（环境工程专业论文）临港新城滴水湖水系水利调度研究.pdf

摘要 摘要 滴水湖是一个面积约5 6k m 2 的人工开挖、大型新生景观湖泊，位于上海市 临港新城中心。滴水湖及“三链、七射”构成的滴水湖水系，是临港新城的标志性 景观，其水环境质量对临港新城的经济社会发展至关重要。 滴水湖及链河、射河通过完善的水工构筑物与周边的浦东片河网独立开来， 构成了独立的可调控水系。另外，滴水湖临海，具备快速水利置换的条件。因 此，水利调度是上海港城公司对滴水湖水质维护的重要手段。针对这一问题， 开展了临港新城滴水湖水系水利调度研究。研究内容与成果是： ( 1 ) 在黄浦江流域1 d 2 d 耦合模型的基础上，增加了滴水湖水系，开发建 立了反映滴水湖水系河湖互联特征的平原河网模型，克服了以往单纯针对滴水 湖模拟过程中的入湖与出湖流量不切合实际的问题，从而能够对滴水湖及链河、 射河的水利调度进行综合考虑。 ( 2 ) 研究了不进行水利调度条件下，风驱动对滴水湖水动力条件的影响。 研究表明，风应力对滴水湖水流驱动有显著的影响，湖泊风生流场的平均速度 达0 0 4 - 0 0 7m s ，其中冬季西北风主导条件下的风生流场好于夏季东南风条件下 的风生流场。但是湖泊流场空间分布不均匀，在湖泊部分岸线及湖泊中心部分 区域存在着死水区。需通过水利调度消除死水区，尤其是湖泊岸线附近的死水 区。 ( 3 ) 研究了滴水湖水系的水利调度模式，包括大引大排模式和边引边排模 式。具体针对以上两种模式，分别模拟分析了滴水湖现状水系条件下不同引排 水口优化组合条件下的湖泊入湖与出湖水量，以及相应的水动力场及水质改善 效果。提出了相应的优化调度方案。 就大引大排和边引边排两种模式相比较而言，大引大排( 滴水湖水位1 5 m - - 2 7 m ) 的引水期问( 2 0 h ) 的水流场和水质改善效果，基本等同于边引边排条 件( 滴水湖水位维持2 6 m 一2 7 m ) 下引水9 6 小时的改善效果，即c o d m n 平均 浓度由1 0 m g l 降低至8m g l ，叶绿素平均浓度由1 5m g m 3 降至1 1m g m 。但 对于边引边排模式而言，前提是下在链河上设置闸门，形成引水直接入湖的人 工导流条件，以避免现状条件下引水水量通过链河短路而不进入滴水湖。 考虑到现阶段滴水湖水系的链河及射河上没有闸门，边引边排模式会产生 摘要 “短流”现象而难以有效实施，建议现阶段采用大引大排模式或小幅度的大引 大排也即引排分开的模式。 在远期滴水湖水系设置闸门后，可创造水流调度条件，使引水直接进入滴 水湖，实施边引边排的调度模式。对大引大排模式或边引边排模式，也可以通 过闸门调度优化入湖口设置，改善入湖口流场，消除不进行水利调度条件下单 纯风力驱动的死角区域。 ( 4 ) 随着临港新城的逐渐建设，初期雨水直排河道成为关注的问题。研究 针对滴水湖规划河网水系，研究了初期雨水污染快速阻断与快速排放的水利学 控制措施。研究提出通过在滴水湖湖口设闸的方式，阻断初期雨水污染入湖， 并从河道中快速排放。 模拟分析表明，出海闸开启条件下，滴水湖水系规划“三链、七射”从警 戒水位3 3 m 趁低潮降至常水位2 7 m 的时间为7 8 h ，从警戒水位3 3 m 趁低潮降 至1 5 m 的时间为1 7 1 9 h ，具备初期雨水快速排放的能力。 总体上，本研究针对受潮汐影响的复杂河湖互联水系，开展滴水湖水利调 度研究，探讨了河流流动与入湖、出湖流量的协同影响作用，并提出了水利调 度的优化方案和初期雨水入湖阻断措施。 本研究最后还提出了深入开展研究的若干建议。 关键词：滴水湖，水利调度，水动力，水质，数学模型 a b s t r a c t d i s h u il a k e ，l o c a t e di nt h ec e n t r eo fl m g a i l gn e wt o w n , i sa na r t i f i c i a ll a k eo fa l a r g es c a l ew i t ha na r e ao f5 6k m 2 a st h el a n d m a r ko f t h i sn e wc i t y , d i s h u ll a k eh a s ad i a m e t e ro fa b o u t2 7k i l o m e t e r s ，a na v e r a g ed e p t ho f3 7 m , an l a x i l n u md e p t ho f 6 2 m a n dac a p a c i t yo f1 2 0 0 - 1 6 0 0m i l l i o nm 1 1 豫w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yo f d i s h u il a k ei sc r i t i c a lf o r t h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n to f l i n g a n gn e w c i t y t h ef l o wc o n t r o ls t n l c t u r e ss e p a r a t ed i s h u ll a k ew a t e rs y s t e mf i o mt h er i v e r n e t w o r kt ot h ee a s to f h u a n g p ur i v e r , w h i c hm a d ei ta ni n d e p e n d e n to n e b e s i d e s ，a s d i s h u il a k el i e sn e a rt h es e a , w h i c hm a d ei ta b l et oa c h i e v ew a t e rr e p l a c e m e n ti na s h o r tt i m e , w a t e rc o n s e r v a n c yi sa l li m p o r t a n tm e t h o dt oa m e l i o r a t et h ew a t e rq u a l i 哆 o ft h i sw a t e rs y s t e m , b a s e do nw h i c h , t h er e s e a r c ho f 嘲t 盯c o n s e r v a n c yo fd i s h u i l a k ew a t e rs y s t e mw s sm a d e t h ea c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h e1 d - 2 dc o u p l i n gm o d e lo f h u a n g p ur i v e r , an e wp a r ta b o u td i s h u i l a k es y s t e mi sa a d e d , a n dt h er i v e rn e t w o r km o d e li np l a i na r e aw i t ht h ec h a r a c t e ro f l a k e f i v e rn 蜘r ki sa l s os c tu p ，w h i c ha v o i d st h ep r o b l e mt h a tt h ep r e v i o u sr e s e a r c h o nd i s h u ll a k eo n l ym a k e sa ni s o l a t e dl a k em o d e lb a s e do nu n r e a s o n a b l ef l u x b o u n d a r yc o n d i t i o n s w i t ht h i sm o d i f i e dm o d e l i tb e c o m e sp o s s i b l et om a k ef m l c o n s i d e r a t i o no nt h ew a t e rt r a n s f e ro ft h ew h o l ew a t e rs y s t e mi n c l u d i n gb o t hr i v e r s a n dl a k e ( 2 ) b a s e do nt h ed e v e l o p e dh y d r o d y n a m i c sm o d e l ，t h es i m u l a t i o no fw i n d d r i v e n f l o ww i mw i n dc u r r e n t so f n w 6 m sa n ds e 4 m si sm a d e i ts l 培g e s t st h ef l o wd r i v e n b yw i n di so b v i o u s ：t h ea v e r a g ev e l o c i t yo f t h ew a t e rs y s t e mi s0 0 4 - 4 ) 0 7 m s ，a n dt h e h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n sb r o u g h tb yn w 6 m s i sm u c hb e t t e rt h a nt h a tb ys e 4 m s h o w e v e r , t h ew a t e rv e l o c i t yv a r i e di nd i f f e r e n tp a r t so ft h el a k e ，a n di ns o m ea r e ai n s h o r ea n di nt h ec e n t e ro ft h el a k et h ew a t e rv e l o c i t yi s 删t cl o w t h e r e f o r e ，w a t e r c o n s e r v a n c yi sn e e d e dt or e d u c et h ea r e aw i t hl o ww a t e rv e l o c i t y , e s p e c i a l l yi ns o m e a r e ai ns h o r e ( 3 ) t w ok i n d so fw a t e rc o n s e r v a n c y ,n o n s y n e h r o n o u sa n ds y n c h r o n o u s d i s c h a r g e - d i v e r s i o n , w e r e s i m u l a t e dt o a n a l y z ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o no f i i i d i s c h a r g e - d i v e r s i o np o r t sf o r t h ep r e s e n tw a t e l s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea m e l i o r a t i o n e f f e c t so f f l o w i n gf i e l da n dw a t e rq u a l i t y , t h eo p t i m i z e ds c h e d u l e sw e r ep r o v i d e d t h ea m e l i o r a t i o ne f f e c to ff l o w i n gf i e l da n dw a t e rq u a l i t yf o rn o n s y n e h r o n o u s d i v e r s i o nf o r2 0 hi se q u a lt ot h a to fs y n c h r o n o u sd i s c h a r g e - d i v e r s i o nf o r9 6 h , w h i c h m e a n st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d w a sr e d u c e df r o ml o m g l t os m g l ，w h i l e t h ec o n e e n t m t i o no fc h l o r o p h y l lw a sr e d u c e df r o m15 m g m 3t o11 m g m h o w e v e r , t h ep r e c o n d i t i o nf o rs y n c h r o n o u sd i s c h a r g e - d i v e r s i o ni st h a taw a t e rg a t es h o u l db e s e tu pt og u i d et h ei n f l o wi n t ot h el a k ei n s t e a do fd i s c h a r g e dd i r e c t l yt h r o u g ht h e r i n g - r i v e r a st h e r ei sn ow a t e rg a t ea c r o s st h er i n g - r i v e ra n dv e r t i c a l - r i v e r , t h ea p p l i c a t i o no f s y n c h r o n o u sc o n s e r v a n c yw o u l db r o u g h tf l o ws h o r tc i r c u i t , t h es u g g e s t i o nw a sm a d e t h a tn o n s y n c h r o n o u sc o n s e r v a n c yi sm o r es u i t a b l ea tp r e s e n t i nf u t u r e ，a f t e rt h ew a t e rg a t e sw e r ec o n s t r u c l e c la c r o s st h er i v e r , t h ei n f l o wc o u l d b eg u i d e dt oa v o i dt h es h o r tc i r c u i tt op e r f o r ms y n c h r o n o u sc o n s e r v a n c y f o rb o t h n o n s y n c h r o n o u sa n ds y n c h r o n o u sc o m e r v a n c i e s ，aa p p r o p d a t es c h e d u l eo fw a t e r g a t e se o n 仃o lw o u l db eh e l p f u lt oa m e l i o r a t et h ef l o w i n gf i e l di nt h er i v e r , e s p e c i a l l y f o rs o m ea r e an e wt h ep o r t s ( 4 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i n g a n gn e wc i t y , t h ei n i t i a lr a i nw a t e rw o u l db ea n i m p o r t a n tp r o b l e m a i m i n ga tt h ep l a n n e dw a t e rs y s t e m , t h em e a s u r e st op r o t e c tt h e d i s h u il a k ef r o mp o l l u t i o na n dq u i c kd i s c h a r g eo fi n i t i a lr a i nw a t e rw e r er e s e a r c h e d t h es u g g e s t i o no fs e t t i n gu pg a t e sa c r o s sa l lv e r t i c a lr i v e r sw a sm a d et os e p a r a t et h e p o l l u t e dr i v e rw a t e ra n da c h i e v eq u i c kd i s c h a r g eo f p o l l u t e x tw a t e r t h es i m u l a t i o ns h o w e dt h a tp r o v i d e dt h a tc h u h a ig a t ew e r eo p e l l ，i tw o u i dc o s t a b o u t1 7 - 1 9 hf o rt h i sp l a n n i n gw a t e rs y s t e mt or e d u c ew a t e rl e v e lf r o m3 3 mt o 1 5 m ，w h i c hd e m o n s t r a t e di t sa b i l i t yt om a k eq u i c kd i s c h a r g e g e n e r a l l y , b a s e do nt h i sc o m p l e xr i v e r - l a k et i d i n gw a t e rs y s t e m , t h er e s e a r c ho n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rf l o wa n df l u xb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r em a d e ，a n dt h e m e a s u r e st op r o t e c td i s h u il a k ef r o mi n i t i a lr a i nw a t e ra n do p t i m i z e ds c h e d u l ef o r w a t e rc o n s e r v a n c yw e r ep r o v i d e d f i n a l l y , s e v e r a ls u g g e s t i o n so rs u b s e q u e n tr e s e a r c hw e r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：d i s h u il a k e ，w a t e rc o n s e r v a n c y , h y d r o d y n a m i c ，w a t e rq u a l i t y , v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：耋州 汕产j 月1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：老7 淑、 妙舻3 月刃日 第1 章概论 第1 章概论 1 1 研究背景与意义 滴水湖水系是临港新城地标，为人工开挖形成的湖泊，呈圆形，寓意为一 滴来自天籁的水滴，落入大海，泛起层层涟漪。滴水湖直径约2 7 公里，总面积 约为5 6 平方公里，平均水深3 7 米，最大水深6 2 米，湖区容量1 2 0 0 1 6 0 0 万 立方米o l 。该水系完全建好后由“一环”、“三横”、“四闸”、“七纵”组成。 从临港新城经济和社会发展需求角度看，整个临港新城主城区都规划在滴 水湖水系范围内，良好的环境，特别是水环境，是其招牌和最好的招商引资的 广告，而招商引资又关系到新城全面发展的进程。相反，水环境和生态环境较 差，必将直接影响到新城经济的发展，也必将限制到新城其它方方面面的发展 因此，滴水湖水质改善与保持对临港新城经济社会发展具有重要意义。 滴水湖及链河、射河构成的河湖相联水体，是上海平原潮汐河网的一部分。 从上海平原潮汐河网的水环境综合整治经验及国内外湖泊整治经验分析，滴水 湖水质维持及改善的措施可以分为三大类：截污、调活、净化。 1 截污。减少外来污染，包括削减点源污染和进行面源污染防控。 滴水湖水系通过大治河引水，因此需对大治河南北两岸的点源和面源污染 进行有效控制。 在上海市第三轮环保三年行动计划和环境保护“十一五”规划中，南汇区将以 大治河水源保护为重点，同步开展水污染源整治以及总管、干管建设与污染源 截污纳管工程。区内城镇化地区污水收集管网覆盖率达到7 5 ，污水收集管网覆 盖范围内水环境污染源截污纳管率达至u 7 0 ，城镇污水处理率达到6 0 ，因此， 大治河流域沿岸的污染源排放将得到有效控制。从而有助于改善引水河水质。 2 净化。在滴水湖水系内部，采用生物生态的措施，对滴水湖水系内部河 道水质进行就地净化。 水体就地净化的技术包括生物浮岛、生物栅、生物网箱、生物膜法、生物 制剂、湿地技术、前置库等。目前国内的有关科研机构如华东师范大学、上海 水产大学等单位在滴水湖水系的c 港和d 港河道开展了河道水质就地净化技术研 究，起到了一定的成效。 第1 章概论 3 调水。利用水闸等水工构筑物，形成人工控制的水流运动条件，对水体 进行置换，实现引清排污。同时，加快水体水流运动，提高水体自净能力。 滴水湖及涟河、射河通过已建的水闸等水工构筑物，与浦东片河网隔离开 来，形成了相对独立的水系。此外，滴水湖濒临东海，能够对水体进行快速置 换。因而，滴水湖水系具备优越的水利调度条件。上海港城开发集团公司多年 来一直将水利调度作为滴水湖水系水质改善与保持的行之有效，进行了大量的 调水实践。但是，如何对滴水湖及链河、射河的水利调度进行优化，是需要解 决的问题。尤其是在滴水湖水系的三链、七射开挖完成后，滴水湖水系的水利 调度更为复杂，更需要对滴水湖水系的水利调度进行优化论证。 基于以上分析，水利调度既是改善滴水湖水质的有效途径，更是常态手段。 上海港城开发集团公司多年来进行的调水实践，充分证明了这一点。为此，本 研究针对滴水湖水系水质改善与保持的需求，专门开展滴水湖水系水利优化调 度研究。为了分析论证滴水湖水系的水利调度，应建立滴水湖水系的水动力和 水质模型，通过系统分析各种调度方案下的滴水湖水系流场和水质改善效果， 选取最优化方案，为滴水湖引排水调度起提供理论依据，具有很强的现实意义。 1 2调水改善水环境研究综述 随着经济的快速发展、城市化进程的加快，工厂、农业、生活废水不加处 理直接排入河流湖泊而导致的各种水体污染问题日趋严重。在水利资源充沛地 区，人们常常采取修建水利工程调水改善水环境。这些水利工程如河道、水闸 ( 节制闸，套闸) 、泵站等，为防洪、防潮、除涝、引水灌溉、环境用水、内 河航运、改良土壤等发挥了巨大作用，将其通过合理地调度运行，既可以增加 引清水量，稀释湖水，降低污染物浓度，又可以调活水体增加流速，水体的复 氧、自净能力，加快污染物的降解，从而达到改善水质的目的。 1 2 1 国内外水利调度案例 从6 0 年代起，引水修复水环境的方法开始在德国的鲁尔河，日本的中川1 、 新町川、和歌川和俄罗斯的莫斯科河得到应用，并取得显著成效。1 9 6 4 年，东 京为了改善隅田川i 的水质，从利根川和荒川引入1 6 6 m 3 s 清洁水进行冲污，改 变了隅田川i 的黑臭现象。其后，西方国家陆续开始了类似的工作。如美国e p a 利用c o l u m b i a 河水每天置换m o s e s 湖水1 0 - 2 0 的水量，湖水水质得到明显改 2 第1 章概论 善：。美国g r e e n 湖和s n a k e 湖，在分别加入自来水和用水泵抽入地下水后，水 质均出现了不同程度的好转。加拿大b u f f a l op o u n d 湖，向湖水中加入营养盐含 量低的水稀释，湖中优势种由绿藻转化为大型水生植物。另外，荷兰v e l u w e m e e t r 湖的引换水工程，美国引密西西比河入p o n t c h a r t r a i n 湖的引水工程等均取得了不 错的效果 3 1 。可以说，国外早期的水环境修复主要是从外部引入净水对水体内部 的污水进行稀释，可能的话，将原有的一部分脏水给换走。从国外的经验看， 调水的重要条件是要有一个能够提供充足水量的外部净水源，并且还要有一个 合适的排水口。 1 2 2 国内研究进展 在国外实践经验的启示下，中国也开始了一系列调水修复水环境工程，其 中最早的是南京玄武湖，但大规模的工程应用则开始于上世纪8 0 年代末上海市 选择有关水利控制片就利用已建水( 泵) 闸工程开展了引清调水试验工作 4 1 。在此 之后，南京( 玄武湖) s - s l 、苏州( 内河) 9 1 、无锡( 太湖) 9 - 1 2 】、福州( 内河) 1 3 - 1 6 1 、杭州( 西湖) 1 7 - 1 s 1 、昆明( 滇池) 1 9 - 2 1 、张家港( 河网) 2 3 - 2 4 等地则陆 续开展了通过水资源调度改善水环境的试验研究和实践。这些工程大多取得了 良好的社会和经济效益，对改善水环境取得了一定的作用，并且也给后面的实 践带来许多宝贵的经验，这其中最受瞩目的当属上海苏州河的水环境治理。 苏州河全长1 2 5k m ，源出于太湖瓜泾口，经江苏省苏州市后在青浦赵屯处 流入上海市，并于黄浦公园处汇入黄浦江。在第一次世界大战后，大量工业废 水和生活污水排入苏州河，1 9 4 9 年已经是由河口至曹家渡河段终年全河段黑臭， 1 9 5 6 年污染上溯到北新泾( 距河口1 7k i n ) ，1 9 6 9 年上溯至华槽，1 9 7 8 年上溯到 赵屯，此时上海市境内苏州河全部黑臭，水质劣于v 类水。1 9 9 8 年，上海正式 开展引清调水工作，在1 9 9 8 至1 9 9 9 年间，共进行了三次调水实验。实验通过 启闭吴淞路桥闸，将苏州河由双向流动变为单向流动，可使中下游河水污染物 浓度下降1 5 3 0 。在实施综合调水后，苏州河干流已于2 0 0 0 年底基本消 除黑臭【2 5 之7 】。 这些调水治理水环境的实例可以大致分为这么两类： 1 针对河流或河网的调水，如苏州内河、福州内河、张家港水系等。除苏 州内河为单段河道外，福州内河，张家港水系实际上均是河网。河网地区的一 个重要特点是影响范围较大，而且结构复杂。影响范围较大意味着附近需要纳 3 第l 章概论 管截污的地区更多，这需要市政部门对河流附近的地区截污，从源头上截断进 入河流的污染物，而结构复杂的问题在于水流流向难以确定，引水可能无法改 善整个河网的水动力条件，并且福州，张家港均为潮汐河网地区，排水必须考 虑潮位的影响。对此，开发合适的水动力和水质潮汐河网模型，事先对河网调 度的效果加以充分的模拟研究，从中选出最优调水路径和闸门调度方式，往往 事半功倍。 2 针对湖泊的调水，如玄武湖、太湖、西湖、滇池等。由于本身库容巨大， 湖泊调水的最大问题在于附近有没有合适的水源能够提供充足的水量以替换湖 水，以及附近有没有合适的出口排放被置换的湖水，后面这点对于我国来说尤 为重要，因为近几十年来社会发展，湖四周的湿地已被开发殆尽。滇池调水问 题之所以持久不下，就是因为附近没有合适的水源，要引水必须开挖较长的河 道，工程耗费巨大。而西湖引钱塘江水由于钱塘江水位高于西湖，必须使用水 泵，日引水量达4 0 万立方米，消耗大量能源，而由于钱塘江江水质量也在逐渐 下降，必须对引水处理后再排入湖中。西湖引水优点在于有1 5 个水口，能够充 分改善湖泊水动力条件。太湖引水仅依靠望虞河引水和太浦河供水，引供水线 路过于单一，相对太湖的巨大库容，引排能力有限，换水时间太长。玄武湖引 的长江水由于夹带泥沙太多并且沿途排入大量工业废水，造成湖淤积，水质改 善效果也不好。 本研究对象滴水湖水系是一个复杂的河湖互联系统，是河网水利调度和湖 泊水利调度的有机结合。以下对河湖互联调度的技术问题进行论述。 1 2 3 河网水利调度的基本原则 ( 1 ) 河网水流调度的基本条件 在受潮汐影响的地区，水流通常是往复流动，涨潮和落潮时的流向正好相 反，在这些河流中，如果有污染物纳入，常会形成一定规模的污水团，影响河 流水质。 对平原河网地区实施水流调度主要是改变或控制水流流向和流量( 在潮汐 河流控制净泄量) ，达到“以动治静，以清释污，以丰补枯，改善水质”的目 的。 实现区域河网水流调度必须具备三个先决条件： 一是比较完善的泵闸控制系统，通过泵闸的开启与关闭，完成水流的调度； 4 第1 章概论 二是比较丰富的水量资源，满足水流内、外循环的要求； 三是河流上、下游能人工控制到一定的水位差。 对于潮汐河流，可通过河口闸门启闭形成闸内外的水位差，以利于水流调 度，且运行成本较低。当然通过河口泵站的引排水也可实现水流调度的目的， 但运行成本较高。 目前，上海市决大部分地区已形成了水利分片治理的格局，均有完善的水 利基础设施，有大量的泵闸系统，这为河网水流调度提供了有利条件。 ( 2 ) 河网水流调度的原则 河网水流调度主要是利用完善的泵闸系统和丰富的水量资源，在保证满足 防汛、抗旱、航运等水利功能的前提下，改善平原河网地区的水质污染和汛期 排涝等问题。在实施河网水流调度时，必须坚持以下几条原则： 保护和改善饮用水源地水质优先原则 在制定和实施河网水流调度方案时，应体现保护和改善饮用水源地水质优 先原则： 优先制订并实施保护和改善饮用水源地水质的河网水流调度方案。 污染水体不得向饮用水源地流动，以免影响水源地水质。 在制订区、县级水源地水质改善调水方案时，不得影响集中式饮用水源地 水质。 防止污染源扩散原则 利用河网水流调度可防止水体因人为干扰出现水流不畅或静止状态而导致 的水体污染加重，水体使用功能下降等问题。在对河网实施水流调度时，应做 到： 调水水源水质优于流动调活水体的水质，同一条河流水流必须从相对清洁 河段向相对污染河段流动； 受纳水体的水质不能出现明显恶化而影响水体使用功能。 充分利用现有水利设施原则 利用完善的水利设施科学合理地调活水体对改善河流水质能起到事半功倍 的作用。在调水过程中，应做到： 为改善水环境质量，充分发挥现有水利设施的作用，科学合理地调活水体； 正常情况下不需要调控的闸门，应保持畅开，使水流处于自然流动状态。 防汛与水环境保护并重原则 5 第1 章概论 水利设施的建设和运行必须同时发挥防汛、水环境保护、航运、抗旱等功 能，不能顾此失彼。在实施河网水流调度时，要正确处理好水体的各种功能， 做到： 在制定和实施河网水流调度方案时，应避免水质改善与防汛、抗旱、航运 之间的矛盾，合理控制调水水位； 在防汛特殊时期，闸门调度应优先服从防汛要求； 在正常情况下，闸门调度应优先考虑水环境保护和水质改善： 在新建水利设施时，应兼顾对水质改善的作用。 ( 3 ) 流向和流量控制 控制流向和流量是实施河网水流调度，改善调水水体水质的关键。为改善 单一河流的水质进行水流调度，流向和流量控制应实现以下目标： 防止污染程度超过目标水体的河流汇入，控制污染河流的水流向目标水 体相反方向流动； 如果目标水体可双向流动，且污染程度不均匀，存在严重的污染河段， 目标水体的流向控制应保证污染不再进一步扩散，保证相对清洁的水体向相对 污染的水体流动。 对于潮汐河流，要把双向往复流控制为单向流，防止污染水体的回荡。 在控制流向的同时，要增加目标水体的流量。一般而言，一条河道的纳 污总量是相对恒定的，增加目标水体的流量，可提高河道的清污比，有利于改 善河流水质。 在通过控制流向和流量，达到改善水体水质目标的同时。要考虑受纳水 体的承受能力，保证受纳水体的水环境功能不受明显影响。 为改善河网地区一定区域范围内河流的水质而实施的综合调度，流向要依 照下列原则进行控制； 有外来清水水源保证的前提下，流向的控制要最大限度地增加调水流经 的河道，提高区域内河道的清污比和水流流速，改善河网的水动力条件。 没有外来清水水源时，要因地制宜，通过河网内部泵闸的开启与关闭控 制水流流向，控制污染物进入主要河道，并保证河道内污染物及时排出。 静态河网、动态水体、科学调度。科学、合理地调度泵闸系统，充分利 用水资源，尽量使水体流动起来。 6 第1 章概论 1 2 4 河湖互联水利调度的数学模拟技术 河网水利调度的传统优化论证工具是河网水动力与水质模型。 在平原河网水流模拟研究方面，韩龙喜网等基于改进的湄公河模型提出了 平原河网水力模型，徐祖信、尹海龙、廖振良、卢士强等先后开发了上海市苏 州河流域一维水动力与水质模型、大尺度平原潮汐河网一维、二维耦合模型 2 9 - 3 0 ；李毓湘1 3 l 】等采用三级联解法开发了珠江三角洲河网水动力模型；林荷娟， 杨洪林等【3 2 】采用四点隐式差分格式开发了改进的太湖流域河网水动力模型；詹 杰民等提出了基于改进三级联解法的河网水动力数学模型；褚君达 3 4 1 等建立 了网状河道中非稳态的水质模型；戴昱【3 5 】等基于河道法和w a s p 6 建立了集成产 汇流模型、多种闸门运行方式的受潮汐影响闸控河网水质模拟。在河口海岛型 的平原潮汐河网地区，河网水流运动受闸门等水工构筑物强人工调控的影响， 因此，平原河网水流模拟的重点在于解决不同时间闸门人工调控运行模式对水 流运动的影响问题。 但就河湖互联水体的联合水利调度而言，由于研究区域水系既包括既包括 河道又有湖泊，单纯采用一维模型虽然能够满足河网研究需要，但是不能够满 足湖泊这样的明显平面空间尺度差异水体的研究需要。因此，有必要针对不同 水体的空间特征及研究需要，建立一维和二维相耦合的水环境数学模拟模式。 徐祖信、尹海龙【3 6 】建立的复杂平原潮汐河网地区多尺度( i d 2 d ) 耦合数学模型 模式是一个成功的范例，可用于对河湖互联水体的水利调度进行论证。 1 2 5 河湖互联水利调度的水质改善效应研究进展 ( 1 ) 水利调度对大气复氧速率改善效果研究 大气复氧系数是表征河流复氧能力的重要指标，也是河流水质模型中的重 要参数。对河流大气复氧系数的研究始于2 0 世纪5 0 年代末，涉及到水气界面传 质理论、水体内部紊动特性等多学科知识，加上天然河流流动形式复杂多变， 目前对这些机理问题的认识还很不成熟。 最初，人们从纯理论角度( 包括双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论、 表面再生理论、界面热力学和动力学理论等) 研究大气复氧系数的预测公式， 提出了一系列的理论公式。 大气复氧是水与大气接触时，河流与大气之间的氧交换过程，天然河流内 溶解氧一般都呈不饱和状态，所以氧的净迁移是从大气进入河流的。通常用传 7 第1 章概论 质系数与饱和溶解氧同实际溶解氧差值的乘积来计算河流的复氧能力，即 只= k lc s c ) 式中，c 通过水面进入的溶解氧通量； c 溶解氧浓度i 。s 饱和溶解氧浓度； 表面传质系数。 实际上，在河流和垂直混合的河口模拟中，经常用垂向平均的氧通量c 来 计算河流的复氧能力，即 辱：堡：蔓( c 。一c ) ( 1 1 ) 式中，h 水深：其它符号同上。 在公式( 5 1 ) 中，表面传质系数和水深结合成一项，称为大气复氧系数， 一般习惯用a z 表示， x ，= 二= ( 1 2 ) 式中，五：大气复氧系数，其它符号同上。 上式仅从表面传质的角度考虑大气复氧系数，没有考虑河流紊动、风速、 水质等因素对河流复氧的影响作用。实际河流中，大气复氧系数受河流边界条 件、流速、风速、水质、温度等综合因素的影响，不同河流或同一河流的不同 时期，其大气复氧系数都可能不同。 在实验室和现场测定的基础上，针对不同的河流，研究者提出了许多经验 公式和半经验公式，大大拓宽了人们的研究领域，为大气复氧系数提供了多种 预测手段。 大气复氧是个气液传质过程，水流速度和水体与空气接触面的大小及其更 新速率对氧的溶解速率影响很大。一般而言，流速越大，水体混合速度越高， 水气交界面的更新速度越快，相应氧的溶解速率就越大，上述因素的影响都反 映在大气复氧系数的大小。在长期的研究和观测工作中，人们总结出了考虑流 速、水深和水力坡度等影响的各种形式的复氧系数计算公式。这些公式均表明 复氧系数随断面平均流速和坡降的增大而增大，随水深的增大而减小。 我国的研究者指出，一般情况下，在水温为2 0 ，河水流速小于o 5m s 时， k 2 可取o 2 d 一；如果河水流速很大，k 2 值可达o 5 d 一，有时甚至可高达1 0 d 一。 而对于湖泊、池塘，由于水流速度缓慢，k 2 值可低至0 0 5 d 。 针对不同流速和水深的河流，c o v a r 采用三个公式计算河流的复氧系数，这 8 第1 章概论 三个方程是：0 c o n n o r - - d o b b i n s ( 1 9 5 8 ) ，c h u r c i l l 武a 1 ( 1 9 6 2 ) ，o w e n se ta 1 ( 1 9 6 4 ) ， 根据这三个预测公式，大气复氧系数同河流流速、水深存在明显的相关性，见 图5 6 。 以上方程可写为一个比较通用的表达形式 置，：i 芝 ( 1 3 ) 式中，越河水平均流速； 厅水深； j 、历、以经验常数。其它参数同前。 七、1 1 1 、n 依赖于河流紊动条件，并与渠道坡度和不规则系数有关，如表1 1 所示。 表1 1 各种经验公式系数取值及其适用范围 以上预测公式经过多年的实践检验，适用范围较广，可靠性高，在许多河 流水质模型应用研究中得到了广泛使用。公式中的经验常数k 、m 、n 也可根据 被研究河流的实测资料加以修正，以使该公式更好地反映河流的实际情况。 ( 2 ) 水利调度对好氧有机物降解效果研究 c o d m 。等耗氧有机物浓度是反映水体污染状况最重要的指标之一，在进行 耗氧有机物模拟时，通常需要考虑生化降解速率k 。耗氧有机物的生化降解过程 复杂的有机物耗氧反应过程，该过程受污染物性质、浓度、水温、水流条件和 水中溶解氧浓度等因素的影响，这其中最为关键的当属水温和水流速度。 9 第1 章概论 在以往的耗氧有机物衰减系数估算研究中，人们常常把降解系数只表示为 温度的函数。但1 9 7 9 年赖特【3 7 】( w r i g h t ) 根据美国各地2 3 个水系3 6 个河段资料的 b o d ，降解系数资料，进行回归分析，得至i j b o d 5 降解系数与河流流量和水温具有 较高的相关性。在其他类似的水质模拟研究过程1 3 s 】中，人们也发现b o d ，降解系 数和水流条件的关系比较密切，研究发现由于水流紊动等水力学条件的影响， 实验室内实测得到的b o d 5 降解系数通常小于天然河道的降解系数，b o s k o l 3 9 】建 立了天然河流b o d 5 降解系数与实验室那实测值之间的经验关系公式： 置：( 点二m + a u - - ) 1 0 4 7 7 一” ( 1 4 ) 一h 其中，坞。是2 04 c 下静止环境中的b o d 5 降解系数；口为水流动力影响系数。 t i e m y 和y o u n g t 3 9 = j ：1 9 7 4 年对水流动力影响系数口展开了较为深入的研究， 通过试验得到： o r = 0 1 9 7 i o ”( 1 5 ) 其中，i 为河流比降，。试验比降i 的变化范围为0 2 一6 6 ( 3 ) 水利调度的抑藻效应研究进展 经典的浮游植物生长模型认为，蓝藻生长取决于三个关键因素，即光强、 营养盐、温度，相应藻类生长速率表达为k g = f ( i ) x ，r j ，r 到。其中，光强 和藻类生长速率关系满足m i c h a e l i s - m e n t e n 公式，营养盐和藻类生长速率关系同 时满足m i c h a e l i s - m e n t e n 公式和l i e b i g 最小化定律，而温度和藻类生长速率关系 满x e a r r h e n i u s 公式。t h o m a n n 和m u e l l e r 、j q o r g e n s e n 、k r o m k a m p 和w a l s b y 、 r e y n o l d s 、t h e b a u l t 和q o t b i 、等先后给出了蓝藻生长模型中各参数的推荐值【“删。 该经典模型已经广泛应用于水体富营养化过程模拟，但是没有考虑水动力条件 对藻类生长速率的影响。 近年来，国内外学者的研究相继表明，控制水流速度能够抑制藻类生长， 因而可以采用生