韓 景，朱宜平，吳彩娥，華 俊，周旭捷

(1.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434；2.上海城投原水有限公司，上海 200125)

青草沙水庫(kù)是上海長(zhǎng)江水源地大型蓄淡避咸水庫(kù)，位于崇明長(zhǎng)興島西北側(cè)長(zhǎng)江南北港分流口水域，包含中央沙庫(kù)區(qū)和青草沙庫(kù)區(qū)[1]。水庫(kù)設(shè)計(jì)有效庫(kù)容為4.38億m3，供水規(guī)模達(dá)719萬(wàn)m3/d[2]，服務(wù)人口超過(guò)1300萬(wàn)。2011年6月，青草沙水庫(kù)建成投運(yùn)，從根本上改變了上海城市原水的供應(yīng)格局，為上海城市發(fā)展提供了更為安全可靠的清潔水源[3]。

青草沙水庫(kù)從長(zhǎng)江取水，采用“上引下排，泵閘聯(lián)動(dòng)”的方式。長(zhǎng)江水體中含砂量較大，根據(jù)監(jiān)測(cè)近些年上游取水泵閘附近水體的年均含砂量在0.2kg/m3附近，水體進(jìn)入庫(kù)區(qū)后由于流速減緩，水體中的泥沙顆粒在庫(kù)內(nèi)沉積[4]，每年有一定的淤積量產(chǎn)生，減小了水庫(kù)庫(kù)容，且對(duì)庫(kù)區(qū)水體輸送及水流流態(tài)有一定的影響。青草沙水庫(kù)至今已運(yùn)行近10年，尚未進(jìn)行過(guò)專門的庫(kù)區(qū)疏浚，只是在2016年結(jié)合青草沙北堤水生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施了局部疏浚。

為了保障青草沙水庫(kù)主要引流通道的暢通，改善庫(kù)內(nèi)水動(dòng)力條件，保障庫(kù)區(qū)水質(zhì)，保持水庫(kù)有效庫(kù)容，實(shí)施青草沙水庫(kù)清淤疏浚工程是非常必要的。

本研究在對(duì)青草沙水庫(kù)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合庫(kù)區(qū)水動(dòng)力和水質(zhì)改善需求，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)青草沙水庫(kù)清淤疏浚工程規(guī)劃方案進(jìn)行研究。

1 研究思路和方法

1.1 模型構(gòu)建

本研究采用MIKE 21軟件中的水動(dòng)力模塊(HD)和水質(zhì)模塊(Ecolab)來(lái)構(gòu)建青草沙庫(kù)區(qū)二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。

HD模塊基于Boussinesq假定和靜壓假定的二維不可壓縮雷諾平均N-S方程[5]，可用于計(jì)算不同作用力引起的水位和水流變化?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程和動(dòng)量方程，方程采用單元中心的顯式有限體積法求解，可以保證水量和動(dòng)量在計(jì)算域內(nèi)的守恒[6]。

ECOLab模塊是在傳統(tǒng)的水質(zhì)模型概念發(fā)展起來(lái)的一個(gè)水質(zhì)和生態(tài)模擬工具[7]，可以模擬多種變量之間的相互作用及影響水體中物質(zhì)濃度變化的各種生化反應(yīng)過(guò)程。本次采用WQ模塊中的WQnutrientsChl模板，用于模擬水庫(kù)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素。

青草沙庫(kù)區(qū)模型地形采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，能較好地?cái)M合水庫(kù)大堤和泵閘邊界。根據(jù)研究需求加密局部區(qū)域，模型地形的網(wǎng)格尺寸為5～50m，允許最小三角形角度為30°，青草沙庫(kù)區(qū)分布有12734個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為23913個(gè)三角形網(wǎng)格，如圖1所示。水下地形采用2019年8月青草沙庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)的1∶50000水下地形數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖1 太湖模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格示意圖換圖

圖2 青草沙庫(kù)區(qū)計(jì)算范圍及水下地形圖換圖

1.2 模型主要設(shè)置

2020年4月開(kāi)始，為了進(jìn)一步改善庫(kù)區(qū)水動(dòng)力和水質(zhì)，下游閘的最大單寬流量從7.5m3/s提高至15m3/s，最大出庫(kù)流量從155m3/s提高至300m3/s。本次青草沙庫(kù)區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)計(jì)算考慮下游閘增大排量后的運(yùn)行條件。水庫(kù)庫(kù)內(nèi)水位維持在2.50～3.50m之間。上游閘能引則引，最大引水流量為910m3/s。下游閘能排則排，最大排水流量為300m3/s。

HD模塊中，采用具有代表性的無(wú)風(fēng)和盛行東南風(fēng)兩種風(fēng)況條件，風(fēng)速取平均風(fēng)速4m/s，風(fēng)切應(yīng)力系數(shù)取為0.0026；曼寧系數(shù)取為0.025～0.30；渦動(dòng)粘滯系數(shù)按Smagorinsky公式計(jì)算。

ECOLab模塊中，高錳酸鹽指數(shù)的降解系數(shù)分別為0.025d-1。青草沙庫(kù)區(qū)近幾年藻型結(jié)構(gòu)為硅藍(lán)藻型，藻類生長(zhǎng)速率為1.0d-1，藻類死亡速率為0.05d-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫(kù)區(qū)總體形態(tài)分析

青草沙庫(kù)區(qū)平面上呈狹條狀，上游取水泵閘位于庫(kù)區(qū)西北端，輸水泵閘位于庫(kù)區(qū)東南端，庫(kù)區(qū)上游的墾區(qū)將過(guò)流通道分為南汊和北汊。根據(jù)2019年4月庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水下地形，青草沙墾區(qū)以上進(jìn)流通道和墾區(qū)南汊水下地形-2m通道已不完全貫通；墾區(qū)北汊過(guò)流通道底高程在0～0.5m左右；庫(kù)區(qū)中部及以下庫(kù)區(qū)，地形相對(duì)較低，地形高程大部分在-5～-7m左右，局部深槽高程達(dá)到-11m左右；墾區(qū)上下游和北堤中段附近地形在0m以上，庫(kù)區(qū)南側(cè)輸水泵閘上游淺灘地形在1.5～3m左右。

根據(jù)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)分析，2012—2019年期間的青草沙庫(kù)區(qū)總體上以淤積為主，只有極小部分區(qū)域有沖刷，淤積區(qū)域面積遠(yuǎn)大于沖刷區(qū)域。庫(kù)區(qū)地形主要變化為：取水泵閘至墾區(qū)南汊區(qū)域較大幅度淤積，總體上淤積幅度為0.5～2.3m；庫(kù)區(qū)下游大部分區(qū)域的淤積幅度基本在0.3～0.5m之間，輸水泵閘西側(cè)淺灘沖刷0.1～1.1m。整個(gè)庫(kù)區(qū)凈淤積量約為800萬(wàn)m3，庫(kù)區(qū)平均淤積0.2m，平均年淤積量為114萬(wàn)m3。2012—2019年青草沙庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水下地形沖淤變化情況如圖3—4所示。

圖3 青草沙庫(kù)區(qū)2012—2019年地形淤積分布圖

圖4 青草沙庫(kù)區(qū)2012—2019年地形沖刷變化圖

2.2 庫(kù)區(qū)現(xiàn)狀水動(dòng)力特征分析

上游閘引水下游閘關(guān)閉時(shí)的青草沙庫(kù)區(qū)流場(chǎng)分布如圖5所示。水體經(jīng)墾區(qū)分流由南北兩汊進(jìn)入庫(kù)區(qū)，兩股水流在青草沙墾區(qū)東側(cè)匯合向下游閘運(yùn)動(dòng)。上游閘的區(qū)域流速大于0.2m/s，南北汊的流速為0.01～0.2m/s。在盛行東南風(fēng)作用下，庫(kù)區(qū)下游南側(cè)和庫(kù)區(qū)中段北側(cè)的水流由下游向上游流動(dòng)，與庫(kù)區(qū)下游主槽區(qū)的水流形成兩個(gè)狹長(zhǎng)的環(huán)流，南側(cè)為順時(shí)針環(huán)流，北側(cè)為逆時(shí)針環(huán)流，回流區(qū)總體流速為0.02～0.05m/s，但是回流區(qū)中間存在流速小于0.01m/s的狹長(zhǎng)型的緩流區(qū)，庫(kù)尾也存在流速小于0.005m/s的緩流區(qū)。

圖5 青草沙庫(kù)區(qū)流場(chǎng)圖(SE風(fēng)，上游閘開(kāi))

上游閘關(guān)閉下游閘排水時(shí)的青草沙庫(kù)區(qū)流場(chǎng)分布如圖6所示。青草沙墾區(qū)西側(cè)的部分水體向上游閘方向流動(dòng)，庫(kù)內(nèi)大部分水體向下游閘流動(dòng)。在盛行東南風(fēng)作用下，庫(kù)區(qū)下游主槽區(qū)南北兩側(cè)的環(huán)流依然存在。下游閘和輸水泵閘附近的流速大于0.01m/s，庫(kù)區(qū)環(huán)流中間和庫(kù)尾都存在流速小于0.005m/s的緩流區(qū)。

圖6 青草沙庫(kù)區(qū)流場(chǎng)圖(SE風(fēng)，上游閘關(guān))

根據(jù)青草沙庫(kù)區(qū)模型計(jì)算的青草沙庫(kù)區(qū)南北兩汊流量過(guò)程統(tǒng)計(jì)平均值，南汊平均流量約為144.6m3/s，北汊平均流量約為88.6m3/s，南北兩汊的分流比為62.1%∶37.9%，可見(jiàn)南汊為水庫(kù)的主要過(guò)流通道。

根據(jù)青草沙庫(kù)區(qū)模型計(jì)算的庫(kù)區(qū)水動(dòng)力條件和水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律估算庫(kù)區(qū)的換水周期。無(wú)風(fēng)條件下，中上游庫(kù)區(qū)和下游主槽區(qū)的換水周期都在14d以內(nèi)，庫(kù)尾平均換水周期為20d；盛行東南風(fēng)條件下，上游庫(kù)區(qū)和下游主槽區(qū)的換水周期都在14d以內(nèi)，庫(kù)區(qū)下游南側(cè)環(huán)流中心水域的換水周期約為16—18d，庫(kù)尾平均換水周期為15d。有風(fēng)時(shí)的庫(kù)區(qū)換水周期總體上小于無(wú)風(fēng)時(shí)。

2.3 疏浚規(guī)劃方案擬定

通過(guò)研究分析青草沙庫(kù)區(qū)近10年淤積和現(xiàn)狀水動(dòng)力特征情況，根據(jù)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力和水質(zhì)改善需求，初擬了2個(gè)疏浚規(guī)劃方案，方案布局如圖7所示。

圖7 庫(kù)區(qū)清淤疏浚方案布局圖

疏浚方案1，疏浚南汊頭部至南汊下游-2.0m等深線處，疏浚至底高程-2.0m，與上游閘閘前底高程銜接，沿南汊往下游疏浚，到輸水泵閘上游淺灘附近-4.0m等深線處，在庫(kù)區(qū)下游南側(cè)形成-4.0m深槽，與輸水閘閘底高程銜接，疏浚區(qū)總面積約228萬(wàn)m2，疏浚方量約為528萬(wàn)m3。疏浚區(qū)邊界距離長(zhǎng)興島老海塘200m，不影響長(zhǎng)興島老海塘穩(wěn)定安全。

疏浚方案2，疏浚南汊頭部至南汊下游-2.0m等深線處，疏浚至底高程-2.0m，與上游閘閘前底高程銜接，將南汊尾部和庫(kù)區(qū)下游主槽之間的過(guò)水通道拓寬并挖深至-4.0m，疏浚區(qū)總面積約218萬(wàn)m2，疏浚方量約為444萬(wàn)m3。

2.4 疏浚方案效果對(duì)比

對(duì)水庫(kù)實(shí)施清淤疏浚，既恢復(fù)了水庫(kù)庫(kù)容，也對(duì)庫(kù)區(qū)水動(dòng)力和水質(zhì)產(chǎn)生影響。采用青草沙庫(kù)區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)青草沙庫(kù)區(qū)不同疏浚方案的工程效果進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)汊道分流比

疏浚前后汊道平均流量和分流比對(duì)比情況見(jiàn)表1—2。疏浚后，南北兩汊的總流量不變；南汊平均流量和分流比有明顯增加，方案1和方案2的南汊分流比分別增加13.7%和13.8%，南汊水動(dòng)力明顯增強(qiáng)；北汊平均流量和分流比減小，北汊水動(dòng)力減弱。兩個(gè)方案對(duì)南北兩汊的過(guò)流量和分流比的影響程度相近。

表1 疏浚前后汊道平均流量對(duì)比表

(2)流速

疏浚前后庫(kù)區(qū)流速變化情況見(jiàn)表3。無(wú)風(fēng)條件下的青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化見(jiàn)如圖8—9所示，盛行東南風(fēng)條件下青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化如圖10—11所示。疏浚后，2個(gè)方案對(duì)庫(kù)區(qū)上游流速的影響規(guī)律類似，南汊、庫(kù)區(qū)南側(cè)中段水域的流速明顯增大，增幅約為1～3cm/s，庫(kù)區(qū)頭部和北汊流速有所減小，其他水域的流速變化較小。2個(gè)方案對(duì)庫(kù)區(qū)下游南側(cè)流速的影響規(guī)律略有不同?？傮w上，庫(kù)區(qū)內(nèi)流速增大的水域面積大于流速減小的水域面積。無(wú)風(fēng)條件下，方案1對(duì)流速的總體改善效果相對(duì)較好。盛行東南風(fēng)條件下，方案2對(duì)流速的總體改善效果相對(duì)較好。盛行東南風(fēng)條件下，疏浚對(duì)流速的改善效果大于無(wú)風(fēng)條件。

表3 疏浚前后庫(kù)區(qū)流速變化情況表

圖8 方案1疏浚前后青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化圖(無(wú)風(fēng))

圖9 方案2疏浚前后青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化圖(無(wú)風(fēng))

圖10 方案1疏浚前后青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化圖(SE風(fēng))

圖11 方案2疏浚前后青草沙庫(kù)區(qū)最大流速變化圖(SE風(fēng))

表2 疏浚前后汊道分流比對(duì)比表

(3)換水周期

疏浚前后庫(kù)尾平均換水周期對(duì)比見(jiàn)表4。無(wú)風(fēng)風(fēng)條件下，方案1和方案2對(duì)庫(kù)尾平均換水周期的減小幅度分別為6.2%、1.4%，方案1對(duì)換水周期的改善效果較好。盛行東南風(fēng)條件下，2個(gè)方案對(duì)庫(kù)尾平均換水周期的影響較小，變化幅度在1%以內(nèi)。無(wú)風(fēng)條件下，疏浚對(duì)換水周期的改善效果大于東南風(fēng)條件。

表4 疏浚前后庫(kù)尾平均換水周期對(duì)比表

(4)水質(zhì)

高錳酸鹽指數(shù)是常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)，長(zhǎng)江水進(jìn)入庫(kù)區(qū)后，水體中的高錳酸鹽指數(shù)在庫(kù)內(nèi)逐漸降解，出庫(kù)濃度小于進(jìn)庫(kù)濃度。葉綠素a是浮游植物進(jìn)行光合作用的重要色素，是表征藻類生物量的指標(biāo)，水庫(kù)中葉綠素a含量和藻類生物量顯著正相關(guān)[8]。長(zhǎng)江水葉綠素a濃度較低，長(zhǎng)江水進(jìn)入庫(kù)區(qū)后流動(dòng)減緩，在庫(kù)區(qū)流速、水深、光照等條件下逐漸生長(zhǎng)，濃度增大，出庫(kù)濃度遠(yuǎn)大于進(jìn)庫(kù)濃度。

現(xiàn)狀選用2021年非咸潮期某月的水質(zhì)情況，上游泵閘引水的高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a的平均濃度分別為2.3、0.002mg/L，輸水口的高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a的平均濃度分別為2.107、0.0139mg/L，詳見(jiàn)表5。

高錳酸鹽指數(shù)以降解為主，疏浚對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的影響較小。按方案1疏浚后，輸水口的高錳酸鹽指數(shù)平均濃度增加0.09%；按方案2疏浚后，輸水口的高錳酸鹽指數(shù)平均濃度減小0.05%，詳見(jiàn)表5。

表5 疏浚前后輸水口水質(zhì)濃度對(duì)比表

疏?？梢愿纳茙?kù)區(qū)改善水動(dòng)力，減少水力停留時(shí)間，減緩局部水域葉綠素a的生長(zhǎng)速率，減小輸水口的葉綠素a濃度。按方案1疏浚后，輸水口的葉綠素a平均濃度減小4.3%。按方案2疏浚后，輸水口的葉綠素a平均濃度減小2.2%。方案1對(duì)葉綠素a的改善率較大。

3 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)比分析青草沙庫(kù)區(qū)疏浚前后的水動(dòng)力和水質(zhì)情況，可以看出，對(duì)水庫(kù)實(shí)施清淤疏浚，南汊、庫(kù)區(qū)下游南側(cè)和庫(kù)尾的水動(dòng)力條件得到改善，輸水口的葉綠素a濃度有所減小，有利于改善供水水質(zhì)。方案1的總體效果相對(duì)較好。研究成果可為今后同類工程規(guī)劃提供參考與借鑒。

青草沙水庫(kù)總體清淤疏浚的工程量和投資較大，建議相關(guān)部門按計(jì)劃有序推進(jìn)青草沙水庫(kù)疏浚工作，先行實(shí)施淤積嚴(yán)重的主要引流通道，保障水庫(kù)正常運(yùn)行。

青草沙庫(kù)區(qū)疏浚產(chǎn)生的土方量較大，疏浚土的處置是個(gè)難題，建議對(duì)疏浚土進(jìn)行資源化利用[9]。