上海市浦东新区水文水资源管理署，上海

收稿日期：2021年8月12日；录用日期：2021年9月29日；发布日期：2021年10月8日

摘要

通过模型模拟和监测相结合的技术手段，分析浦东新区典型泵站污染物排江对局部河道水质的影响，进而研究在不同雨型、潮汐条件、闸泵调度方案下，雨泵排江污染物在河道水体中的滞留时间和浓度变化，寻求既能减少泵站污染物放江对河道水环境的影响，又能为防汛更安全控制泵站水位和河道水位的闸泵调度方案，从而提升“水安全”和“水环境”的平衡。

关键词

水环境，水安全，两水平衡，闸泵调度，模型模拟

Study on Modelling Scheme about Sluices and Pumps for Balance of Multiple Water Dispatching Targets in Pudong New Area

Quan Zhou^*, Min Zhong, Mi Li, Tianhong Ding, Linyu Huang

Shanghai Pudong New Area Hydrology and Water Resources Administration, Shanghai

Received: Aug. 12^th, 2021; accepted: Sep. 29^th, 2021; published: Oct. 8^th, 2021

ABSTRACT

The influence of the pollutants discharge from the typical rainwater pump stations in Pudong New Area on local receiving rivers is analyzed by modeling and monitoring. The retention time and concentration variations of pollutants from rainwater pumps in rivers are studied during different operating schemes about sluices and pumps under different rainfall patterns and tidal conditions based on modeling scenarios to keep the balance between water security and water environment by figuring out a way which can both reduce the influence of river pollutants and control pumping station stage and river stage safely.

Keywords:Water Environment, Water Security, Balance of Multiple Water Dispatching Targets, Sluices and Pumpsoperating Schemes, Modeling Scenarios

Copyright © 2021 by author(s) and Wuhan University.

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1. 引言

近年来，随着水污染防治行动和河长制的推进，通过大力整治河道污染源，上海市浦东新区的水环境质量不断提升。雨水泵站在承担区域性防洪排涝的同时，作为排水系统末端的入河排放口，雨天因夹杂着系统上游污染物的雨水排河泄洪 [1]，纳入系统管网中的混接污水和初期雨水(COD、SS浓度较高 [2] )通过雨水泵站排放的污染物成为河道污染较为重要的来源，受各种客观因素影响，雨水泵站不得不在集水井达到防汛控制水位和开泵设计水位时排水，进而把泵站污染物排入河道，对水环境造成影响，使得“水环境”和“水安全”无法完全兼顾和平衡。

图1. 浦东新区河网水系、沿江沿海主要水闸和雨水排水系统分布图

要做好“两水平衡”工作，需要研究泵站排水污染物扩散过程，可以应用数值模型，模拟不同雨型、潮汐条件下，不同的闸泵调度方案对应的污染物扩散过程，估算合适的调度时机和方式，既能减少泵站污染物放江对河道水质的影响，又能控制泵站水位和内河水位，保障防汛安全，尽可能趋近“两水平衡”。

2. 研究区域概况

根据水利分片综合治理规划的总体要求，浦东新区陆续沿黄浦江、长江口和杭州湾修建了水闸工程，目前浦东大片已形成大包围控制，这些水闸具有挡潮、排水、航运、活水畅流及调控水位等综合功能 [3]。目前浦东新区沿江沿海现有水闸25座，总孔径454.8 m。雨水排水系统106个，服务面积299.5 km²。排水系统的排水模式为“外环内以强排为主，外环外以缓冲式排水为主”。浦东新区雨水排水系统分布见图1。

3. 研究目标和内容

分析研究典型雨泵放江污染物在受纳河道上的影响范围、影响时间；基于模型模拟，针对泵闸调度操作，分析合理的闸泵调度方案，研究提升“水安全”和“水环境”的平衡能力。

选取典型雨泵进行排江监测；建立局部河段模型，分析研究雨泵排江对周边河道水质的影响范围和时间；将局部模型参数移至浦东水利片模型，研究不同潮汐、雨情、泵闸调度方案下，雨泵排江对周边河道水质的影响范围和时间，见图2。

图2. 研究内容示意图

4. 模拟结果分析

4.1. 模型软件简介

本次研究采用的MIKE11软件是丹麦水环境研究所(DHI Water & Environment)开发的商业模型软件，涉及的计算功能模块包括：降雨径流模块(NAM)、一维河网水动力模块(HD)、对流扩散模块(AD)。

NAM：降雨径流模块是一个集总式的确定性概念模型，对流域内降雨产流和汇流进行模拟。它将土壤含水量分成积雪储水层(Snow Storage)、地表储水层(Surface Storage)、浅层或根区储水层(Lower Zone Storage)和地下水储水层(Ground Water Storage)四个部分，分别进行连续计算，以模拟流域中各种相应的水文过程。本项目里，NAM模型模拟一个或者多个集水区为一维河网水动力模块(HD)模拟添加区间入流。

HD：一维河网水动力模块是动态模拟河道水流(一维)运动的水动力学模型，能方便灵活地模拟水闸、水泵等各类水工建筑物，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况。模型基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组：

$\frac{1}{B}\frac{\partial Q}{\partial x}+\frac{\partial H}{\partial t}=q_L$ (1)

$\frac{\partial u}{\partial t}+\frac{\partial u}{\partial x}+g\frac{\partial H}{\partial x}+g\frac{u\left|u\right|}{C^{2}R}=0$ (2)

式中：H为断面水位；Q为流量；u为平均流速；g为重力加速度；B为不同高程下的过水宽度；q_L为旁侧入流流量；R是水力半径；C是谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标。

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式格式求解，离散格式如图3所示。该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

图3. Abbott格式水位点、流量点交替布置图

AD：对流扩散模块可以对水体中的可溶性物质和悬浮性物质对流扩散过程进行模拟，它根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算。可以通过设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物质，所以可作为简单的水质模型使用，但真正的水质模型和生态模型是ECOLab。ECOLab可以采用一套常微分方程对各种污染物质的反应和转化过程进行描述。

AD模型采用一维河流水质模型的基本方程为：

$\frac{\partial C}{\partial t}+u\frac{\partial C}{\partial x}=\frac{\partial }{\partial x}\left(E_x\frac{\partial C}{\partial x}\right)-KC$ (3)

式中：C为模拟物质的浓度；u为河流平均流速；E_x为对流扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；x为空间坐标；t为时间坐标。

考虑到各种污染物质的反应和转化过程非常复杂以及课题研究目标的实现成本，采用AD模块，即通过设定一个恒定的衰减常数模拟污染物质。

4.2. 典型雨泵排江监测

监测布局：选取金桥一号、金桥三号，金桥四号，其对应的拟影响河段为曹家沟(张家浜–东沟段)，河长约为1600 m，河宽约25~50 m，见图4。

水文、泵、闸调度过程：降雨自2019年5月26日2:55至26日18:45，累积雨量34.5 mm，雨强很小。沿程泵站的开泵时间为5月26日8:05至12:00。曹家沟水位南高北低，除水闸排水期外，水头差很小。雨泵排出污染物质浓度较高，其中金桥三号氨氮浓度超过6 mg/l。

河道水质沿程状态：河段沿程设4个监测断面(断面位置以金桥1号为起点，由北向南，沿河道依次为曹家沟桥、申江路桥、庙江路桥和陆行镇桥，金桥四号位于申江路桥和庙江路桥之间，靠近庙江路桥)，水质指标过程线以氨氮为例，见图5。

图4. 监测对象及周边水系、水文、水闸站点图

图5. 四个河道水质监测断面氨氮指标过程线(2019年5月26日)

可以看出：1) 申江路桥的污染物峰值受金桥四号泵站排江影响较大。2) 泵站排江对河道水质短期影响很大。3) 在泵站开泵期间，排江污染物远超劣V类，是V类标准的数倍。说明排江的是雨污混接的污水。

4.3. 典型雨泵排江局部河段模型建立

建立曹家沟河段(张家浜–东沟段)局部模型，河长约7.7公里，见图6，用于研究雨泵排江对河道水质的响应关系。

图6. 曹家沟河段(张家浜–东沟段)局部模型河道图

图7. 各监测断面主要水质指标计算与实测过程线

局部模型设定：1) 水位边界条件：设置上游边界为唐镇北站；下游边界为东沟站水位。2) 点源雨泵排江流量、水质边界：点源流量边界设为开泵时间下的泵站排水能力流量过程，水质边界设为对应的排江水质指标时间序列。3) 雨泵排江量：根据水质实际模拟效果做按比例的调整估算。4) 参数设定：取糙率n为0.025，扩散系数为2 m²/s，高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮衰减系数分别为0.07 (1/天)、0.14 (1/天)和0.07 (1/天) [4]。

模拟得到各监测断面主要水质指标计算过程线，计算值与实测值趋势拟合较好，见图7。

4.4. 水闸调度、雨泵排水整体简析

河道、雨水排水系统、水闸等共同构成了浦东新区的流域排水系统，见图8。

图8. 浦东新区主要雨水排水系统及周边水闸图。绿(粉)面分别为雨水排水强排(自排)系统，箭头为活水畅流流向

水闸控制运行分为防汛调度、活水畅流调度和专项调度。浦东水利片活水畅流调度方式为：川杨河以北地区“东引西排”；川杨河以南、大治河以北地区为“西引东排”；大治河以南地区为“北引南排、西引东排”。主要引水水闸为：黄浦江中上游东岸沿线杨思水闸(不含杨思水闸)以南各闸、长江口南岸沿线三甲港水闸及其以北各闸；主要排水水闸为：黄浦江下游东岸沿线杨思水闸及其以北各闸、长江口南岸沿线三甲港水闸(不含三甲港水闸)以南及杭州湾北岸沿线各闸。面平均控制水位为2.50~2.90 m。防汛调度方式下，根据各等级预警信息，预降不同等级水位，同时按相应要求执行水闸调度。以蓝色预警为例，预降内河水位控制要求<2.6 m，引水水闸暂停引水，排水水闸正常排水 [5]。

对于雨水泵站而言，当下的调度要求是，坚持“水安全”和“水环境”并重；防汛应急响应低于蓝色预警，防汛泵站原则上不能进行预抽空排水；雨水泵站集水井水位达到开泵设计水位时，防汛泵站应及时开泵，确保安全。

雨水排水系统主要覆盖在北片城市化地区，雨水排水系统与河道水系的协调性是雨泵排江污染物能否快速排出内河的关键。由图8，有两类雨泵在位置上具备一定的代表性：一类如金桥三号，位于曹家沟，周边交叉河道较少，就近排出的目标水闸为东沟水闸，较为明确；一类如泾牛，周边河道呈网状结构相对复杂，处于水系“腹地”，能就近排出的目标水闸较多，包括白莲泾泵闸、张家浜西闸、洋泾水闸等。研究中将以这两个雨泵作为代表性雨泵进行排江过程研究。

4.5. 两水平衡泵闸调度模拟分析计算

基于浦东水利片数值模型，针对金桥三号和泾牛两个代表雨泵，分析不同潮汐、雨情、泵闸调度方案下，雨泵排江对周边河道水质的影响范围和时间，并评价其效果。金桥三号和泾牛附近局部水系见图9。

图9. 金桥三号雨泵和泾牛雨泵局部水系图

计算参数和条件设置：1) 边界条件选取浦东水利片沿江潮位。2) 金桥三号和泾牛的污染物质量均参考2019.5.26监测设定，排水总量14,175吨，污染物(氨氮) 79.9吨，排水历时1小时45分钟。3) 评价是否“影响”的量化标准取值为氨氮指标一类水标准：氨氮0.15 mg/l。4) 大中小潮计算历时选择2017年7月(落潮潮差小，排水较为不利)。5) 设置雨型为：首个小时降雨量达35 mm，之后5 h均匀降雨15 mm。

针对金桥三号、泾牛两个雨泵排江，分别按照不同的潮汛、邻近局部或者水利片全局降雨、雨峰与外围潮位峰谷的遭遇方式、周边水闸排水方式、雨泵排水时机多种情况，做了排江污染物影响时间、范围计算，计算成果以泾牛雨泵中潮汛排江为例，见表1。

表1. 中潮汛下泾牛雨泵排江污染物影响计算成果表

5. 结论与建议

全区雨泵数量众多，空间位置各不相同。各雨泵排江受不同外部因素(所在位置水系结构、潮位、水位、雨量雨型、水闸开启方式等)和自身因素(开泵水位等)制约。通过监测和模型模拟，提炼出一些规律和基础策略：1) 在活水畅流调度下，大潮汛下河道水动力条件更好，更有利于减小雨泵污染物影响时间空间范围。2) 通过周边水闸调度，抬升周边河道水位，将排放河道水流挤压为单向流，流向最近的水闸出口，有利于减小雨泵污染物影响时间空间范围。3) 河道水动力条件在蓝警调度闸门调度规则弱于活水畅流规则下，在蓝警调度下，如果只在雨泵区域发生局部降雨，雨泵污染物影响时空范围较无雨活水畅流调度基本没有改善。4) 在暴雨达到蓝色乃至更高预警级别下雨泵排江有利于缓解污染物的影响。5) 大潮汛期间，局部雨量遭遇潮谷，同时外河处于潮谷开始涨潮时排江，雨泵污染物影响时间空间范围最大。

采取泵闸联动调度的方式，一定程度可以优化选择合适的排江时机，在提升河道水动力条件，发挥水体自净能力的前提下，减少排江污染物影响时间、范围。但更为治本的还是持续推进雨污分流和截污纳管改造工作，下一步如果能通过对雨水管水量大小和污染物质超标指标类型的分析，分析溯源污水来源，精准消除污水源头，是精细化治理雨泵排江污染更本质的做法，使得“水安全”和“水环境”不再形成矛盾，达到本该有的自我平衡。

文章引用

周 全,钟 敏,李 迷,丁天弘,黄琳煜. 浦东新区两水平衡闸泵调度方案模拟研究
Study on Modelling Scheme about Sluices and Pumps for Balance of Multiple Water Dispatching Targets in Pudong New Area[J]. 水资源研究, 2021, 10(05): 551-560. https://doi.org/10.12677/JWRR.2021.105060

参考文献