世博園區(qū)水量模型構(gòu)建及應(yīng)用

世博園區(qū)水量模型構(gòu)建及應(yīng)用

1“博弈水質(zhì)應(yīng)急管理系統(tǒng)”水環(huán)境管理白蓮井全長10.5公里。該區(qū)域主要包括四個河流：白蓮井、中汾井、唐家浜和春塘。安裝有6個荷花卡和3個荷花卡的觀氣門、白蓮涇泵門、春塘河北門、春塘河南門、中芬井北口、唐家浜水站6個和三個白蓮云蓮和6里雨水站。白蓮涇屬平原感潮河網(wǎng)區(qū),地勢平坦、河網(wǎng)密布,水量充沛,但水質(zhì)較差。2009年,白蓮涇水質(zhì)處于Ⅲ—劣Ⅴ類之間,主要污染指標(biāo)NH3-N不能達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)Ⅳ類的要求。區(qū)域內(nèi)水位受沿江沿海泵閘控制,既承上游區(qū)域來水,又受沿海潮汐影響,并常遇臺風(fēng)且伴隨暴雨和高潮的侵襲,易形成風(fēng)暴潮及內(nèi)澇災(zāi)害,防汛排澇任務(wù)十分艱巨。白蓮涇區(qū)域河網(wǎng)、水閘、水文站點見圖1。白蓮涇作為世博園區(qū)內(nèi)的景觀核心之一,是園區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域。白蓮涇的防洪安全、水質(zhì)改善及突發(fā)水污染事故應(yīng)對策略等水安全問題對世博期間國家形象、民生保障有重大干系。“世博水質(zhì)應(yīng)急管理系統(tǒng)”可對白蓮涇區(qū)域水環(huán)境突發(fā)污染事故進(jìn)行事故模擬、預(yù)案模擬、預(yù)案分析評價等。該系統(tǒng)的核心為白蓮涇區(qū)域水量(水文、水動力)水質(zhì)模型,是基于DHI(丹麥水力研究所)研發(fā)的MIKE11水環(huán)境模型軟件系統(tǒng)建立的。浦東新區(qū)水文水資源管理署作為該模型的直接用戶,通過對白蓮涇區(qū)域河道水文、水質(zhì)、雨水泵站、水閘、槽蓄等現(xiàn)狀的再調(diào)查與資料再搜集,重新完善了該模型。借助白蓮涇區(qū)域水量、水質(zhì)模型,研究河網(wǎng)水力要素的時空變化過程,有助于認(rèn)識感潮河網(wǎng)水動力變化特性,為制定和優(yōu)化調(diào)水方案并進(jìn)一步實現(xiàn)建立水資源環(huán)境管理決策支持系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。通過模擬水質(zhì)變化過程,可預(yù)防突發(fā)污染事件,實現(xiàn)采用科學(xué)手段解決白蓮涇區(qū)域防汛安全、水環(huán)境保護(hù)和改善等問題。鑒此,本文采用2009年10～12月的數(shù)據(jù)對模型重新率定,并采用2010年1～3月的數(shù)據(jù)驗證,結(jié)果表明模擬效果較好。2網(wǎng)問題的大難題水流的往復(fù)性及河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的錯綜復(fù)雜性,是研究平原感潮河網(wǎng)問題的一大難題?；谀K化的方式開發(fā)了水量水質(zhì)模型,其中水量模型是水文模型和水動力學(xué)模型的耦合,水質(zhì)模型是對流擴(kuò)散模型和整合了生物化學(xué)反應(yīng)的生態(tài)模型的耦合。2.1nam水文模型2.1.1地表徑流計算MIKE11NAM水文模型中,NAM在流域范圍內(nèi)模擬降水、蒸發(fā)、下滲、地表水與地下水的交換及地表徑流等水文過程,以集水區(qū)為單位模擬計算地表降雨徑流量,模型的計算結(jié)果為河網(wǎng)水動力模型提供地表徑流入河流量。2.1.2雨污混接現(xiàn)象研究區(qū)域?qū)儆诔菂^(qū),降雨徑流通過城市雨水管網(wǎng)匯入沿河的雨水泵站,再由雨水泵站按調(diào)度規(guī)則抽水排入白蓮涇。白蓮涇區(qū)域內(nèi)存在雨污混接現(xiàn)象,工業(yè)及生活污水經(jīng)流泵站排入河道,污染水質(zhì)。模型根據(jù)雨水泵站服務(wù)區(qū),結(jié)合鎮(zhèn)、街道、主干河道劃分了3個集水區(qū),集水區(qū)信息見表1。為模擬雨水泵站的調(diào)蓄作用,采用虛擬河道的方式概化調(diào)蓄池及泵站。通過虛擬河道連接集水區(qū)與模型河道,集水區(qū)產(chǎn)生的徑流與面源污染首先進(jìn)入虛擬河道,再通過虛擬河道上的閘門模擬泵站調(diào)度。圖2為雨水泵站系統(tǒng)及其概化圖。2.1.3相對誤差和確定性系數(shù)用NAM模型模擬白蓮涇雨水泵站累積排放水量結(jié)果見圖3。由圖可看出,整個模擬期的相對誤差為-11.89%,有4個值的相對誤差大于5%,確定性系數(shù)為0.994,模擬結(jié)果較好。誤差產(chǎn)生的主要原因是初始值計算偏大,即模型初始條件與實際有偏差。2.2hd水動力模型2.2.1圣維南方程模型河網(wǎng)水動力模擬的基本目的是提供河道各個斷面、各個時刻的水位和流量等水文要素信息,并模擬泵站和閘門調(diào)度規(guī)則對河道水文條件的影響,為水質(zhì)模型提供基礎(chǔ)信息。水動力學(xué)模型采用的是MIKE11HD模型,基本原理為圣維南方程組。其差分格式采用了六點中心隱式格式,數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的追趕法,即雙掃算法。計算網(wǎng)格由水位點和流量點交叉組成。圣維南方程組為:??????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為過水?dāng)嗝婷娣e;Q為流量;x為距離坐標(biāo);t為時間坐標(biāo);q為旁測入流量;g為重力加速度;h為水位;R為水力半徑;C為謝才系數(shù)。2.2.2調(diào)蓄能力分析河網(wǎng)概化的原則是能基本反映天然河網(wǎng)的水力特性,即概化后河網(wǎng)、湖泊的輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致。本文根據(jù)現(xiàn)有河網(wǎng)地形圖、河道斷面數(shù)據(jù)概化河網(wǎng)及其河道斷面,同時考慮除概化河網(wǎng)外的其他調(diào)蓄水面的調(diào)蓄作用。模擬范圍包括黃浦江、白蓮涇及其主要支流(春塘河、中汾涇、湯家浜)。模型概化河網(wǎng)見圖4。2.2.3水工建筑物研究區(qū)域的多個閘門和雨水泵站對控制白蓮涇的水體流動有關(guān)鍵作用,可通過MIKE11的河網(wǎng)編輯器模擬閘門運行對水動力的影響。2.2.4邊境條件模型的邊界設(shè)在有實測水文站點的地方。模型中的開邊界見表2;閉邊界為三條虛擬河道;內(nèi)邊界為泵站入流。2.2.5水位模擬計算驗證結(jié)果利用2009年10～12月實測水位流量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定,利用2010年1月1日～3月12日數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。各河段基本糙率一般為0.033。代表站點的率定和驗證結(jié)果見圖5。圖5中園區(qū)站水位模擬的平均相對誤差為1.35%,僅2處計算值比實測值高50cm,模擬精度較高。由于白蓮涇泵閘實際啟閉時常會產(chǎn)生小的流量,而模擬計算不存在這種情況,因此模擬結(jié)果與實際有差異。水動力模型結(jié)果表明,模型計算值與實測值基本吻合,可為河網(wǎng)水質(zhì)模型和容量模型計算提供準(zhǔn)確的水動力條件輸入。2.3水質(zhì)模型2.3.1城市河流水質(zhì)模型MIKE11AD可對水體中的可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)對流擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬,根據(jù)HD模塊產(chǎn)生的水動力條件,應(yīng)用對流擴(kuò)散方程進(jìn)行計算。一維河流水質(zhì)模型的基本方程為:?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為模擬物質(zhì)的濃度;u為河流平均流速;Ex為對流擴(kuò)散系數(shù);K為模擬物質(zhì)的一級衰減系數(shù)。對流擴(kuò)散系數(shù)是一個綜合參數(shù)項,可通過經(jīng)驗公式估算:Ex=aVb(3)式中,V為流速,來自水動力計算結(jié)果;a、b均為用戶設(shè)定的參數(shù)。2.3.2dhi水生態(tài)模型ECOLab可用于描述水生態(tài)系統(tǒng)中多種物質(zhì)的相互作用和形態(tài)轉(zhuǎn)化過程。該模型與DHI水動力學(xué)模型、傳輸擴(kuò)散模型進(jìn)行耦合,將對流擴(kuò)散的傳輸機理與生物化學(xué)反應(yīng)整合于水生態(tài)的模擬。ECOLab中模擬的水質(zhì)參數(shù)包括DO、BOD5、CODCr、TP、NH3-N、NO3-N。2.3.3河網(wǎng)模型界面邊界白蓮涇區(qū)域及其周邊的水質(zhì)站點位置見圖6。為與河網(wǎng)模型保持范圍一致,水質(zhì)模型中邊界移用了黃浦江(南市水廠)、北蔡大橋、楊思閘橋和滬南公路橋站點的數(shù)據(jù)。2.3.4模擬結(jié)果分析水質(zhì)模型的率定期和驗證期同水動力模型。以楊高路#5橋站點的NH3-N和浦東南路站點的CODCr為例,對模擬結(jié)果(圖7)進(jìn)行分析說明。由圖可看出,因?qū)崪y水質(zhì)數(shù)據(jù)為每月一次,數(shù)據(jù)過少,無法反映水質(zhì)變化的詳細(xì)過程,且邊界處無監(jiān)測資料,雖移用了周邊站點的資料,但也會帶來誤差。3nh3-n的計算2010年6月29日白蓮涇區(qū)域普降大雨,對世博園區(qū)防洪、水環(huán)境均產(chǎn)生影響。應(yīng)用白蓮涇區(qū)域水量水質(zhì)模型,模擬該場降雨期間白蓮涇區(qū)域河道的水量、水質(zhì),對多種調(diào)水方案做模擬分析后再優(yōu)化選擇,最終確立“泵閘聯(lián)動、東引西排”的方案。圖8為水閘多方案調(diào)度下模型的水量、水質(zhì)計算結(jié)果,其中NH3-N指雨水泵站排江產(chǎn)生的NH3-N增量。由圖可看出:①防洪。依據(jù)泵閘聯(lián)動調(diào)水方案開啟相關(guān)閘門,降雨期間園區(qū)白蓮涇段水流方向自東向西,即向黃浦江方向排水;春塘河、湯家浜、中汾涇自南向北流入白蓮涇。由于調(diào)水方案對閘門的有效控制,園區(qū)站水位未超過3m警戒水位。②水質(zhì)。6月28日有一次較小降雨過程,各雨水泵站排江入白蓮涇,NH3-N濃度逐漸升高。降雨期間(6月29日8:00～16:00),按照泵閘聯(lián)動調(diào)水方案,白蓮涇泵閘、白蓮涇套閘開啟,水質(zhì)相對較好的長江水經(jīng)白蓮涇流入黃浦江,對白蓮涇河道中的NH3-N起到稀釋作用;區(qū)域內(nèi)3個雨水泵站排放的污水比閘門