世博园区水量模型构建及应用

世博园区水量模型构建及应用

1“博弈水质应急管理系统”水环境管理白莲井全长10.5公里。该区域主要包括四个河流：白莲井、中汾井、唐家浜和春塘。安装有6个荷花卡和3个荷花卡的观气门、白莲泾泵门、春塘河北门、春塘河南门、中芬井北口、唐家浜水站6个和三个白莲云莲和6里雨水站。白莲泾属平原感潮河网区,地势平坦、河网密布,水量充沛,但水质较差。2009年,白莲泾水质处于Ⅲ—劣Ⅴ类之间,主要污染指标NH3-N不能达到功能区水质Ⅳ类的要求。区域内水位受沿江沿海泵闸控制,既承上游区域来水,又受沿海潮汐影响,并常遇台风且伴随暴雨和高潮的侵袭,易形成风暴潮及内涝灾害,防汛排涝任务十分艰巨。白莲泾区域河网、水闸、水文站点见图1。白莲泾作为世博园区内的景观核心之一,是园区内的生态环境敏感区域。白莲泾的防洪安全、水质改善及突发水污染事故应对策略等水安全问题对世博期间国家形象、民生保障有重大干系。“世博水质应急管理系统”可对白莲泾区域水环境突发污染事故进行事故模拟、预案模拟、预案分析评价等。该系统的核心为白莲泾区域水量(水文、水动力)水质模型,是基于DHI(丹麦水力研究所)研发的MIKE11水环境模型软件系统建立的。浦东新区水文水资源管理署作为该模型的直接用户,通过对白莲泾区域河道水文、水质、雨水泵站、水闸、槽蓄等现状的再调查与资料再搜集,重新完善了该模型。借助白莲泾区域水量、水质模型,研究河网水力要素的时空变化过程,有助于认识感潮河网水动力变化特性,为制定和优化调水方案并进一步实现建立水资源环境管理决策支持系统提供科学依据。通过模拟水质变化过程,可预防突发污染事件,实现采用科学手段解决白莲泾区域防汛安全、水环境保护和改善等问题。鉴此,本文采用2009年10～12月的数据对模型重新率定,并采用2010年1～3月的数据验证,结果表明模拟效果较好。2网问题的大难题水流的往复性及河网结构的错综复杂性,是研究平原感潮河网问题的一大难题。基于模块化的方式开发了水量水质模型,其中水量模型是水文模型和水动力学模型的耦合,水质模型是对流扩散模型和整合了生物化学反应的生态模型的耦合。2.1nam水文模型2.1.1地表径流计算MIKE11NAM水文模型中,NAM在流域范围内模拟降水、蒸发、下渗、地表水与地下水的交换及地表径流等水文过程,以集水区为单位模拟计算地表降雨径流量,模型的计算结果为河网水动力模型提供地表径流入河流量。2.1.2雨污混接现象研究区域属于城区,降雨径流通过城市雨水管网汇入沿河的雨水泵站,再由雨水泵站按调度规则抽水排入白莲泾。白莲泾区域内存在雨污混接现象,工业及生活污水经流泵站排入河道,污染水质。模型根据雨水泵站服务区,结合镇、街道、主干河道划分了3个集水区,集水区信息见表1。为模拟雨水泵站的调蓄作用,采用虚拟河道的方式概化调蓄池及泵站。通过虚拟河道连接集水区与模型河道,集水区产生的径流与面源污染首先进入虚拟河道,再通过虚拟河道上的闸门模拟泵站调度。图2为雨水泵站系统及其概化图。2.1.3相对误差和确定性系数用NAM模型模拟白莲泾雨水泵站累积排放水量结果见图3。由图可看出,整个模拟期的相对误差为-11.89%,有4个值的相对误差大于5%,确定性系数为0.994,模拟结果较好。误差产生的主要原因是初始值计算偏大,即模型初始条件与实际有偏差。2.2hd水动力模型2.2.1圣维南方程模型河网水动力模拟的基本目的是提供河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息,并模拟泵站和闸门调度规则对河道水文条件的影响,为水质模型提供基础信息。水动力学模型采用的是MIKE11HD模型,基本原理为圣维南方程组。其差分格式采用了六点中心隐式格式,数值计算采用传统的追赶法,即双扫算法。计算网格由水位点和流量点交叉组成。圣维南方程组为:⎧⎩⎨⎪⎪∂A∂t+∂Q∂x=q∂Q∂t+∂∂x(Q2A)+gA∂h∂x+gQ|Q|C2AR=0(1){∂A∂t+∂Q∂x=q∂Q∂t+∂∂x(Q2A)+gA∂h∂x+gQ|Q|C2AR=0(1)式中,A为过水断面面积;Q为流量;x为距离坐标;t为时间坐标;q为旁测入流量;g为重力加速度;h为水位;R为水力半径;C为谢才系数。2.2.2调蓄能力分析河网概化的原则是能基本反映天然河网的水力特性,即概化后河网、湖泊的输水能力和调蓄能力与实际河网、湖泊相近或基本一致。本文根据现有河网地形图、河道断面数据概化河网及其河道断面,同时考虑除概化河网外的其他调蓄水面的调蓄作用。模拟范围包括黄浦江、白莲泾及其主要支流(春塘河、中汾泾、汤家浜)。模型概化河网见图4。2.2.3水工建筑物研究区域的多个闸门和雨水泵站对控制白莲泾的水体流动有关键作用,可通过MIKE11的河网编辑器模拟闸门运行对水动力的影响。2.2.4边境条件模型的边界设在有实测水文站点的地方。模型中的开边界见表2;闭边界为三条虚拟河道;内边界为泵站入流。2.2.5水位模拟计算验证结果利用2009年10～12月实测水位流量数据对模型进行率定,利用2010年1月1日～3月12日数据进行验证。各河段基本糙率一般为0.033。代表站点的率定和验证结果见图5。图5中园区站水位模拟的平均相对误差为1.35%,仅2处计算值比实测值高50cm,模拟精度较高。由于白莲泾泵闸实际启闭时常会产生小的流量,而模拟计算不存在这种情况,因此模拟结果与实际有差异。水动力模型结果表明,模型计算值与实测值基本吻合,可为河网水质模型和容量模型计算提供准确的水动力条件输入。2.3水质模型2.3.1城市河流水质模型MIKE11AD可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,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。一维河流水质模型的基本方程为:∂C∂t+u∂C∂x=∂∂x(Ex∂C∂x)−KC(2)∂C∂t+u∂C∂x=∂∂x(Ex∂C∂x)-ΚC(2)式中,C为模拟物质的浓度;u为河流平均流速;Ex为对流扩散系数;K为模拟物质的一级衰减系数。对流扩散系数是一个综合参数项,可通过经验公式估算:Ex=aVb(3)式中,V为流速,来自水动力计算结果;a、b均为用户设定的参数。2.3.2dhi水生态模型ECOLab可用于描述水生态系统中多种物质的相互作用和形态转化过程。该模型与DHI水动力学模型、传输扩散模型进行耦合,将对流扩散的传输机理与生物化学反应整合于水生态的模拟。ECOLab中模拟的水质参数包括DO、BOD5、CODCr、TP、NH3-N、NO3-N。2.3.3河网模型界面边界白莲泾区域及其周边的水质站点位置见图6。为与河网模型保持范围一致,水质模型中边界移用了黄浦江(南市水厂)、北蔡大桥、杨思闸桥和沪南公路桥站点的数据。2.3.4模拟结果分析水质模型的率定期和验证期同水动力模型。以杨高路#5桥站点的NH3-N和浦东南路站点的CODCr为例,对模拟结果(图7)进行分析说明。由图可看出,因实测水质数据为每月一次,数据过少,无法反映水质变化的详细过程,且边界处无监测资料,虽移用了周边站点的资料,但也会带来误差。3nh3-n的计算2010年6月29日白莲泾区域普降大雨,对世博园区防洪、水环境均产生影响。应用白莲泾区域水量水质模型,模拟该场降雨期间白莲泾区域河道的水量、水质,对多种调水方案做模拟分析后再优化选择,最终确立“泵闸联动、东引西排”的方案。图8为水闸多方案调度下模型的水量、水质计算结果,其中NH3-N指雨水泵站排江产生的NH3-N增量。由图可看出:①防洪。依据泵闸联动调水方案开启相关闸门,降雨期间园区白莲泾段水流方向自东向西,即向黄浦江方向排水;春塘河、汤家浜、中汾泾自南向北流入白莲泾。由于调水方案对闸门的有效控制,园区站水位未超过3m警戒水位。②水质。6月28日有一次较小降雨过程,各雨水泵站排江入白莲泾,NH3-N浓度逐渐升高。降雨期间(6月29日8:00～16:00),按照泵闸联动调水方案,白莲泾泵闸、白莲泾套闸开启,水质相对较好的长江水经白莲泾流入黄浦江,对白莲泾河道中的NH3-N起到稀释作用;区域内3个雨水泵站排放的污水比闸门