基于M IKE模型的環(huán)湖閘壩攔截污染物質(zhì)效果研究

李慧杰，呂永鵬，張 格，莫祖瀾

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；2.上海城市排水系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海市200092）

0 引 言

由于近年來環(huán)境的不斷惡化，使得城市河道水環(huán)境治理期間存在越來越多的問題，不僅對(duì)城市建設(shè)形成了很大制約，也嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量[1]。目前常用的水環(huán)境整治技術(shù)主要有控源截污技術(shù)、內(nèi)源治理技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)以及補(bǔ)水循環(huán)、就地處理及旁路治理等技術(shù)[2]。在技術(shù)選取過程中，應(yīng)考慮到城市河湖景觀水體是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，影響景觀水感官的因素包括物理因素（懸浮物）、藻類因素（藍(lán)綠藻）、微生物因素（腐敗菌）、化學(xué)因素（溶氧、富營養(yǎng)物質(zhì)）[3],單靠傳統(tǒng)單一的技術(shù)處理是不能完全解決的，而是要采用綜合技術(shù)手段[4]。本文結(jié)合上海市臨港主城區(qū)水體特點(diǎn)，在分析現(xiàn)狀污染物入湖途徑的基礎(chǔ)上，利用MIKE模型，模擬采用工程手段削減入湖污染物的方法，結(jié)合其他水環(huán)境改善措施，形成總體污染物控制技術(shù)方案。

1 環(huán)湖閘壩設(shè)計(jì)方案

上海臨港主城區(qū)水系形成相對(duì)獨(dú)立的圩區(qū)，規(guī)劃建設(shè)“一湖七射四漣”的水系網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出“滴水漣漪”的獨(dú)特城市風(fēng)貌?，F(xiàn)有水系是自然長期演變加人工改造的結(jié)果，部分河道已按規(guī)劃實(shí)施,主城區(qū)內(nèi)河水位可以通過已建排海閘進(jìn)行人工調(diào)控，根據(jù)《臨港主城區(qū)水系專業(yè)規(guī)劃》，主城區(qū)內(nèi)正常水位控制在2.5~2.7m；預(yù)降水位為2.2m；除澇最高控制水位為3.3m。擬通過在射河入口處沿湖設(shè)置環(huán)湖閘，以達(dá)到目標(biāo)90%污染控制要求，閘門沿湖布設(shè)位置見圖1。閘門面對(duì)不同的工況以采取不同的啟閉狀態(tài)，以阻止降雨時(shí)大量污染物質(zhì)入湖。

圖1 滴水湖環(huán)湖閘壩示意圖

現(xiàn)將環(huán)湖閘壩運(yùn)行方案詳述如下：

（1）平時(shí)工況：平時(shí)閘壩打開，河道水經(jīng)過濕地凈化進(jìn)入滴水湖。

（2）中小雨工況：雨前，閘壩升起，有必要時(shí)預(yù)降河道水位，但不需降滴水湖水位，保留水質(zhì)較好的水。徑流使河道水位升高，但不超過閘壩，河道水質(zhì)變差，滴水湖中無徑流進(jìn)入，因此滴水湖水質(zhì)不受影響。雨后，通過排海閘排出河道中水質(zhì)較差的水，降下閘壩，滴水湖與河道恢復(fù)溝通。

（3）雨季、暴雨工況：雨前，閘壩升起，首先將河道水位降至預(yù)降水位，再按需降低滴水湖水位至預(yù)降水位與常水位之間，盡可能保留滴水湖水質(zhì)較好的水。降雨前期，河道水位升高，但未達(dá)到閘壩高度河道水質(zhì)變差，滴水湖水質(zhì)不變。隨著降雨繼續(xù)進(jìn)行，河道水位升高至壩頂，并溢流進(jìn)入滴水湖，滴水湖與河道水位一同升高，一般不超過控制高水位，滴水湖水質(zhì)變差，但變差程度明顯低于河道。雨后，控制河道中水質(zhì)較差的水通過排海閘優(yōu)先排海；滴水湖水位與壩頂高程相同，河道水位低于壩。打開閘壩，滴水湖與河道恢復(fù)水體交換。河道與滴水湖水均經(jīng)過濕地循環(huán)凈化，水質(zhì)逐漸恢復(fù)。

為證明此方案可行，現(xiàn)分別模擬中小雨工況（年徑流總量控制率80%和95%分別對(duì)應(yīng)的降雨量26.78 mm和59.3 mm）和暴雨工況（百年一遇降雨279.1 mm）下，當(dāng)河道預(yù)降水位為2.2 m時(shí)，河道水位的變化過程，通過數(shù)據(jù)分析得到滴水湖環(huán)湖閘壩的適宜高度。

2 滴水湖水質(zhì)模型建立

2.1 研究方法概述

主要采用DHI公司的水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件MIKE中的水動(dòng)力模塊和水質(zhì)模塊模擬水體中的水流運(yùn)動(dòng)和生物、化學(xué)、物理反應(yīng)，利用MIKE中的結(jié)構(gòu)物模擬泵閘運(yùn)行，模擬泵閘開啟后，水體流動(dòng)以及水體中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的變化。本研究中用到的數(shù)值模擬手段包括水流模擬數(shù)學(xué)模型、對(duì)流擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型、水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)模型，幾個(gè)模型之間既相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。

2.2 模型范圍

滴水湖地形采用實(shí)測(cè)地形，漣河和射河采用設(shè)計(jì)河道斷面。概化后的滴水湖規(guī)劃水系見圖2，網(wǎng)格尺寸10~50m（見圖3），能夠細(xì)致刻畫滴水湖及其漣河射河河道形態(tài)，保證計(jì)算精度。

圖2 滴水湖水系概化

2.3 參數(shù)選取

（1）糙率系數(shù)

二維模型中糙率系數(shù)通過模型的率定與驗(yàn)證來確定，并參照一定的經(jīng)驗(yàn)，取值范圍為0.014～0.016。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

（2）渦粘系數(shù)

根據(jù)Smagorinsky公式確定

式中：U，V為x，y方向垂線平均流速；Δ 為網(wǎng)格間距；Cs為計(jì)算參數(shù)，一般取0.25＜Cs＜1.0。

（3）水質(zhì)參數(shù)選?。ㄒ姳?）

（4）動(dòng)邊界處理

為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用“干濕判別”來確定計(jì)算區(qū)域由于水位漲落產(chǎn)生的動(dòng)邊界。當(dāng)計(jì)算區(qū)域水深小于0.005m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“干”，不參加計(jì)算；當(dāng)水深大于0.01m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“濕”，重新參加計(jì)算。

（5）計(jì)算時(shí)間步長及初始水位

模型采用的計(jì)算時(shí)間步長Δt=5s，滿足模型計(jì)算準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求。

2.4 計(jì)算條件

2.4.1 水文條件

日常調(diào)度中，滴水湖水系均采用常水位2.6m，水文氣象數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)資料，平均風(fēng)速3m/s。其中，外海潮位選用2016年5月蘆潮港潮位過程。

2.4.2 外源污染物負(fù)荷

在水質(zhì)模擬中，外源污染物是一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)，參考《上海臨港地區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.4.3 排海閘調(diào)度規(guī)則

（1）平時(shí)工況：當(dāng)潮位高于河道水位時(shí)，排海閘關(guān)閉；防治海水倒灌，當(dāng)潮位低于河道水位時(shí)，排海閘開啟。

（2）有雨工況：當(dāng)潮位高于河道水位時(shí)，排海閘關(guān)閉；降雨結(jié)束且潮位低于河道水位時(shí)，排海閘開啟。

表1 水質(zhì)參數(shù)

2.5 參數(shù)驗(yàn)證與率定

2.5.1 水力模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

選擇流域?qū)嶋H發(fā)生較大洪水、洪水發(fā)生時(shí)間較近、降雨情況較為典型、實(shí)測(cè)資料較完整的作為參證洪水。選擇“20120617”降雨作為參證洪水進(jìn)行模型參數(shù)率定，選用“20160915”降雨作為驗(yàn)證計(jì)算。

（1）“20120617”場(chǎng)次降雨模型率定

2012年6月17日~6月18日降雨，24 h最大降雨量174.4mm，最大1小時(shí)降雨量為27.5mm。對(duì)2012年6月17日至18日的降雨過程進(jìn)行模擬，計(jì)算得到臨港主城區(qū)最高水位為2.95m，實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)最高水位為2.89m，對(duì)應(yīng)各個(gè)時(shí)段的實(shí)測(cè)和計(jì)算水位過程線見圖4。

圖4 “20120617”驗(yàn)證計(jì)算滴水湖水位過程線

（2）“20160915”場(chǎng)次降雨模型驗(yàn)證

2016年9月15日~9月16日降雨，最大24 h總降雨量268.5mm，最大1 h降雨量為58mm。計(jì)算得到臨港主城區(qū)最高水位為3.28m，實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)最高水位為3.23m，對(duì)應(yīng)各個(gè)時(shí)段的實(shí)測(cè)和計(jì)算水位過程線見圖5。

圖5 “20160915”驗(yàn)證計(jì)算滴水湖水位過程線

從上述驗(yàn)證計(jì)算的成果可見，采用經(jīng)參數(shù)率定后的模型進(jìn)行洪流演進(jìn)計(jì)算，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，綜合反映了本次建立的水利計(jì)算模型及率定的參數(shù)是合理的。

2.5.2 水質(zhì)模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

選取兩個(gè)月的水質(zhì)資料，其中一個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于參數(shù)率定，另外一個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于參數(shù)驗(yàn)證，然后與參證水質(zhì)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，得出計(jì)算參數(shù)的調(diào)整值，調(diào)整計(jì)算參數(shù)后再重新計(jì)算，直至計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差在計(jì)算精度要求范圍之內(nèi)。

（1）“201611”水質(zhì)模型率定

臨港新城蘆潮港站11月15日前10日中4天有降雨，其中7日14.0mm，8日0.5mm，12日2.0mm，13日1.5mm。

2016年11月，滴水湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)屬Ⅳ類，其中總磷和總氮均屬Ⅳ類。2016年11月份滴水湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是49.8，屬于中營養(yǎng)程度。射河、漣河中24個(gè)斷面綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ～劣Ⅴ類，其中外漣河臨港大道斷面屬劣Ⅴ類，其余斷面屬Ⅲ～Ⅳ類。主要影響項(xiàng)目為溶解氧和氨氮。從圖6可以看出，經(jīng)參數(shù)率定后的模型進(jìn)行水質(zhì)計(jì)算的計(jì)算值與各斷面實(shí)測(cè)水質(zhì)誤差在20%以內(nèi)，基本吻合，需通過對(duì)另外一月的水質(zhì)計(jì)算對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 滴水湖與射河漣河污染物質(zhì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差

（2）“20161214”水質(zhì)模型驗(yàn)證

蘆潮港站12月14日前10日中3天有降雨，其中11日1.0mm，12日4.0mm，13日1.0mm。

2016年12月，滴水湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)屬Ⅳ類，其中總磷和總氮均屬Ⅳ類。2016年12月份滴水湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是52.8，屬于輕度營養(yǎng)程度。射河、漣河中24個(gè)斷面綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ～Ⅳ類，主要影響項(xiàng)目為溶解氧和氨氮。從圖7可以看出，經(jīng)參數(shù)率定后的模型進(jìn)行水質(zhì)計(jì)算的計(jì)算值與實(shí)測(cè)水質(zhì)誤差值在20%以內(nèi)，吻合較好，綜合反映了本次建立的水質(zhì)計(jì)算模型及率定的參數(shù)是合理的。

圖7 滴水湖與射河漣河污染物質(zhì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差

3 模擬結(jié)果分析

3.1 降雨分配

假設(shè)閘門無限高，分別模擬中小雨工況（年徑流總量控制率80%、95%對(duì)應(yīng)的降雨量26.78mm、59.3 mm）和暴雨工況（百年一遇降雨279.1 mm）時(shí)污染物入湖情況，其中，當(dāng)降雨量為26.78mm時(shí)，河道不預(yù)降水位，當(dāng)降雨量為59.3 mm和279.1mm時(shí)，河道預(yù)降水位為2.2m。通過模擬河道水位與滴水湖水位變化情況，分析控污效果最優(yōu)的閘門高度組合。

年徑流總量控制率80%和95%分別對(duì)應(yīng)的降雨量26.78 mm和59.3 mm，百年一遇降雨量為279.1mm?？鄢跤険p失后將其分配至24 h雨型，分配結(jié)果見表2。

表2 降雨量分配表

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 河道水位上升高度分析

為得到閘門最佳控制高度，模型假設(shè)閘門高度為無限高，模擬在一定控制率下河道水位上漲情況，由此確定閘門控制高度。以上述降雨、外河潮位、外排海閘常規(guī)調(diào)度為邊界條件，模擬2035年河道水位上漲情況見表3（當(dāng)河道水位高于潮位時(shí)，外排海閘開啟）。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)降雨量為26.78mm時(shí)，河道水位上升0.19m；當(dāng)降雨量為59.3mm時(shí)，河道水位上升0.35m。

由上述模擬可知，中小雨工況不預(yù)降水位，大雨及雨季預(yù)降水位至2.2m，因此閘壩高度控制在2.8m可控制約95%徑流不進(jìn)入滴水湖。

3.2.2 技術(shù)方案及控制效果分析

通過分析不同降雨量場(chǎng)次降雨條件下，建設(shè)環(huán)湖閘以后的水質(zhì)情況，可以較直觀地對(duì)比出工程建設(shè)的作用。分別針對(duì)以上各典型場(chǎng)次降雨，計(jì)算建閘和不建閘工況下的污染物濃度削減情況。

表3 不同控制率下河道水位變化表

污染物質(zhì)伴隨徑流匯入河道的過程是十分復(fù)雜的。國內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究并給出了水質(zhì)計(jì)算過程中的簡化方法，本次計(jì)算采用初期30%的徑流中攜帶整個(gè)降雨事件污染物總量的80%[5]。假設(shè)各種降雨條件下，前期污染物累積量相同。在扣除30%的源頭污染物削減的前提下，根據(jù)35年預(yù)測(cè)的污染負(fù)荷對(duì)徑流污染物濃度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)建立環(huán)湖閘壩之前、之后的水質(zhì)進(jìn)行模擬，表4、表5為自降雨第48 h時(shí)各工況的滴水湖以及河道水質(zhì)模擬情況。從表4、表5可看到，在不同的降雨工況下，建立環(huán)湖閘壩要比未建之前污染物質(zhì)濃度削減20%～30%。

4 結(jié) 論

環(huán)湖閘壩對(duì)滴水湖的水質(zhì)有較明顯的保護(hù)作用。當(dāng)河道水位低于2.8m時(shí)，由于環(huán)湖閘壩的阻截作用，滴水湖內(nèi)的水質(zhì)基本不受影響，射河鏈河水質(zhì)會(huì)變差，其污染物濃度增加程度在15%～40%之間。隨著降雨量的增大，河道內(nèi)的水溢流進(jìn)滴水湖，但由于雨水匯流量的增大，對(duì)污染物的稀釋作用增強(qiáng)，滴水湖水質(zhì)也不會(huì)受太大影響。在279.1mm工況下，河道內(nèi)污染的水會(huì)溢流進(jìn)滴水湖，但是由于降雨總量太大，稀釋作用強(qiáng)，導(dǎo)致滴水湖內(nèi)污染物濃度整體較低。而在26.87 mm和59.3mm的降雨條件下，建閘后河道內(nèi)的水均未流入滴水湖內(nèi)，因此建立環(huán)湖閘壩對(duì)阻擋污染物質(zhì)入湖有顯著效果。

表4 滴水湖各工況水質(zhì)比較

表5 河道各工況水質(zhì)比較