閘壩的修建為保障經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求發(fā)揮了關(guān)鍵作用，同時也導(dǎo)致了河流水動力條件的顯著變化[1]，進而對水環(huán)境產(chǎn)生正負兩方面的影響。具體表現(xiàn)為：閘壩的調(diào)控造成了水體流動性增強、置換周期縮短[2]，短期內(nèi)可實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境的有效改善[3]；另一方面，閘壩的修建及運行引起的水文泥沙變化，將對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生局部脅迫，且通常是重大影響。而閘壩建筑以及閘壩調(diào)度對河流水環(huán)境等方面造成的正負影響也逐漸引起了人們的重視，國內(nèi)外諸多學(xué)者對此展開了相關(guān)研究。國外學(xué)者主要側(cè)重于閘壩對河流生境的影響研究。Brandt對閘壩引起的水流輸運能力改變造成泥沙負荷變化，進而驅(qū)動河道形態(tài)變化的過程進行了分析研究[4]。Mallik等人以加拿大不列顛哥倫比亞省3個具有代表性的水庫上下游河段為研究對象，探討了閘壩對河岸植物群落的影響[5]。Geoffrey等人從河道形態(tài)、河岸植被、生態(tài)變化驅(qū)動力等視角梳理總結(jié)了閘壩對河流生態(tài)的影響[6]。國內(nèi)學(xué)者則多偏向于以閘壩調(diào)度為著手點，通過物理模型、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的方式開展相關(guān)研究工作。阮燕云等人采用物理模型模擬研究了閘門運行對河流水文情勢以及污染物輸運的影響[7]。Zuo等人針對沙潁河槐店閘設(shè)計并實施了野外試驗，分析了不同水閘調(diào)節(jié)條件下水質(zhì)參數(shù)的時空變化，探討了閘壩調(diào)節(jié)機制對水質(zhì)的影響[8]。李念斌等建立了適用于蕰南中部地區(qū)的水動力模型，研究了改善河流水動力條件的最優(yōu)調(diào)度方案[9]。隨著水質(zhì)模型的日漸成熟，越來越多的學(xué)者以單一閘壩或閘壩群的調(diào)度方式、閘前控制水位[10]、水文預(yù)報預(yù)見期[11]為影響因子，對不同情景進行數(shù)值模擬，進而評估閘壩調(diào)度對水環(huán)境的影響。但是從水閘建設(shè)規(guī)模著手的河道水動力水環(huán)境的數(shù)值模擬研究并不多見。

不煩，有時候也跟著笑。咱農(nóng)村你也知道，都是粗人，笑話一說就到褲襠里去了。妮兒她娘也跟著人家笑，但自己從來不摻和——不跟人家開玩笑，誰也不能拿她開玩笑。

上海市青浦區(qū)水閘數(shù)量眾多，總數(shù)高達720座，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)防汛排澇、引清調(diào)水等作用。然而，現(xiàn)有的水閘不少閘孔尺寸與河口斷面并不完全匹配，大河口小水閘的組合使得水閘成為影響河道水流流通的障礙，造成水文水動力條件變差，流域水網(wǎng)連通性減小，水體的置換周期變長，水體的自凈能力減弱，極易引起富營養(yǎng)化。因此，有必要研究和論證水閘建設(shè)規(guī)模對河道水動力水環(huán)境的影響。本文以2016年當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮上海市青浦區(qū)躍進片水文節(jié)律與泵閘群調(diào)度方式，采用水動力水質(zhì)模型對不同閘寬條件下躍進片各斷面最大流量、總進水量等水動力變化特征以及COD、NH3-N、TP等營養(yǎng)物質(zhì)的輸運進行了數(shù)值模擬，深入分析了水閘閘孔寬度與河道規(guī)模、水量水質(zhì)之間的關(guān)系，以期為今后的水閘設(shè)計和改造工作提供理論參考。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

青浦區(qū)地處上海市西南部，太湖下游，黃浦江上游，位于長江三角洲經(jīng)濟圈的中心地帶。研究區(qū)域躍進片地處青松水利控制區(qū)內(nèi)的青浦城區(qū)夏陽街道，其范圍東至千步?jīng)?，南至淀浦河，西至青浦城?環(huán)城河)、東大盈港，北至上達河，面積約5.37 km2。圩區(qū)內(nèi)水系主要有章浜河、李腰涇、花園港、中橫涇、躍進河、界涇港、水渡浜和夏陽湖等，涉及中橫涇北、界涇港東、界涇港西、李腰涇、陳橋浜、章浜河以及花園港等泵閘，具體參數(shù)如表1所示。

表1 水閘基本情況
Tab.1 Basic parameters of sluices

/m/(m3·s-1)43.008:00～11:0043.012:30～16:0041.508:00～11:0042.412:30～16:0051.212:30～16:0054.008:00～11:0041.208:00～11:00

1.2 水環(huán)境概況

盡管上海市引清調(diào)水工作的開展在穩(wěn)定內(nèi)河水質(zhì)、改善水環(huán)境面貌方面發(fā)揮了重要作用，但是青浦區(qū)內(nèi)大河口小水閘的組合一定程度上阻礙了水流流通，從而導(dǎo)致圩區(qū)水網(wǎng)連通性稍差，水體置換周期略長，水體自凈能力較弱。2016年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，圩區(qū)內(nèi)河網(wǎng)基本處于劣Ⅴ類，主要污染物是總磷和氨氮。以躍進圩區(qū)界涇港為例，2016年其COD濃度均值為6.87 mg/L，NH3-N濃度均值為4.25 mg/L，TP濃度的均值為0.449 mg/L，水污染情況較為嚴(yán)重，對區(qū)域水安全造成了一定的威脅。

1.3 水動力水質(zhì)模型構(gòu)建

本次研究所建立的水動力水質(zhì)模型中，水動力模塊是建立在一維非恒定流圣維南方程組基礎(chǔ)上[12]，由連續(xù)方程與動量方程組成[13]，主要用于模擬主干線的水流演進、旁側(cè)入流過程。該模型采用在河網(wǎng)計算中應(yīng)用廣泛的隱式差分格式算法[14-15]，使其能在相當(dāng)大的courant數(shù)下仍可保持穩(wěn)定計算?？紤]旁側(cè)入流的水動力模型控制方程為

2) 系統(tǒng)默認的初始溫度為43 ℃，末端形式考慮用戶的舒適性需求，采用地板輻射采暖，系統(tǒng)出水溫度設(shè)定45 ℃；

(1)

(2)

式中,Q為流量；h為水位；A、Ao分別為有效過水?dāng)嗝婷娣e與蓄水?dāng)嗝婷娣e；Sco、Sm為河道蜿蜒系數(shù)；X為沿主流向的縱向距離；t為時間；q為側(cè)向入流或出流；β為動量校正系數(shù)；Sf為河道的阻力坡降；Se為河道突擴或收縮引起的坡降；B為有效過水?dāng)嗝娴乃鎸挘?span>Wf為風(fēng)對水面的阻力；L為側(cè)向流的動量。

Investment in associates and joint ventures(BOCShare A 2009:118)

水質(zhì)模塊是建立在一維對流擴散方程基礎(chǔ)上，假定物質(zhì)在斷面上完全混合，遵循物質(zhì)守恒且符合Fick擴散定律。水質(zhì)模型控制方程為

??

在課程中，教者提出辯題：“今天，武松的精神值得我們學(xué)習(xí)嗎？”正反兩方各持己見。正方認為武松無所畏懼的精神值得肯定，與其坐以待斃，不如放手一搏！反方覺得武松逞一時之勇不值效仿，醉得一塌糊涂卻險勝老虎，只能說明他運氣好。正方又指出：武松不顧一己之身為民除害，值得稱贊；反方滔滔不絕地列出武松不聽勸告，執(zhí)意上岡的“罪狀”。雙方唇槍舌劍，針尖對麥芒，學(xué)生情緒高漲，現(xiàn)場氣氛熱烈……

(3)

式中，t為時間步長；V為計算水質(zhì)單元的體積；?為水溫或者其他水質(zhì)指標(biāo)的濃度；Q為流量；Γ為自定義的離散系數(shù)；A為可組合的斷面的面積；S為源強以及沉降項。

自信心，是學(xué)生由內(nèi)而外散發(fā)的一種魅力。自信心足的學(xué)生，無論在任何場合，都能散發(fā)光彩，成為焦點。然而，在農(nóng)村小學(xué)語文的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)很多孩子在口語交際和表達上都存在嚴(yán)重的自信心不足現(xiàn)象。例如，教師在課堂上提問，很多學(xué)生都不愿主動舉手回答問題，甚至是祈禱教師點名不要點到自己。同時，在回答問題的過程中，學(xué)生不能夠大膽地、流利地表達自己內(nèi)心的想法。出現(xiàn)這樣的問題，主要原因如下：

基于躍進片水文規(guī)律與泵閘群調(diào)節(jié)方式構(gòu)建水動力水質(zhì)模型，遵循使區(qū)域內(nèi)的河道槽蓄量不變的原則，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水域面積對次要河道及其他集水區(qū)域進行概化(見圖1)，使其能全面地反映天然河網(wǎng)的基本特性[16]。同時，綜合研究區(qū)內(nèi)水流的物理特征以及控制方程組的定解性質(zhì)對模型邊界條件進行合理設(shè)定[17]。水動力模塊中，陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門通過閘上、下水位控制其入流過程，閘上水位控制在2.6 m；中橫涇、界涇港、花園港和章浜河等均采用泵站外排流量數(shù)據(jù)作為邊界。水質(zhì)模塊中，以COD、NH3-N、TP作為模擬水質(zhì)組分，選用夏陽湖站點的2016年年均水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果作為陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門的入流水質(zhì)邊界。

由于研究區(qū)河網(wǎng)總體河床形態(tài)較為一致，在考慮經(jīng)驗糙率初始值的基礎(chǔ)上，通過模型試算，最終確定糙率采用0.033。此外，研究區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)的變化主要受圩外引清水的影響，為突出水閘建設(shè)導(dǎo)致引水規(guī)模的變化對河網(wǎng)水環(huán)境的作用，忽略區(qū)域入河污染物的自凈作用導(dǎo)致河網(wǎng)水質(zhì)的變化，故未考慮各水質(zhì)指標(biāo)降解系數(shù)的影響。

圖1 河網(wǎng)概化結(jié)果及水工建筑物分布
Fig.1 Generalization results of river network and hydraulic structures distribution

2 模擬結(jié)果分析

泵閘規(guī)模既涉及到水安全問題，也關(guān)系到水利工程的經(jīng)濟合理性。鑒于自清水引入約一周后區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)基本已接近外部引水水質(zhì)狀況，故本研究選用7 d作為計算時間，并針對青浦區(qū)躍進片水系特征以及現(xiàn)有水閘規(guī)模，設(shè)計3種模擬工況(見表2)，分析水閘建設(shè)規(guī)模對圩區(qū)內(nèi)水動力水環(huán)境影響。

表2 模擬方案
Tab.2 Simulation scheme

15m、4m、4m26m、6m、6m38m、8m、8m

注：數(shù)據(jù)均為閘孔寬度。

2.1 水閘建設(shè)規(guī)模對河網(wǎng)水動力影響

水閘閘孔寬度的變化將影響青浦區(qū)躍進圩區(qū)水動力條件，特別是隨著陳橋浜閘、界涇港東閘和李腰涇閘閘門寬度的加大，過閘的最大流量顯著增加。模擬結(jié)果顯示，陳橋浜閘、界涇港東閘、李腰涇閘最大流量由29.6，30.7 m3/s和19.9 m3/s增加至55.0，65.7 m3/s和42.1 m3/s，分別提高了85.81%，114.01%和115.56%(見表3)，其中李腰涇由于現(xiàn)狀閘門寬度與河道斷面相差過大，當(dāng)閘門寬度增加后，最大流量增幅也更為明顯。

表3 閘門最大流量
Tab.3 The maximum flow of different sluices m3/s

129.630.719.9355.065.742.1236.946.030.6

從各閘門7 d的總進水量來看，它與過閘的最大流量模擬結(jié)果存在一定的差異(見表4)，即隨著閘門河寬比增加，最大流量與總進水量間由正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為負相關(guān)關(guān)系。具體表現(xiàn)在閘寬增加，過閘最大流量均有所增加，而李腰涇閘總進水量顯著增加，工況3較工況1提高了12.89%；界涇港東閘總進水量略有減少，但總體變幅不大；陳橋浜閘的總進水量隨著閘門寬度的增加，呈現(xiàn)相反的趨勢，工況3較工況1降低了30.6%。其主要原因在于，閘門河寬比過大時，過閘最大流量的提高易造成雍水效應(yīng)，導(dǎo)致總進水量降低。

表4 總進水量比較

Tab.4 Comparison on water amount of different sluices

m3

131478045753086360335536044933059930233774045674067460

2.2 水閘建設(shè)規(guī)模對河網(wǎng)水質(zhì)影響

受限于前期外排水量的影響，總體引入躍進圩區(qū)的水量基本不變，故7 d后各工況下COD、NH3-N、TP濃度基本均與圩區(qū)外水質(zhì)狀況持平，總體對躍進圩區(qū)水質(zhì)改善的程度仍相對有限。為揭示不同閘寬造成的COD、NH3-N和TP改善速率的差異。本次研究選擇各工況下引清水3 d的水質(zhì)變化進行比對(見圖2)。

花園港斷面、界涇港斷面和章浜河斷面初始COD濃度均為7.458 mg/L，水質(zhì)污染程度較為嚴(yán)重。圩外清水的引入使得水質(zhì)開始好轉(zhuǎn)，COD濃度降低，然而河道內(nèi)原有水體的滯留會使COD濃度反彈，隨著后續(xù)

圖2 不同工況下COD濃度的變化
Fig.2 COD contents variation under different working conditions

清水的引入，各斷面COD濃度波動中呈下降趨勢，最終趨于穩(wěn)定。模擬結(jié)果顯示，閘門寬度的增加，花園港斷面COD改善速率先增后降。工況1下COD濃度降低至6.367 mg/L，較初始濃度降低了14.63%；工況2下COD濃度降低至6.302 mg/L，降低了15.5%；工況3下COD濃度降低至6.579 mg/L，降低了11.79%。閘門寬度的增加，界涇港斷面COD改善速率先增加后持平。工況1下COD濃度降低至6.74 mg/L，降低了9.63%；工況2下COD濃度降低至6.517 mg/L，降低了12.61%；工況3下COD濃度降低至6.522 mg/L，降低了12.55%。閘門寬度的增加，章浜河斷面COD改善速率穩(wěn)定提升。工況1下COD濃度降低至6.397 mg/L，降低了14.23%；工況2下COD濃度降低至6.278 mg/L，降低了15.82%；工況3下COD濃度降低至6.144 mg/L，降低了17.62%。

由于本次研究暫不考慮區(qū)域入河污染物的影響，河網(wǎng)水質(zhì)的變化主要受圩外引清水的影響。因此，各斷面NH3-N,TP濃度隨時間的變化趨勢與COD濃度變化基本一致(見圖3)。從引清水3 d的水質(zhì)變化情況對比來看，花園港斷面NH3-N、TP改善速率最快的是工況2，NH3-N濃度由5.81 mg/L降至2.96 mg/L，降低了49.05%，TP濃度由0.61 mg/L降至0.35 mg/L，降低了42.62%。改善速率最慢的是工況3，NH3-N、TP濃度分別降低了37.35%,32.79%。界涇港斷面工況2、工況3下NH3-N,TP改善速率基本持平，明顯優(yōu)于工況1。工況1下，NH3-N,TP濃度分別降低了30.46%,26.23%；工況2下，NH3-N,TP濃度分別降低了39.93%,34.43%；工況3下，NH3-N,TP濃度分別降低了39.76%,34.43%。章浜河斷面處，NH3-N,TP改善速率與閘寬呈正相關(guān)關(guān)系。工況3水質(zhì)改善速率最快，NH3-N濃度由5.81 mg/L降低至2.57 mg/L，降低了55.77%，TP濃度由0.61 mg/L降低至0.31 mg/L，降低了49.18%；工況1水質(zhì)改善速率最慢，NH3-N,TP濃度降低了45.09%、39.34%。

2.3 閘門河寬比對水動力及水質(zhì)的影響

基于數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析水閘閘孔寬度與河道規(guī)模、水量水質(zhì)之間的關(guān)系(見表5)?？梢钥闯鏊l的最大流量與閘門河寬比基本上呈線性關(guān)系，即河道寬度不改變的情況下，水閘的最大流量隨著閘孔寬度的增大而一定比例增大；由于暫未考慮污染物的自凈作用，不同閘門河寬比下的水量和水質(zhì)在引清水3 d內(nèi)的變化趨勢表現(xiàn)出相似性?？傮w來看，在不改變圩區(qū)的引排水量及閘泵調(diào)度規(guī)則的情況下，閘門河寬比增大時，水閘的最大流量線性增大，總進水量增加，水質(zhì)改善程度更優(yōu)；然而當(dāng)閘門河寬比過大時，會造成壅水，反而使其整體的總進水量有所下降，進而使得水質(zhì)改善效果大打折扣；其臨界閘門河寬比約為2/5。

PFS投加量為1000 mg/L，設(shè)定磁化頻率130 Hz、磁化時間5 min，磁化強度對出水余鐵及亞鐵含量和pH值的影響如圖6所示。由圖6可知，磁化強度為3～9 mT時，出水的余鐵和亞鐵含量均逐漸增加，且出水pH值呈降低趨勢；當(dāng)磁化強度增大到12 mT時，出水的余鐵和亞鐵含量降低；繼續(xù)增大磁化強度，出水的余鐵和亞鐵含量呈增加趨勢，pH值繼續(xù)降低。因此，選擇磁化強度為12 mT較適宜。

圖3 不同工況下NH3-N、TP濃度的變化
Fig.3 Contents variation of NH3-N and TP under different working conditions

表5 不同工況下的水量水質(zhì)情況
Tab.5 Water quantity and quality under different conditions

-/(m3·s-1)/m3COD/%-1/329.63717714.632/536.93822015.508/1555.02527011.79-1/530.71846009.633/1046.019742512.612/565.719710012.55-2/1319.913558014.233/1330.614593015.824/1342.115540017.62

3 結(jié) 論

針對水閘建設(shè)規(guī)模對河流水動力及水質(zhì)變化的具體影響問題，構(gòu)建了躍進圩區(qū)的一維水動力水質(zhì)模型。通過設(shè)計不同的閘門寬度情景并模擬分析后，得出如下結(jié)論。

(1) 躍進圩區(qū)閘門寬度加大后，過閘的最大流量顯著增加，陳橋浜閘、界涇港東閘、李腰涇閘最大流量分別提高了85.81%，114.01%和115.56%。但是陳橋浜閘受河段寬度限制，過流總量隨閘門寬度的增加有所降低，界涇港東閘過流總量總體變幅不大，李腰涇閘進水總量與閘門寬度基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

(2) 本研究將圩外清水的引入作為引起河網(wǎng)水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素，暫未考慮區(qū)域入河污染物的影響，各斷面COD,NH3-N、TP濃度隨時間的變化趨勢基本一致。引清水3 d后，花園港斷面水質(zhì)改善速率最快的是工況2，COD,NH3-N,TP濃度分別降低了15.5%，49.05%，42.62%；界涇港斷面水質(zhì)改善速率最快的是工況2，COD,NH3-N,TP濃度分別降低了12.61%，39.93%，34.43%；工況3改善速率與工況2基本持平，均明顯優(yōu)于工況1；章浜河斷面水質(zhì)改善速率與閘寬呈正相關(guān)關(guān)系，水質(zhì)改善速率最快的是工況3，COD,NH3-N,TP濃度分別降低了17.62%，55.77%，49.18%。

(3) 閘門寬度的改變將不可避免對躍進圩區(qū)的水文情勢造成直接或間接的影響，并進一步促使周邊水環(huán)境發(fā)生改變?？傮w上來說，水量和水質(zhì)的改善程度隨閘寬比的增大表現(xiàn)出先增后降的趨勢，對于躍進片區(qū)而言，在現(xiàn)有引排水量及閘泵調(diào)度規(guī)則下的臨界閘門河寬比為2/5。

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