包小燕,李念斌
(1.上海市嘉定區(qū)水文站,上海 201800;2.上海嘉定水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司,上海 201800)
上海市嘉定區(qū)蘊(yùn)南中部地區(qū)涉及南翔、江橋、黃渡三鎮(zhèn),是嘉定區(qū)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,但也是嘉定區(qū)水環(huán)境質(zhì)量最差的地區(qū)。為此嘉定區(qū)水務(wù)局于2007年組織編制了《嘉定蘊(yùn)南中部地區(qū)水環(huán)境治理——引調(diào)水專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》,經(jīng)過(guò)2008年至2012年的建設(shè),規(guī)劃中的水利控制工程已基本建設(shè)完成,嘉定區(qū)水務(wù)局?jǐn)M定于2012年10月進(jìn)行調(diào)水試運(yùn)行。針對(duì)規(guī)劃中設(shè)置的調(diào)水試運(yùn)行方案,使用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行運(yùn)算對(duì)比,選取合理的水質(zhì)分析比對(duì)點(diǎn),為調(diào)水試運(yùn)行提供參考依據(jù)。
數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬。它以電子計(jì)算機(jī)為手段,通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法,達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類(lèi)問(wèn)題研究的目的。20世紀(jì)50年代以前,數(shù)值模擬的基本理論已經(jīng)建立,運(yùn)用這些理論也曾解決過(guò)一些簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題。但是,這些基本理論真正應(yīng)用于解決工程問(wèn)題卻是在電子計(jì)算機(jī)發(fā)明以后。1952年—1954 年,E.lsaacson、J.J.stoker和 B.A.Troesch 首次建立了俄亥俄河和密西西比河部分河段的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了實(shí)際洪水過(guò)程的模擬。到上世紀(jì)60年代中期,為了解決各種各樣的設(shè)計(jì)和規(guī)劃問(wèn)題,水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型再次得到重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的模擬功能也大大增強(qiáng),可以對(duì)整個(gè)流域、洪泛區(qū)、已建或規(guī)劃中的水利工程進(jìn)行系統(tǒng)模擬。水動(dòng)力模型是其它模型(如水質(zhì)模型、水環(huán)境容量模型等)的基礎(chǔ)和前提。水動(dòng)力模型的建立涉及控制方程組的簡(jiǎn)化、方程組的離散和求解、初邊條件的確定、模型的率定和驗(yàn)證等一系列問(wèn)題。平原河網(wǎng)模型不同于單一河流的特點(diǎn),在于河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜性,以及由此帶來(lái)的方程組離散和求解上的困難,這是多年來(lái)人們研究河網(wǎng)問(wèn)題的一大難點(diǎn)。平原河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型目前大體可以分為節(jié)點(diǎn)—河道模型、單元?jiǎng)澐帜P汀⒒旌夏P?、人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,以及蒙特卡羅隨機(jī)游動(dòng)模型,其中最常用的是節(jié)點(diǎn)—河道模型。
2.1.1 基本方程組
水流在平底、棱柱形明渠中一維非恒定流動(dòng)的基本方程組—圣維南方程組,包括反映動(dòng)量守恒定律的運(yùn)動(dòng)方程和反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)性方程:
式中,A為河道內(nèi)任意斷面的面積,m2;Q為斷面水流量,m3;t、x分別為時(shí)間與距離的坐標(biāo);Z為水位,m;g為重力加速度,m·s-2;q 為旁側(cè)入流,m3;Rh為水力半徑,m;C k 為謝才系數(shù),m1/2·s-1;a 為動(dòng)量校正系數(shù)。
2.1.2 方程組求解方法
如圖1所示,利用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程,在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位和流量。該格式為無(wú)條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定,因此,可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省模型運(yùn)算時(shí)間。
圖1 Abott格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)布置示意圖
2.1.3 定解條件
定解條件為水流的初值與邊界值,具體如下:水流初始條件:t=0,Z(x,t)=Z(x,0),Q(x,t)=Q(x,0)。邊界條件:當(dāng) x=0 時(shí),Z(x,t)=Z(0,t);當(dāng) x=L 時(shí),Z(x,t)=Z(L,t)。
河網(wǎng)的內(nèi)邊界條件比較復(fù)雜,其中河網(wǎng)支汊節(jié)點(diǎn)的處理最為關(guān)鍵,支汊點(diǎn)應(yīng)滿(mǎn)足Z1=Z2=……
根據(jù)物質(zhì)在水體中對(duì)流擴(kuò)散的過(guò)程,考慮污染物的對(duì)流擴(kuò)散與線性降解,其基本方程為[1-2]:
式中:C為污染物濃度,mg/L;D為污染物彌散系數(shù);A 為斷面過(guò)水面積,m2;Q 為流量,m3/s;K 為降解系數(shù),s-1;C2為污染物的點(diǎn)源濃度,mg/L;q 為污染物的點(diǎn)源流量,m3/s;x為空間步長(zhǎng),m;t為時(shí)間步長(zhǎng),s。
嘉定區(qū)位于上海市的西北部,市級(jí)河道蘊(yùn)藻浜橫貫其南部,在穿越滬寧鐵路后折向西南與蘇州河交匯。由此,嘉定區(qū)水系形成了界線分明的南北兩片。其中,蘊(yùn)藻浜以南地區(qū)的面積約為106.4 km2,其范圍是:東以嘉定行政區(qū)域?yàn)榻?;西以蘊(yùn)藻浜為界;南北兩側(cè)各以蘇州河和蘊(yùn)藻浜為界,形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域。這一區(qū)域俗稱(chēng)嘉定的蘊(yùn)南地區(qū)。
該區(qū)屬平原感潮河網(wǎng)地區(qū),內(nèi)部水系絕大部分天然形成,且彎曲流長(zhǎng);河道水流流向不定,主要受南部感潮河流蘇州河的水位影響,水流方向由北向南、由西向東居多。但由于區(qū)內(nèi)河道向蘇州河排水受到限制,阻斷了區(qū)域內(nèi)外水體自然交換的道路,改變了地區(qū)原先“由北向南流”的水力特性。此外,由于鐵路、公路的建設(shè),交叉建筑物也阻礙了水流的暢通,使該地區(qū)基本成為死水區(qū),水質(zhì)情況常年處于劣Ⅴ類(lèi)水。
根據(jù)《嘉定蘊(yùn)南中部地區(qū)水環(huán)境治理——引調(diào)水專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》的方案規(guī)劃,將通過(guò)沿蘊(yùn)藻浜南側(cè)沿線設(shè)站,提抽內(nèi)部河道水進(jìn)入蘊(yùn)藻浜,待內(nèi)部河水位降低后,強(qiáng)行引入蘇州河清水實(shí)行水體交換與流動(dòng)。并利用東側(cè)現(xiàn)有的連浦閘站向內(nèi)引水,走馬塘水閘開(kāi)啟。這樣形成“北排、南引”的有序水流大格局。
該方案沿蘊(yùn)藻浜在淺江、封浜、橫瀝設(shè)泵閘,淺江泵閘流量為5 m3/s、封浜泵閘流量為10 m3/s、橫瀝泵閘流量為10 m3/s。為形成良好的換水條件,與該方案配套的工程有:西線沿鹽鐵塘在狗頸骨河、北線沿蘊(yùn)藻浜在花園江處設(shè)閘控制。沿蘊(yùn)藻浜控制工程如圖2所示。
圖2 蘊(yùn)南中部地區(qū)引調(diào)水控制工程分布圖
在充分掌握詳細(xì)的天然河網(wǎng)、湖泊的水動(dòng)力、水文資料的基礎(chǔ)上,以主干河道為基礎(chǔ),按照河網(wǎng)概化的基本原則,對(duì)蘊(yùn)南中部地區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行合理地概化。所涉及的主要河流有:吳淞江、蘊(yùn)藻浜、鹽鐵塘、淺江、封浜、橫瀝、西虬江、中槎浦等。
4.2.1 外邊界條件
平原河網(wǎng)地區(qū)在洪水期往往同時(shí)遭遇平原區(qū)產(chǎn)流和潮汐等多重影響,其邊界條件大致分為3類(lèi):水位(潮位)邊界、流量邊界(水位流量關(guān)系邊界可以轉(zhuǎn)化為流量邊界),以及計(jì)算區(qū)域的凈雨輸入。該項(xiàng)研究采用吳淞江黃渡站水位及蘊(yùn)藻浜閘內(nèi)站水位為外邊界。
4.2.2 內(nèi)邊界條件
在內(nèi)部邊界條件處,圣維南方程組不再適用,必須依據(jù)其水力特性作特殊處理,以保證河道追趕系數(shù)的連續(xù)傳遞。
考慮到模型計(jì)算穩(wěn)定性要求及模型運(yùn)行時(shí)間要求,水動(dòng)力模型的時(shí)間步長(zhǎng)可以取5~15 min,空間步長(zhǎng)取50 m~1500 m不等。
該項(xiàng)計(jì)算主要選取封浜、橫瀝、西虬江的汊點(diǎn)斷面處,由于封浜、西虬江被鐵路阻隔,在封浜被鐵路阻隔的南北、西虬江被鐵路阻隔的東西分別選取水質(zhì)分析點(diǎn),共計(jì)20個(gè),詳見(jiàn)表1所列。
表1 水質(zhì)分析點(diǎn)一覽表
由于溶解氧、氨氮等水質(zhì)指標(biāo)會(huì)沿程和隨時(shí)間變化,所以采用綜合的CODcr作為計(jì)算指標(biāo),用于換水效果的比較。限于篇幅,以橫瀝河為例,72 hCOD相對(duì)減少量的平均值(%)見(jiàn)表2所列,隨時(shí)間變化過(guò)程曲線如圖3所示。
表2 72 hCOD相對(duì)減少量的平均值一覽表(單位:%)
圖3 橫瀝選取斷面72 hCOD相對(duì)減少量隨時(shí)間變化過(guò)程曲線圖
在蘊(yùn)南中部地區(qū)引調(diào)水試運(yùn)行前,針對(duì)一維河網(wǎng)非恒定流復(fù)雜的水流特性,建立了嘉定蘊(yùn)南中部地區(qū)的水量水質(zhì)模型,選取了水質(zhì)分析點(diǎn),并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,為試運(yùn)行提供了參考依據(jù)?,F(xiàn)針對(duì)將進(jìn)行的試運(yùn)行,提出以下建議:
(1)做好水質(zhì)取樣分析工作,掌握蘊(yùn)南中部地區(qū)的水質(zhì)在引調(diào)水前、后的情況,尤其是數(shù)值計(jì)算涉及的這些分析點(diǎn),為模型的校準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)。
(2)及時(shí)采集引調(diào)水的數(shù)據(jù),分析試運(yùn)行中存在的問(wèn)題,為蘊(yùn)南中部地區(qū)引調(diào)水常態(tài)化做好準(zhǔn)備。
(3)在已建立的數(shù)值模型基礎(chǔ)上,通過(guò)試運(yùn)行的數(shù)據(jù),對(duì)此區(qū)域的水利控制工程調(diào)度問(wèn)題開(kāi)展探索。
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