上海市沥青城区西北片河网引清调水频率研究

上海市沥青城区西北片河网引清调水频率研究

青浦地区西北部位于青浦市西北部。北与上梁河相连，东与东阳港相连，西与老西港相连，南与环河相连（图1），总面积2.27公里2公顷，人口3万。该区域的部分地段属城乡结合部,居住大量外来务工人员,由于居住条件较差,其生活用水直接排入河道,使本已不堪负荷的河道水质更加恶化,导致河道黑臭现象时有发生。根据河网结构以及与其相配套的水利设施状况,为了消除青浦城区西北片河道中的黑臭现象,在当前条件下,只有通过引清调水将上达河内相对干净的水体引入到河网来稀释或置换高污染水体才能实现。青浦城区西北片的引清调水属于小尺度范围内的河网水质调节问题。对于该类问题可采用实体模型试验和数值仿真来研究。相对于实体模型试验而言,数值仿真不受缩尺变态的影响,对于河网中不同边界条件下的水流运动和污染物迁移预测,具有周期短和投资少的优势。鉴于此,在引清调水研究中,文献构建起模拟上海青浦城区西北片河网内水流运动和污染物迁移的二维数学模型,并采用两种不同的实际调水工况(先排后引和边引边排)对所建模型进行了验证;文献利用经过实际调水过程验证的二维数学模型,对青浦城区西北片河网的9种调水工况(6种边引边排和3种先排后引)进行了数值仿真,并通过对比分析每种工况的模拟调水效果,提出了优化的调水方案。在文献和的基础上,本文进一步研究青浦城区西北片的河网调水问题,重点确定不同季节下的河网调水频率,以及对河网内水体在现有水利设施条件下的流动自净功能进行模拟分析,以期为科学调水和新的水利设施建设提供技术支撑。1溶解氧浓度影响基于调水效果和调水经济性两方面考虑,科学确定调水频率具有重要的工程应用价值。一般而言,对于河网河道中的水体,其溶解氧指标是判定调水与否的重要依据。当溶解氧浓度在4.0mg/L以下时即应调水,若容许降低水质要求,但溶解氧浓度小于2.0mg/L时必须进行调水。上海市青浦区水利技术推广站在2005年的不同季节调水时实测了不同采样点的水体水质,本研究即通过分析不同季节河道水体溶解氧浓度随时间变化的实测数据来确定不同季节的调水频率。考虑到张倪家浜河道中水体污染严重,且张倪家浜河道两侧人口稠密,因此确定调水频率时以张倪家浜河道水体中的溶解氧浓度变化为依据。1.1张达家等4.0m以2005年2月3日至5日的西北片调水试验的水质分析结果为依据,来确定冬季调水频率。本次调水中,3日上午9:00西北片河网所有闸门关闭,然后开始采第一次水样(9:40),5日上午9:00采第二次水样,9:00后打开闸门引水。表1为冬季张倪家浜河道水体采样点的溶解氧浓度变化。从该表可以看出,张倪家浜河道水体的溶解氧浓度下降率为1.05mg/(L·d)。显然,如果以4.0mg/L作为调水的临界溶解氧浓度大小,设每次调水结束时张倪家浜水体的溶解氧指标为4.5mg/L,则两次调水间隔小于12h,即每天都应调水;若以溶解氧浓度≤2.0mg/L作为临界调水条件,则调水间隔可定为57h(即可考虑隔两天调水)。1.2夏季张达平段的溶解氧测定以2005年6月7日至9日的西北片调水试验的水质分析结果为依据,来确定夏季调水频率。本次调水过程中,7日上午9:15西北片河网所有闸门关闭后采第一次水样,9日上午9:05采第二次水样。表2为夏季张倪家浜河道水体采样点的溶解氧指标。从表2可以看出,张倪家浜河道水体的水质劣化在夏季要比在冬季快,在夏季其溶解氧浓度的下降率达到1.55mg/(L·d)。显然,如果以4.0mg/L作为调水的临界溶解氧浓度大小,设每次调水结束时张倪家浜水体的溶解氧指标为4.5mg/L,则两次调水间隔小于8h,即每天都应调水;若以溶解氧浓度≤2.0mg/L作为临界调水条件,则调水间隔可定为39h(即可考虑隔一天调水)。1.3采样点的溶解氧测定以2005年9月22日至24日的西北片河网水质分析结果为依据,来确定秋季的调水频率。在本次水质分析过程中,22日上午9:00西北片河网所有闸门关闭后开始采第一次水样,23日上午9:05开始采第二次水样,24日上午10:00开始采第三次水样。表3为秋季张倪家浜河道水体采样点的溶解氧指标。该表显示,张倪家浜河道水体的溶解氧浓度下降率为1.05mg/(L·d),与冬季的下降率相当。显然与冬季情况类似,如果以4.0mg/L作为调水的临界溶解氧浓度大小,设每次调水结束时张倪家浜水体的溶解氧指标为4.5mg/L,则两次调水间隔小于12h,即每天都应调水;若以溶解氧浓度2.0mg/L作为临界调水条件,则调水间隔可定为57h(即可考虑隔两天调水)。1.4采样点的溶解氧指标以2005年4月6日至8日的西北片河网水质分析结果为依据,来确定春季的调水频率。在本次水质采样分析中,6日上午9:15西北片河网所有闸门关闭后采第一次水样,8日上午9:05开始采第二次水样。表4为春季张倪家浜河道水体采样点的溶解氧指标。该表显示,张倪家浜河道水体的溶解氧浓度下降率为1.10mg/(L·d)。如果以4.0mg/L作为调水的临界溶解氧浓度大小,设每次调水结束时张倪家浜水体的溶解氧指标为4.5mg/L,则两次调水间隔小于12h,即每天都应调水;若以溶解氧浓度2.0mg/L作为临界调水条件,则调水间隔可定为52h(隔两天调一次水)。2河网内的水流速度场为了分析河网内水体在现有水利工程设施下的流动自净能力,基于通过实际调水过程验证的数学模型和河道断面形状尺寸,模拟分析不同边引边排工况下的河网内水流速度场分布。首先在正常水位下(取水位为2.55m),模拟下述6种边引边排工况:工况1老西大盈北口开闸引水,南侧在关闭闸和坝的同时,开启老西大盈南口和张倪家浜处的两水泵(两水泵排水流量为2×1.0m3/s)向外排水;工况2老西大盈北口关闸开泵(两水泵总流量为2×1.2m3/s)向内引水,老西大盈南口门敞开放水(其它所有口门关闭);工况3老西大盈北口关闸开泵向内引水,庵浜河口门敞开放水(其它所有口门关闭);工况4老西大盈北口关闸开泵向内引水,张倪家浜口门敞开放水(其它所有口门关闭);工况5老西大盈北口开闸引水,南侧在关闭闸和坝的同时,开启张倪家浜处的水泵(水泵排水流量为1.0m3/s)向外排水;工况6老西大盈北口开闸引水,南侧在关闭闸和坝的同时,开启老西大盈南口的水泵(水泵排水流量为1.0m3/s)向外排水。通过数值模拟,得到每种工况下河网内的水流速度场分布,见图2～图7所示。从中可以明显看到流动分离、旋涡等流动的非线性特征。从速度场分布中还可以看出,各工况下河网内水流速度都很小,特别是库容很大的盈湖三岛区域,其在各种边引边排工况中几乎是死水区。表5给出模拟得到的各工况下流场中的最大水流速度大小。从该表可以看出,最大水流速度也仅为0.213m/s,其出现在工况4中张倪家浜河道的很小区域范围内。对于特定的河道断面,在过水流量一定时,水位越低断面的水流速度越大。因此,为分析西北片河网水体在现有水利设施下的潜在流动自净能力,在保持内河水位为2.1m的前提下(由于青浦城区西北片为老城区,张倪家浜等河道周围为老式建筑物,考虑到周围建筑物的安全,为防止建筑物裂缝的产生,水位不宜低于2.1m),模拟老西大盈北口闸门开启向内河引水,南侧两水泵向外河排水(排水流量为2.0m3/s)的情景(工况7)。图8为所计算出的水流速度场,此时河网中的最大速度仅在张倪家浜的很短河段内达到0.114m/s,且盈湖三岛区域也近似为死水区。从上述7种工况的速度场分布可以看出,青浦城区西北片河网在目前的水利设施条件下,由于水流速度很小,难以实现水体的流动自净。必须进行新的水利设施建设(如配置新的高流量水泵等)才有可能实现河网的流动自净功能。当务之急是打通留水河,将相对干净的外河水体通过留水河导入盈湖三岛水域,以带动调水过程中该区域水体的流动,或直接稀释该区域内的污染水体。3实际洪水过程验证通过分析河道水体溶解氧浓度随时间变化的实测数据,得出了上海青浦城区西北片河网在不同季节下的引清调水频率:在自然状况下,张倪家浜河道内的水体溶解氧浓度在冬季和秋季的下降率为1.05mg/(L·d),春季为1.10mg/(L·d),而在夏季则高达1.55mg/(L·d)。在已知某次调水结束时张倪家浜河道水体的溶解氧浓度时,由溶解氧浓度下降率就可以计算出下次需要调水的开始时刻。设调水结束时张倪家浜河道水体的溶解氧浓度为4.5mg/L,当临界调水溶解氧浓度取常规的4.0mg/L时,则两次调水之间的时间间隔(Δt)为Δt≤12h(春、秋、冬季)和Δt≤8h(夏季),即需要每天都调水;考虑降低水质要求,当临界调水的溶解氧浓度为2.0mg/L时,则两次调水之间的时间间隔为Δt≤52～57h(春、秋、冬季)和Δt≤39h(夏季),即春、秋、冬季隔两天调一次水,而夏季考虑隔一天调水。采用经过实际调水过程验证的数