朱 宜 平,尚 釗 儀,李 蓓,李 敏,張 旭 坤

(1.上海城投原水有限公司,上海 200125; 2.太湖流域管理局 水利發(fā)展研究中心,上海 200434)

0 引 言

飲用水嗅味問題由來已久,自20世紀(jì)50年代后,日本琵琶湖、挪威Mjosa湖、法國、加拿大、芬蘭、美國等地均發(fā)生過水體嗅味問題影響生活、生產(chǎn)用水的事件[1-2]。相關(guān)研究表明,能夠產(chǎn)生土霉味的2-甲基異莰醇(2-MIB)氣味閾值極低且難以氧化,通過常規(guī)水處理工藝很難有效去除,還會增加供水生產(chǎn)成本、危及飲用水安全,易對經(jīng)濟(jì)、社會造成一定負(fù)面影響,是世界各國最為常見的飲用水致嗅物質(zhì)[3]。中國對水體嗅味問題的研究起步較晚,但隨著人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重,河、湖、庫各類飲用水源地水體嗅味逐漸成為一個普遍問題[4-6]。其中,東太湖水源地原水中2-MIB濃度在夏季突增數(shù)十倍甚至數(shù)百倍于GB 5749-2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》限值要求(10 ng/L),在近10 a發(fā)生頻次較高、持續(xù)時(shí)間較長,已成為威脅周邊城市取供水安全的難點(diǎn)問題[7-9]。

黃浦江上游金澤水源地位于太浦河北岸,取水水源為太浦河,其取水水質(zhì)受東太湖來水、太浦河兩岸來水、太浦河干流航運(yùn)污染綜合影響。作為上海市“兩江并舉、多源互補(bǔ)”水源地格局的重要組成部分,金澤水庫日常服務(wù)上海市西南五區(qū)約750萬人口,在2022年上海市“抗咸潮、保供水”期間通過原水管連通工程進(jìn)一步輻射至青草沙水源地供水范圍。因此,保障金澤水庫取供水安全對維護(hù)和促進(jìn)上海市社會安定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。東太湖2-MIB濃度季節(jié)性急劇增高、高峰濃度時(shí)間不斷變長給金澤水庫取水帶來隱患,亟需開展相關(guān)研究。

利用水利工程聯(lián)合調(diào)度保障水源地供水安全的研究較為普遍[10-11],在太浦河及金澤水庫周邊區(qū)域也有所實(shí)踐,但大多聚焦于通過加大下泄流量解決太浦河兩岸支流來水氨氮濃度超標(biāo)、重金屬銻污染及太浦河干流航運(yùn)溢油等突發(fā)水污染事件[12-14]。目前針對2-MIB的研究主要圍繞水源地水中嗅味物質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律和影響因素分析,以及原水廠嗅味物質(zhì)的去除技術(shù)[15-17],尚缺乏通過水利工程聯(lián)合調(diào)度應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)、提高取供水安全保障能力的探索研究。

因此,本文針對東太湖2-MIB濃度季節(jié)性突增可能影響下游金澤水庫取水安全的潛在風(fēng)險(xiǎn),在統(tǒng)籌供水調(diào)度與夏季高水位防汛調(diào)度的基礎(chǔ)上,采用平原河網(wǎng)水動力模型與數(shù)學(xué)回歸分析耦合的技術(shù)方法開展面向應(yīng)對東太湖來水2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略研究,為進(jìn)一步提高金澤水庫應(yīng)急供水保障能力、優(yōu)化區(qū)域水資源配置提供技術(shù)支撐,并為相似地區(qū)、相似問題提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文研究對象為太浦河樞紐及金澤水庫。太浦河樞紐位于東太湖出湖入太浦河處,太浦閘凈寬120 m,設(shè)計(jì)流量784 m3/s,校核流量931 m3/s,太浦河泵站設(shè)計(jì)抽水流量6×50 m3/s。金澤水庫位于太浦河干流北岸、太浦閘以東約43 km處,水庫總庫容約910萬m3,近期設(shè)計(jì)供水規(guī)模351萬m3/d,引水方式為閘引及應(yīng)急泵站抽引,內(nèi)徑12 m引水閘共3座,應(yīng)急泵站規(guī)模為6×10 m3/s。太浦河沿線支河共有96條,已建口門控制建筑物88座,京杭運(yùn)河(江南運(yùn)河)及南岸蘆墟以西7條支河口門敞開。太浦河樞紐、金澤水庫及周邊河湖關(guān)系見圖1。

圖1 金澤水庫、太浦河樞紐及周邊區(qū)域水系示意Fig.1 Jinze Reservoir and Taipu Hydrojunction Project and surrounding rivers and lakes

1.2 研究方法

1.2.1技術(shù)路線

研究采用平原河網(wǎng)水動力模型與數(shù)學(xué)回歸分析耦合的方式,分析太浦河樞紐不同下泄流量情景下水流到達(dá)金澤取水?dāng)嗝娴臅r(shí)間及金澤斷面來水組成的差異;確定太浦河樞紐下泄流量與水流到達(dá)金澤取水?dāng)嗝鏁r(shí)間、金澤取水?dāng)嗝鎭硭M成的回歸關(guān)系;在金澤取水?dāng)嗝?-MIB控制要求和原水廠處理能力的約束下,確定太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值的關(guān)系;結(jié)合金澤應(yīng)急泵站抽水能力,提出應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略。研究技術(shù)路線見圖2。

圖2 研究技術(shù)路線Fig.2 Technical route

1.2.2水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

采用太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型(以下簡稱“太湖流域數(shù)學(xué)模型”)模擬太浦河樞紐調(diào)度對金澤水庫取水?dāng)嗝嫠榈挠绊憽Ｌ饔驍?shù)學(xué)模型在綜合分析太湖流域平原河網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)水文、水動力學(xué)等原理,對流域平原河湖、河道汊口連接和各種控制建筑物及其調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行模擬,對流域各類供水、用水、耗水、排水進(jìn)行合理概化,概化圖見圖3。在此基礎(chǔ)上,采用一體化集成模式,將模型核心技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)及最新信息處理技術(shù)在系統(tǒng)底層進(jìn)行集成,建立適用于太湖流域水量、水質(zhì)等分析計(jì)算的系統(tǒng)平臺,可全過程模擬流域降雨-產(chǎn)流-匯流-水動力-水質(zhì)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜河網(wǎng)的水位、流量、控制線交換水量聯(lián)合演算。

圖3 太湖流域河網(wǎng)概化Fig.3 Generalization of river network in Taihu Lake Basin

采用泰森多邊形方法計(jì)算面雨量。山丘區(qū)降雨徑流采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算并同時(shí)考慮水庫的調(diào)洪作用,平原區(qū)降雨產(chǎn)匯流對4類下墊面進(jìn)行產(chǎn)流模擬后,以分布式匯流單位線方法進(jìn)行圩區(qū)和圩外坡面匯流計(jì)算。水動力模擬將流域內(nèi)影響水流運(yùn)動的因素概化為零維模型、一維模型、太湖二維模型和聯(lián)系要素四類,分別采用水量平衡原理、圣維南方程組、二維淺水波方程和不同聯(lián)系要素相應(yīng)的水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。河網(wǎng)水質(zhì)采用零維和一維水質(zhì)模型模擬,湖泊水質(zhì)采用二維水質(zhì)模型模擬。其中,一維河網(wǎng)的水質(zhì)模型通用方程如下:

(1)

式中:A為斷面面積,m2;C為某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度,mg/L;t為時(shí)間,s;Ex為縱向分散系數(shù),m2/s;U為斷面平均流速,m/s;S為某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項(xiàng),g/(m3·d);Sw為某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項(xiàng),g/s。

分別選取2013年2～9月和2016年2～9月作為典型枯水時(shí)段和典型洪水時(shí)段進(jìn)行水量模型參數(shù)率定,選取2012年進(jìn)行模型驗(yàn)證;水質(zhì)子模型選取2013年進(jìn)行率定,2012年進(jìn)行驗(yàn)證。降雨徑流、河道糙率、縱向分散系數(shù)等參數(shù)采用理論公式計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)取值相結(jié)合的方法進(jìn)行初步設(shè)定,模型率定階段通過在合理取值范圍內(nèi)調(diào)試參數(shù)確定最終取值。模擬結(jié)果表明,太湖水位、地區(qū)代表站水位過程均與實(shí)測值擬合較好,滿足率定、驗(yàn)證精度要求。太湖水位擬合過程見圖4,太湖和18個地區(qū)水位代表站水位相對誤差分析見表1,101個流域重點(diǎn)水功能區(qū)114個代表站流水質(zhì)驗(yàn)證成果誤差分析見表2。

表1 2013年水位模擬相對誤差分析Tab.1 Relative error of water level simublation in 2013 %

表2 2012年水質(zhì)模擬相對誤差統(tǒng)計(jì)Tab.2 Relative error of water quality simulation in 2012 %

圖4 2013年太湖水位實(shí)測與模擬過程線Fig.4 Water level simulation of Taihu Lake in 2013

1.2.3相關(guān)參數(shù)設(shè)定

開展應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度研究,需對太浦河樞紐大流量下泄情景進(jìn)行設(shè)置。由圖5可知,近年降雨偏豐情況下太浦河樞紐大流量下泄情況時(shí)有發(fā)生。

圖5 2010～2020年太浦河樞紐下泄流量Fig.5 Discharge flow of Taipu Hydrojunction Project in 2010～2020

根據(jù)近年太湖流域水情、太湖水位、太浦河樞紐下泄流量及水文整編資料可獲取性,綜合確定2016年為模擬典型年。結(jié)合太浦河樞紐實(shí)測下泄流量及工程能力,以100 m3/s為間隔在100～1 000 m3/s范圍內(nèi)設(shè)置11組分級流量條件,對每一分級結(jié)合2016年實(shí)際流量設(shè)置若干模擬時(shí)段。

根據(jù)相關(guān)研究,2-MIB濃度與產(chǎn)嗅藍(lán)藻密度關(guān)系密切,但其在水體中產(chǎn)生、釋放、轉(zhuǎn)化機(jī)制及其水質(zhì)水生態(tài)模型參數(shù)尚未得到充分研究[18],因此本文暫僅對其遷移、稀釋等水動力學(xué)過程進(jìn)行模擬。基于已有研究及近年相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),太浦河兩岸來水及干流2-MIB濃度本底參數(shù)設(shè)定為40 ng/L,根據(jù)金澤原水廠處理能力,金澤取水?dāng)嗝?-MIB控制濃度設(shè)置為500 ng/L。

根據(jù)金澤水庫庫容及應(yīng)急泵站規(guī)模,其搶水蓄滿時(shí)間為18 h,結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),包含監(jiān)測及信息報(bào)送的應(yīng)急響應(yīng)所需時(shí)間至少為1.25 d,預(yù)警所需時(shí)間為2.5 d。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 太浦河樞紐下泄水量到達(dá)金澤取水?dāng)嗝鏁r(shí)間

根據(jù)模擬結(jié)果,太浦河樞紐下泄流量100～1 000 m3/s情況下,東太湖來水到達(dá)金澤斷面的時(shí)間為25～65 h。當(dāng)太浦河樞紐下泄流量小于800 m3/s時(shí),水流到達(dá)時(shí)間隨下泄流量增加而縮短;當(dāng)太浦河樞紐下泄流量大于800 m3/s時(shí),由于處于流域防洪時(shí)段,太浦河下游可能出現(xiàn)強(qiáng)降雨和高潮位頂托,受區(qū)域及下游水情影響,太浦河部分河段存在往復(fù)流,水流到達(dá)時(shí)間反而有所延長。太浦河樞紐下泄流量與水流到達(dá)金澤斷面時(shí)間關(guān)系見圖6,關(guān)系函數(shù)見式(2),決定系數(shù)R2=0.972 8。

圖6 太浦河樞紐下泄流量與到達(dá)金澤斷面時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and time of discharge flow arriving at Jinze section

(2)

式中:t為太浦河樞紐下泄水流到達(dá)金澤斷面的時(shí)間,h;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

2.2 金澤取水?dāng)嗝鎭硭壤?/h3>

根據(jù)模擬結(jié)果,當(dāng)太浦河樞紐下泄流量小于400 m3/s時(shí),兩岸支流均有匯入和流出,南岸入太浦河、出太浦河水量均顯著超過北岸入太浦河、出太浦河水量,兩岸總體均為凈匯入,兩岸支流凈匯入水量之和與金澤斷面來水量的比例為7%～52%;當(dāng)太浦河樞紐下泄流量大于400 m3/s時(shí),兩岸支流均有匯入和流出,南北岸支流在蘆墟斷面以西匯入,在蘆墟斷面以東流出,兩岸總體均為凈流出,兩岸支流凈流出水量之和與金澤斷面來水量的比例為18%～88%。太浦河樞紐下泄流量與兩岸支流凈匯入水量占金澤斷面來水量比例之間的關(guān)系如圖7所示,關(guān)系函數(shù)見式(3),決定系數(shù)R2=0.978 8。

圖7 太浦河樞紐下泄流量與金澤斷面兩岸支流凈匯入比例關(guān)系Fig.7 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and inflow ratio from both sides into Jinze section

100≤Q太≤1 000

(3)

式中:P支為太浦河兩岸支流凈匯入太浦河水量占金澤斷面下泄水量的比例,當(dāng)為凈流出時(shí)P支為負(fù)值;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

2.3 太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關(guān)系

以金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度不超過原水廠處理能力500 ng/L為條件,結(jié)合太浦河樞紐下泄流量與太浦河兩岸支流凈匯入比例的關(guān)系,分析太浦河樞紐不同下泄流量條件下,滿足金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度控制要求的東太湖來水2-MIB濃度限值。結(jié)果表明,當(dāng)太浦河樞紐下泄流量小于400 m3/s時(shí),兩岸支流低濃度2-MIB的匯入對稀釋金澤斷面2-MIB濃度有較大的改善作用;當(dāng)太浦河樞紐下泄流量大于400 m3/s時(shí),兩岸支流匯入水量較小,因此兩岸匯水對金澤斷面2-MIB濃度改善的作用較小。根據(jù)物質(zhì)守恒分析,太浦河樞紐下泄流量為100～1 000 m3/s時(shí),滿足金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度控制要求的東太湖來水2-MIB濃度限值為525～1 690 ng/L,建立基于金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度控制要求的太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關(guān)系,如圖8所示,關(guān)系函數(shù)見式(4),決定系數(shù)R2=0.970 1。

圖8 基于金澤斷面2-MIB控制濃度要求的太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度限值關(guān)系Fig.8 Relation of discharge flow of Taipu Hydrojunction Project and 2-MIB concentration in inflow of East Taihu Lake based on requirement at Jinze section

(4)

式中:C東太湖為東太湖來水2-MIB濃度,ng/L;Q太為太浦河樞紐下泄流量,m3/s。

由圖8可知,東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合位于圖中曲線以下區(qū)域時(shí),為安全組合,金澤水庫不會面臨取水安全風(fēng)險(xiǎn);東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合位于曲線以上區(qū)域時(shí),為風(fēng)險(xiǎn)組合,金澤水庫可能面臨取水安全風(fēng)險(xiǎn),需進(jìn)一步研究水利工程聯(lián)合調(diào)度策略。

3 金澤水庫及太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略

基于已建立的關(guān)系公式,根據(jù)金澤應(yīng)急泵站搶水應(yīng)急響應(yīng)及預(yù)警所需時(shí)間兩個關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)確定太浦河樞紐下泄流量閾值,并確定其相應(yīng)的東太湖來水2-MIB濃度閾值,結(jié)合流域區(qū)域防洪情勢,提出應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河閘泵工程聯(lián)合調(diào)度建議策略,見表3。

表3 應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略Tab.3 Joint scheduling strategy of Taipu Hydrojunction Project and Jinze Reservoir facing 2-MIB risk

(1) 太浦河樞紐下泄流量小于145 m3/s時(shí),預(yù)計(jì)太浦河樞紐下泄水流抵達(dá)金澤斷面時(shí)間超過2.5 d,泵站應(yīng)急搶水蓄滿時(shí)間較為充裕。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于1 300 ng/L,預(yù)計(jì)金澤取水存在2-MIB濃度超限風(fēng)險(xiǎn),金澤水庫應(yīng)立刻啟動應(yīng)急泵站,維持高水位運(yùn)行,2 d后及時(shí)關(guān)閉取水口暫停取水,應(yīng)急供水2 d左右;若東太湖來水2-MIB濃度小于1 300 ng/L,預(yù)計(jì)金澤取水2-MIB風(fēng)險(xiǎn)可控,金澤水庫常規(guī)運(yùn)行,太浦河樞紐常態(tài)調(diào)度。

(2) 太浦河樞紐下泄流量在145～500 m3/s時(shí),預(yù)計(jì)太浦河樞紐下泄水量抵達(dá)金澤斷面時(shí)間為1.25～2.5 d,泵站應(yīng)急搶水蓄滿時(shí)間較為緊張。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于745～1 300 ng/L區(qū)段處于風(fēng)險(xiǎn)組合區(qū),則金澤水庫取水存在2-MIB濃度超限風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)立即啟動應(yīng)急取水,蓄滿后關(guān)閉取水口,應(yīng)盡快減少太浦河樞紐下泄流量,若流域防洪形勢不允許,則需及時(shí)考慮上海市原水切換;若東太湖來水2-MIB濃度組合小于745～1 300 ng/L區(qū)段,處于安全組合區(qū),則金澤取水2-MIB風(fēng)險(xiǎn)可控,金澤水庫可常規(guī)運(yùn)行,太浦河樞紐常態(tài)調(diào)度。

(3) 太浦河樞紐下泄流量大于500 m3/s時(shí),預(yù)計(jì)太浦河樞紐下泄流量抵達(dá)金澤斷面時(shí)間短于1.25 d,泵站應(yīng)急搶水時(shí)間相對不足。若東太湖來水2-MIB濃度大于等于545～745 ng/L區(qū)段,處于風(fēng)險(xiǎn)組合區(qū),金澤取水存在2-MIB超限風(fēng)險(xiǎn),金澤水庫應(yīng)直接關(guān)閉取水。此時(shí),由于金澤水庫應(yīng)急供水時(shí)間較短,應(yīng)盡快減少太浦河樞紐下泄流量,若流域防洪形勢不允許,則需及時(shí)考慮上海市原水切換。若東太湖來水2-MIB濃度小于545～745 ng/L區(qū)段,處于安全組合區(qū),則金澤取水2-MIB風(fēng)險(xiǎn)可控,金澤水庫可常規(guī)運(yùn)行,太浦河樞紐常態(tài)調(diào)度。

(4) 在任意應(yīng)急調(diào)度期間,應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度變化,根據(jù)即時(shí)時(shí)段組合關(guān)系確定后續(xù)調(diào)度策略:當(dāng)東太湖來水2-MIB濃度及太浦河樞紐下泄流量組合處于安全組合區(qū)時(shí),金澤水庫可恢復(fù)常規(guī)運(yùn)行;若仍處于風(fēng)險(xiǎn)組合區(qū),需根據(jù)東太湖來水2-MIB濃度提出減少太浦河樞紐下泄流量的調(diào)度建議,以降低金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度,盡早恢復(fù)水庫正常取水。

4 結(jié)論和展望

(1) 本文提出了結(jié)合平原河網(wǎng)水動力模型與數(shù)學(xué)回歸分析的研究方法,以2016年實(shí)況年水情為邊界、金澤原水廠2-MIB處理能力為約束條件,開展了應(yīng)對2-MIB風(fēng)險(xiǎn)的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略研究。根據(jù)模擬分析結(jié)果,分別建立了太浦河樞紐下泄流量與水流到達(dá)金澤斷面時(shí)間、兩岸支流凈匯入比例、金澤取水?dāng)嗝?-MIB濃度不超過500 ng/L控制條件下東太湖來水2-MIB濃度限值的關(guān)系式,識別到影響水流到達(dá)時(shí)間、兩岸支流匯入比例的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)流量分別是800 m3/s、100 m3/s;太浦河樞紐下泄流量在100～1 000 m3/s范圍內(nèi)時(shí),基于金澤取水?dāng)嗝婵刂埔蟮臇|太湖來水2-MIB限值區(qū)間為525～1 690 ng/L。在統(tǒng)籌考慮金澤應(yīng)急泵站搶水所需時(shí)間、預(yù)警響應(yīng)所需時(shí)間、流域區(qū)域防洪形勢的基礎(chǔ)上,提出了太浦河樞紐下泄流量與東太湖來水2-MIB濃度不同區(qū)間組合下的金澤水庫與太浦河樞紐聯(lián)合調(diào)度策略,可為保障金澤水庫供水安全提供技術(shù)參考。

(2) 本文基于2016年實(shí)況水情進(jìn)行模擬分析,在不同水情邊界條件下,各項(xiàng)分析結(jié)果可能會有一定差異。在后續(xù)研究中,可結(jié)合近年豐水時(shí)段水文整編數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善太浦河樞紐大流量下泄期間的模擬分析,提高預(yù)測預(yù)報(bào)精度。同時(shí),建議整合流域、上海、江蘇、浙江水利水務(wù)和生態(tài)環(huán)境部門的多源監(jiān)測數(shù)據(jù),建立跨區(qū)域、跨部門的水源地供水安全監(jiān)測預(yù)警平臺,進(jìn)一步完善上下游協(xié)同聯(lián)動調(diào)度方案和上海多水源調(diào)度調(diào)控策略,不斷提升城市原水安全保障能級,為青嘉吳長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)發(fā)展建設(shè)、跨區(qū)域水源保護(hù)提供支撐。