季張達(dá)平段的溶解氧測定以2005年6月7日至9日的西北片調(diào)水試驗(yàn)的水質(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),來確定夏季調(diào)水頻率。本次調(diào)水過程中,7日上午9:15西北片河網(wǎng)所有閘門關(guān)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(diǎn)的溶解氧指標(biāo)。從表2可以看出,張倪家浜河道水體的水質(zhì)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(dá)到1.55mg/(L·d)。顯然,如果以4.0mg/L作為調(diào)水的臨界溶解氧濃度大小,設(shè)每次調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜水體的溶解氧指標(biāo)為4.5mg/L,則兩次調(diào)水間隔小于8h,即每天都應(yīng)調(diào)水;若以溶解氧濃度≤2.0mg/L作為臨界調(diào)水條件,則調(diào)水間隔可定為39h(即可考慮隔一天調(diào)水)。1.3采樣點(diǎn)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(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),來確定秋季的調(diào)水頻率。在本次水質(zhì)分析過程中,22日上午9:00西北片河網(wǎng)所有閘門關(guān)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(diǎn)的溶解氧指標(biāo)。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(dāng)。顯然與冬季情況類似,如果以4.0mg/L作為調(diào)水的臨界溶解氧濃度大小,設(shè)每次調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜水體的溶解氧指標(biāo)為4.5mg/L,則兩次調(diào)水間隔小于12h,即每天都應(yīng)調(diào)水;若以溶解氧濃度2.0mg/L作為臨界調(diào)水條件,則調(diào)水間隔可定為57h(即可考慮隔兩天調(diào)水)。1.4采樣點(diǎn)的溶解氧指標(biāo)以2005年4月6日至8日的西北片河網(wǎng)水質(zhì)分析結(jié)果為依據(jù),來確定春季的調(diào)水頻率。在本次水質(zhì)采樣分析中,6日上午9:15西北片河網(wǎng)所有閘門關(guān)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(diǎn)的溶解氧指標(biāo)。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(diào)水的臨界溶解氧濃度大小,設(shè)每次調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜水體的溶解氧指標(biāo)為4.5mg/L,則兩次調(diào)水間隔小于12h,即每天都應(yīng)調(diào)水;若以溶解氧濃度2.0mg/L作為臨界調(diào)水條件,則調(diào)水間隔可定為52h(隔兩天調(diào)一次水)。2河網(wǎng)內(nèi)的水流速度場為了分析河網(wǎng)內(nèi)水體在現(xiàn)有水利工程設(shè)施下的流動自凈能力,基于通過實(shí)際調(diào)水過程驗(yàn)證的數(shù)學(xué)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(nèi)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(cè)在關(guān)閉閘和壩的同時(shí),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(guān)閘開泵(兩水泵總流量為2×1.2m3/s)向內(nèi)引水,老西大盈南口門敞開放水(其它所有口門關(guān)閉);工況3老西大盈北口關(guān)閘開泵向內(nèi)引水,庵浜河口門敞開放水(其它所有口門關(guān)閉);工況4老西大盈北口關(guān)閘開泵向內(nèi)引水,張倪家浜口門敞開放水(其它所有口門關(guān)閉);工況5老西大盈北口開閘引水,南側(cè)在關(guān)閉閘和壩的同時(shí),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(cè)在關(guān)閉閘和壩的同時(shí),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(nèi)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(nèi)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(nèi)。對于特定的河道斷面,在過水流量一定時(shí),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(shè)施下的潛在流動自凈能力,在保持內(nèi)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(nèi)河引水,南側(cè)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(jì)算出的水流速度場,此時(shí)河網(wǎng)中的最大速度僅在張倪家浜的很短河段內(nèi)達(dá)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(shè)施條件下,由于水流速度很小,難以實(shí)現(xiàn)水體的流動自凈。必須進(jìn)行新的水利設(shè)施建設(shè)(如配置新的高流量水泵等)才有可能實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)的流動自凈功能。當(dāng)務(wù)之急是打通留水河,將相對干凈的外河水體通過留水河導(dǎo)入盈湖三島水域,以帶動調(diào)水過程中該區(qū)域水體的流動,或直接稀釋該區(qū)域內(nèi)的污染水體。3實(shí)際洪水過程驗(yàn)證通過分析河道水體溶解氧濃度隨時(shí)間變化的實(shí)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(diào)水頻率:在自然狀況下,張倪家浜河道內(nèi)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(dá)1.55mg/(L·d)。在已知某次調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜河道水體的溶解氧濃度時(shí),由溶解氧濃度下降率就可以計(jì)算出下次需要調(diào)水的開始時(shí)刻。設(shè)調(diào)水結(jié)束時(shí)張倪家浜河道水體的溶解氧濃度為4.5mg/L,當(dāng)臨界調(diào)水溶解氧濃度取常規(guī)的4.0mg/L時(shí),則兩次調(diào)水之間的時(shí)間間隔(Δt)為Δt≤12h(春、秋、冬季)和Δt≤8h(夏季),即需要每天都調(diào)水;考慮降低水質(zhì)要求,當(dāng)臨界調(diào)水的溶解氧濃度為2.0mg/L時(shí),則兩次調(diào)水之間的時(shí)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(diào)一次水,而夏季考慮隔一天調(diào)水。采用經(jīng)過實(shí)際調(diào)水過程驗(yàn)證的數(shù)