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        典型平原河網(wǎng)地區(qū)河道溫排水影響研究

        2018-10-25 02:01:54胡琦玉楊金艷高曉平
        江蘇水利 2018年10期
        關(guān)鍵詞:概化河網(wǎng)蓄水

        胡琦玉,楊金艷,徐 勇,高曉平

        (1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司,江蘇 南京 210093;2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局,江蘇 蘇州 215000)

        0 引言

        隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,城市基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)及技術(shù)更新速度也不斷增加。為集中解決蘇南某市濱江新城中心區(qū)建筑的冷暖空調(diào)及生活熱水的功能問題,同時(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能號(hào)召,提高能源利用效率,保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境,結(jié)合當(dāng)?shù)刎S富的水資源條件,濱江新城中心區(qū)擬建設(shè)一座綠色能源站提供供冷供熱服務(wù),并就近選擇附近河道的地表水作為水源,產(chǎn)生的溫(冷)排水亦就近進(jìn)入周邊河道。退水口位于平原河網(wǎng)區(qū)常見的蓄水大包圍內(nèi),內(nèi)部河流交織呈網(wǎng)狀,河道地勢(shì)變化較小,水流緩慢,閘壩調(diào)度頻繁,河道水流復(fù)雜,流向多變,研究能源站溫(冷)排水對(duì)蓄水包圍內(nèi)河道水溫的影響變得較為復(fù)雜。

        常用的河道水溫計(jì)算方法為公式法和數(shù)學(xué)模型法,前者計(jì)算簡(jiǎn)單,但只適用于某些特殊情況,精度較差。后者通過分析影響水溫的主要因子,由熱量、質(zhì)量平衡原理建立數(shù)學(xué)模型,具有一定的普遍性,但計(jì)算較為復(fù)雜。目常見的水溫預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型分為很多種,河口、海灣等開闊水體非恒定流流場(chǎng)的三維紊流數(shù)值模擬已取得了很多研究成果[1-4],并在溫度場(chǎng)的模擬中得到應(yīng)用[5-6],成熟的商業(yè)軟件中,二維和三維水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中已包含溫度場(chǎng)模塊,對(duì)本次研究的平原河網(wǎng)尚無簡(jiǎn)單實(shí)用的水溫預(yù)測(cè)模型。莊春義[7]建立了適用于長(zhǎng)河段、長(zhǎng)時(shí)段非恒定流計(jì)算的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法;吳時(shí)強(qiáng)[8]等人針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)采用直排冷卻方式的電廠溫排水影響,建立了平面二維水流溫度場(chǎng)數(shù)值模型;盧士強(qiáng)等[9]人利用MIKE11ECO模塊開發(fā)了適用于平原地區(qū)河網(wǎng)的溫排水預(yù)測(cè)模式。

        本文針對(duì)能源站排放的溫(冷)排水排入蓄水大包圍內(nèi)引起的水溫變化問題,采用一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型,耦合溫排水預(yù)測(cè)模塊,對(duì)溫排水帶來的區(qū)域性河道影響進(jìn)行了預(yù)測(cè),并對(duì)大包圍內(nèi)的閘壩控制提出了要求,在減少溫(冷)排水帶來的水溫影響的同時(shí)優(yōu)化區(qū)域的水動(dòng)力條件。

        1 數(shù)據(jù)與方法

        1.1 區(qū)域概況

        研究區(qū)域地處長(zhǎng)江下游南側(cè),屬北亞熱帶南部濕潤(rùn)氣候,季風(fēng)盛行,溫暖濕潤(rùn),四季分明,雨量充沛,氣候溫和,日照充足,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,氣候宜人。多年平均氣溫15.4℃,歷年最高氣溫41.1℃,歷年最低氣溫-12.7,多年平均風(fēng)速3.6 m/s。

        濱江新城中心區(qū)蓄水包圍位于區(qū)域排水骨干河道常滸河和徐六涇之間,面積約3.4 km2,內(nèi)部河道全長(zhǎng)12.2 km,正常蓄水位約3.2 m,該水位下水域面積 0.203 km2,包圍內(nèi)地面平均高程約5.1 m。整個(gè)包圍由4座節(jié)制閘控制,常滸河邊建有2座閘門,分別為北小塘閘和王巷河閘,均為4 m節(jié)制閘,其中王巷河閘處還建有1座單向引水泵站(引常滸河水入蓄水包圍);通往徐六涇的河道也由2座閘門控制,分別為余家壩涵閘和北小塘興慶路閘,均為4 m節(jié)制閘。

        蓄水包圍主要功能為蓄水,正常情況下,包圍內(nèi)水位高于外河,汛期水位差約0.2 m,非汛期水位差約0.5 m。4 座閘門大部分時(shí)間為關(guān)閉狀態(tài),僅在常滸河及徐六涇引水,包圍外水位抬高時(shí)打開閘門引水入包圍;另外王巷河閘處還建有一座單向引水泵站,必要時(shí)可引常滸河水進(jìn)入包圍。

        1.2 一維河網(wǎng)水動(dòng)力水溫?cái)?shù)學(xué)模型構(gòu)建

        1.2.1 水動(dòng)力模型基本方程

        水動(dòng)力模型基本方程建立在質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒基礎(chǔ)上,遵循水力學(xué)上著名的圣維南方程組,并在方程組的基礎(chǔ)上增加考慮了漫灘和旁側(cè)入流,以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量,方程組如下:

        式中,Q—流量,m3/s;Bw—調(diào)蓄寬度,是包括灘地在內(nèi)的全部河寬,m;q—旁側(cè)入流流量,入流為正值,出流為負(fù)值,m3/s;A—主槽過水?dāng)嗝婷娣e,m2;B—主流斷面寬度,m;R—水力半徑,m;u—斷面平均流速,m/s;Z—水位,m;g—重力加速度,m/s2;n—河床糙率;x,t—沿水流方向的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo),m,s;

        方程組求解方法:Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分法。按照網(wǎng)格點(diǎn)的計(jì)算順序交替計(jì)算水位或流量,兩類計(jì)算點(diǎn)又被稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。首先求解各節(jié)點(diǎn)處的水位,然后將各節(jié)點(diǎn)水位回代至單一的河道方程中,并最終求得各單一河道各微斷面水位及流量。

        1.2.2 水溫模型控制方程

        水體溫度場(chǎng)的基本方程為一維對(duì)流擴(kuò)散方程。

        式中,T—水體溫度(℃);H—水深(m);Cw—水的熱容(J/kg·℃);Q—水體輸入(或輸出)的熱量(J);u—流速(m/s);K—紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);F—綜合考慮長(zhǎng)波輻射、蒸發(fā)和水面與大氣熱量交換的溫度衰減系數(shù)(d-1);ρw—水的密度。

        其中水面與空氣之間的熱交換,即上式中“FT”項(xiàng)采用交換速率的概念來計(jì)算,展開表達(dá)式為:

        式中,E—表層綜合熱交換系數(shù)(Watt/m2/℃);T—水體溫度(℃);A—周圍水體的溫度(℃);STCT—水的熱容(MJ/m3/℃);H—水深(m)。

        其中表層綜合熱交換系數(shù)采用《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50102-2014)中推薦公式進(jìn)行取值。

        1.2.3 河網(wǎng)概化

        由于河網(wǎng)內(nèi)部河道多而復(fù)雜,一般都屬天然河道。為了便于計(jì)算,構(gòu)建模型時(shí)將河道進(jìn)行概化,形成一個(gè)有河道、有節(jié)點(diǎn)的概化河網(wǎng)。將天然河網(wǎng)進(jìn)行合并、概化,概化河道為水平底坡、梯形斷面,概化斷面用底高、底寬和邊坡3個(gè)要素來描述。概化時(shí)將主要的輸水河道納入計(jì)算范圍,將次要的河道和水體根據(jù)等效原理,歸并為單一河道和節(jié)點(diǎn),使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。當(dāng)這些次要的平行河道具有斷面資料,且首末節(jié)點(diǎn)相同時(shí),可以用水力學(xué)的方法,根據(jù)過水能力相同的原理,求得合并概化河道的斷面參數(shù)。對(duì)于水系內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等,其調(diào)蓄作用不可忽視,采用調(diào)蓄不變?cè)瓌t模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用,使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。本次研究范圍內(nèi)河道概化情況見圖1。

        圖1 研究范圍河網(wǎng)概化圖

        1.2.4 計(jì)算參數(shù)選取

        根據(jù)地區(qū)同類河流研究成果,河道糙率n取值為0.03;根據(jù)環(huán)境水力學(xué)推薦的擴(kuò)散系數(shù)取值方法,縱向擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50102-2014),表面綜合散熱系數(shù)取值為30 W·m-2·℃-1。

        根據(jù)常滸河長(zhǎng)序列水溫資料統(tǒng)計(jì)可知,常滸河夏季多年平均水溫為33℃,冬季多年平均水溫為8.5℃。

        1.2.5 計(jì)算水文條件

        本次擬建項(xiàng)目退水口所在的河段位于蓄水包圍內(nèi),區(qū)內(nèi)小型河道交織成網(wǎng),外包圍均設(shè)閘門控制,閘門僅在排澇時(shí)開啟。因此,正常情況下,外包圍閘門關(guān)閉,圩區(qū)內(nèi)水體基本處于滯流狀態(tài),本次選擇2016年5月實(shí)地開展的蓄水包圍內(nèi)河流水文要素為計(jì)算水文條件。

        1.3 計(jì)算方案制定

        本文中制定的計(jì)算方案主要根據(jù)蓄水包圍的調(diào)度方案和排水特征進(jìn)行設(shè)置。

        1.3.1 調(diào)度方案

        蓄水包圍內(nèi)的調(diào)度方案一共有5種:

        (1)在正常蓄水狀態(tài)下,蓄水包圍外圍的4座閘門均關(guān)閉,能源站尾水全部停留在蓄水包圍內(nèi)。

        (2)隨著能源站尾水不斷排入蓄水包圍,包圍內(nèi)水位將緩慢上漲,當(dāng)包圍內(nèi)水位與常滸河水位差超過0.5/0.2 m(非汛期/汛期)時(shí),考慮適當(dāng)開啟王巷河閘(其余3座閘門仍保持關(guān)閉),蓄水包圍內(nèi)河水向西自流進(jìn)入常滸河。

        (3)當(dāng)蓄水包圍內(nèi)水位與常滸河水位差超過0.5/0.2 m(非汛期/汛期)時(shí),考慮適當(dāng)開啟北小塘東閘(其余3座閘門仍保持關(guān)閉),蓄水包圍內(nèi)河水向東自流進(jìn)入徐六涇。

        (4)當(dāng)蓄水包圍內(nèi)外水位差過高,或汛期遇強(qiáng)降水,王巷河閘、北小塘東閘及余家壩涵閘全部打開,為防止能源站尾水排放直接影響到取水口,北小塘閘仍保持關(guān)閉,能源站尾水經(jīng)蓄水包圍內(nèi)河道排入外河。

        (5)當(dāng)常滸河及徐六涇引水時(shí),二者水位較高,蓄水包圍4座閘門均開啟,向包圍內(nèi)引水,能源站排放尾水全部停留在蓄水包圍內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),常滸河及徐六涇單次引水時(shí)間約4 h,因此蓄水包圍引水時(shí)間也不會(huì)超過4 h。

        1.3.2 排水特征

        能源站主要在夏季制冷,冬季供熱,夏季、冬季正常情況下24 h排水,其中冬季在水溫5℃以下時(shí)因全部采用燃?xì)廨o熱故無退水產(chǎn)生,春秋季僅在制備生活熱水時(shí)產(chǎn)生退水。本文主要研究夏季溫排水的影響。夏季排水量見表1。

        表1 夏季日排水量表

        1.3.3 計(jì)算方案

        根據(jù)蓄水包圍閘門調(diào)度方案,在閘門全部開啟引水或排水期間,區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力條件相對(duì)較好,有利于降低溫升,因此本次選取較不利的3個(gè)調(diào)度方案,結(jié)合夏季能源站溫排水排放特征,共制定3組計(jì)算方案,詳見表2。

        表2 計(jì)算方案一覽表

        2 研究結(jié)果與分析

        計(jì)算結(jié)果表明:夏季能源站溫排水的排放將會(huì)對(duì)蓄水包圍以及外圍相關(guān)聯(lián)河道水溫產(chǎn)生一定的影響。蓄水包圍內(nèi)主要河道受影響情況見表3,影響范圍示意圖見圖2(注:河道里程均為自南向北、自西向東)。

        表3 蓄水包圍內(nèi)各河道溫升計(jì)算結(jié)果表(℃)

        (續(xù)表3)

        (續(xù)表3)

        圖2 方案1、2、3溫升影響范圍示意圖(從左向右依次為方案1、2、3的計(jì)算結(jié)果)

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:在蓄水包圍閘門全部關(guān)閉的情況下(方案1)對(duì)包圍內(nèi)部分河流會(huì)產(chǎn)生一定的影響,以北小塘、王巷河等為代表的11條河流部分或全部河段都將會(huì)出現(xiàn)溫升大于1℃的情況,最大溫升達(dá)3.25℃,出現(xiàn)在退水口附近位置。

        在開啟王巷河閘的情況下(方案2),包圍內(nèi)水體流動(dòng)性增強(qiáng),本項(xiàng)目對(duì)包圍內(nèi)水體的影響將會(huì)減小,溫升超過1℃的范圍將會(huì)縮減,僅7條河流部分或全部河段將會(huì)出現(xiàn)溫升大于1℃的情況,最大溫升為2.36℃,出現(xiàn)在退水口附近位置;溫排水對(duì)常滸河也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,但由于溫排水在進(jìn)入常滸河之前在包圍中經(jīng)過了一段時(shí)間的擴(kuò)散與熱交換,進(jìn)入常滸河的排水水溫已經(jīng)較低,因此對(duì)常滸河的影響較小,至能源站取水口處溫升僅為0.1℃,基本不會(huì)對(duì)能源站取水產(chǎn)生影響。

        在開啟北小塘東閘的情況下(方案3),包圍內(nèi)水體流動(dòng)性增加,本項(xiàng)目對(duì)區(qū)內(nèi)水體的影響將會(huì)減小,但是減幅較小,仍有11條河流的部分或全部河段將會(huì)出現(xiàn)溫升大于1℃,退水口附近最大溫升仍可達(dá) 3.25℃;溫排水對(duì)徐六涇也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,但由于溫排水經(jīng)過包圍內(nèi)部擴(kuò)散與熱交換之后,進(jìn)入徐六涇的水溫已經(jīng)趨近于背景水溫,因此對(duì)徐六涇的影響也較小,產(chǎn)生的最大溫升不超過0.14℃。

        3 結(jié)論

        在以濱江新城中心區(qū)為代表的典型平原河網(wǎng)地區(qū),蓄水包圍雖解決了中心區(qū)蓄水和河道淤積問題,但長(zhǎng)期關(guān)閘也會(huì)導(dǎo)致水體滯流,水體自凈能力下降,從而導(dǎo)致水質(zhì)變差。在此種情況下,能源站溫排水的排放對(duì)蓄水包圍的影響是雙面的:關(guān)閘期間會(huì)對(duì)包圍內(nèi)多條河道水溫產(chǎn)生影響,但是能源站退水恰好又可為蓄水包圍創(chuàng)造一個(gè)活水水源。通過對(duì)蓄水包圍周圍的控制閘站合理調(diào)度,如適當(dāng)開啟王巷河閘、北小塘東閘,可以有效降低能源站溫排水帶來的溫升影響,同時(shí)增加蓄水包圍內(nèi)河道水體流動(dòng)性,從而在一定程度上提升蓄水包圍內(nèi)水質(zhì)及各項(xiàng)感官指標(biāo),美化濱江新城中心區(qū)水環(huán)境。

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