典型平原河网地区河道温排水影响研究

胡琦玉，杨金艳，徐 勇，高晓平

（1.南京大学环境规划设计研究院股份公司，江苏 南京 210093；2.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，江苏 苏州 215000）

0 引言

随着我国城镇化进程的加快，城市基础配套设施建设及技术更新速度也不断增加。为集中解决苏南某市滨江新城中心区建筑的冷暖空调及生活热水的功能问题，同时响应国家节能号召，提高能源利用效率，保护和改善生态环境，结合当地丰富的水资源条件，滨江新城中心区拟建设一座绿色能源站提供供冷供热服务，并就近选择附近河道的地表水作为水源，产生的温（冷）排水亦就近进入周边河道。退水口位于平原河网区常见的蓄水大包围内，内部河流交织呈网状，河道地势变化较小，水流缓慢，闸坝调度频繁，河道水流复杂，流向多变，研究能源站温（冷）排水对蓄水包围内河道水温的影响变得较为复杂。

常用的河道水温计算方法为公式法和数学模型法，前者计算简单，但只适用于某些特殊情况，精度较差。后者通过分析影响水温的主要因子，由热量、质量平衡原理建立数学模型，具有一定的普遍性，但计算较为复杂。目常见的水温预测数学模型分为很多种，河口、海湾等开阔水体非恒定流流场的三维紊流数值模拟已取得了很多研究成果[1-4]，并在温度场的模拟中得到应用[5-6]，成熟的商业软件中，二维和三维水动力、水质数学模型中已包含温度场模块，对本次研究的平原河网尚无简单实用的水温预测模型。庄春义[7]建立了适用于长河段、长时段非恒定流计算的一维非恒定流数学模型及其计算方法；吴时强[8]等人针对平原河网地区采用直排冷却方式的电厂温排水影响，建立了平面二维水流温度场数值模型；卢士强等[9]人利用MIKE11ECO模块开发了适用于平原地区河网的温排水预测模式。

本文针对能源站排放的温（冷）排水排入蓄水大包围内引起的水温变化问题，采用一维河网水动力模型，耦合温排水预测模块，对温排水带来的区域性河道影响进行了预测，并对大包围内的闸坝控制提出了要求，在减少温（冷）排水带来的水温影响的同时优化区域的水动力条件。

1 数据与方法

1.1 区域概况

研究区域地处长江下游南侧，属北亚热带南部湿润气候，季风盛行，温暖湿润，四季分明，雨量充沛，气候温和，日照充足，冬无严寒，夏无酷暑，气候宜人。多年平均气温15.4℃，历年最高气温41.1℃，历年最低气温-12.7，多年平均风速3.6 m/s。

滨江新城中心区蓄水包围位于区域排水骨干河道常浒河和徐六泾之间，面积约3.4 km2，内部河道全长12.2 km，正常蓄水位约3.2 m，该水位下水域面积 0.203 km2，包围内地面平均高程约5.1 m。整个包围由4座节制闸控制，常浒河边建有2座闸门，分别为北小塘闸和王巷河闸，均为4 m节制闸，其中王巷河闸处还建有1座单向引水泵站（引常浒河水入蓄水包围）；通往徐六泾的河道也由2座闸门控制，分别为余家坝涵闸和北小塘兴庆路闸，均为4 m节制闸。

蓄水包围主要功能为蓄水，正常情况下，包围内水位高于外河，汛期水位差约0.2 m，非汛期水位差约0.5 m。4 座闸门大部分时间为关闭状态，仅在常浒河及徐六泾引水，包围外水位抬高时打开闸门引水入包围；另外王巷河闸处还建有一座单向引水泵站，必要时可引常浒河水进入包围。

1.2 一维河网水动力水温数学模型构建

1.2.1 水动力模型基本方程

水动力模型基本方程建立在质量守恒和动量守恒基础上，遵循水力学上著名的圣维南方程组，并在方程组的基础上增加考虑了漫滩和旁侧入流，以流量Q（x，t）和水位Z（x，t）为未知变量，方程组如下：

式中，Q—流量，m3/s；Bw—调蓄宽度，是包括滩地在内的全部河宽，m；q—旁侧入流流量，入流为正值，出流为负值，m3/s；A—主槽过水断面面积，m2；B—主流断面宽度，m；R—水力半径，m；u—断面平均流速，m/s；Z—水位，m；g—重力加速度，m/s2；n—河床糙率；x，t—沿水流方向的空间坐标和时间坐标，m，s；

方程组求解方法：Abbott-Ionescu六点隐式有限差分法。按照网格点的计算顺序交替计算水位或流量，两类计算点又被称为h点和Q点。首先求解各节点处的水位，然后将各节点水位回代至单一的河道方程中，并最终求得各单一河道各微断面水位及流量。

1.2.2 水温模型控制方程

水体温度场的基本方程为一维对流扩散方程。

式中，T—水体温度（℃）；H—水深（m）；Cw—水的热容（J/kg·℃）；Q—水体输入（或输出）的热量（J）；u—流速（m/s）；K—紊动扩散系数（m2/s）；F—综合考虑长波辐射、蒸发和水面与大气热量交换的温度衰减系数（d-1）；ρw—水的密度。

其中水面与空气之间的热交换，即上式中“FT”项采用交换速率的概念来计算，展开表达式为：

式中，E—表层综合热交换系数（Watt/m2/℃）；T—水体温度（℃）；A—周围水体的温度（℃）；STCT—水的热容（MJ/m3/℃）；H—水深（m）。

其中表层综合热交换系数采用《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2014）中推荐公式进行取值。

1.2.3 河网概化

由于河网内部河道多而复杂，一般都属天然河道。为了便于计算，构建模型时将河道进行概化，形成一个有河道、有节点的概化河网。将天然河网进行合并、概化，概化河道为水平底坡、梯形断面，概化断面用底高、底宽和边坡3个要素来描述。概化时将主要的输水河道纳入计算范围，将次要的河道和水体根据等效原理，归并为单一河道和节点，使概化前后河道的输水能力相等、调蓄能力不变。当这些次要的平行河道具有断面资料，且首末节点相同时，可以用水力学的方法，根据过水能力相同的原理，求得合并概化河道的断面参数。对于水系内不参加水流输送的一些小河、池塘等，其调蓄作用不可忽视，采用调蓄不变原则模拟概化河网以外的调蓄作用，使概化前后河道的总调蓄容积不变。本次研究范围内河道概化情况见图1。

图1 研究范围河网概化图

1.2.4 计算参数选取

根据地区同类河流研究成果，河道糙率n取值为0.03；根据环境水力学推荐的扩散系数取值方法，纵向扩散系数根据《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2014），表面综合散热系数取值为30 W·m-2·℃-1。

根据常浒河长序列水温资料统计可知，常浒河夏季多年平均水温为33℃，冬季多年平均水温为8.5℃。

1.2.5 计算水文条件

本次拟建项目退水口所在的河段位于蓄水包围内，区内小型河道交织成网，外包围均设闸门控制，闸门仅在排涝时开启。因此，正常情况下，外包围闸门关闭，圩区内水体基本处于滞流状态，本次选择2016年5月实地开展的蓄水包围内河流水文要素为计算水文条件。

1.3 计算方案制定

本文中制定的计算方案主要根据蓄水包围的调度方案和排水特征进行设置。

1.3.1 调度方案

蓄水包围内的调度方案一共有5种：

（1）在正常蓄水状态下，蓄水包围外围的4座闸门均关闭，能源站尾水全部停留在蓄水包围内。

（2）随着能源站尾水不断排入蓄水包围，包围内水位将缓慢上涨，当包围内水位与常浒河水位差超过0.5/0.2 m（非汛期/汛期）时，考虑适当开启王巷河闸（其余3座闸门仍保持关闭），蓄水包围内河水向西自流进入常浒河。

（3）当蓄水包围内水位与常浒河水位差超过0.5/0.2 m（非汛期/汛期）时，考虑适当开启北小塘东闸（其余3座闸门仍保持关闭），蓄水包围内河水向东自流进入徐六泾。

（4）当蓄水包围内外水位差过高，或汛期遇强降水，王巷河闸、北小塘东闸及余家坝涵闸全部打开，为防止能源站尾水排放直接影响到取水口，北小塘闸仍保持关闭，能源站尾水经蓄水包围内河道排入外河。

（5）当常浒河及徐六泾引水时，二者水位较高，蓄水包围4座闸门均开启，向包围内引水，能源站排放尾水全部停留在蓄水包围内。根据统计，常浒河及徐六泾单次引水时间约4 h，因此蓄水包围引水时间也不会超过4 h。

1.3.2 排水特征

能源站主要在夏季制冷，冬季供热，夏季、冬季正常情况下24 h排水，其中冬季在水温5℃以下时因全部采用燃气辅热故无退水产生，春秋季仅在制备生活热水时产生退水。本文主要研究夏季温排水的影响。夏季排水量见表1。

表1 夏季日排水量表

1.3.3 计算方案

根据蓄水包围闸门调度方案，在闸门全部开启引水或排水期间，区域内水动力条件相对较好，有利于降低温升，因此本次选取较不利的3个调度方案，结合夏季能源站温排水排放特征，共制定3组计算方案，详见表2。

表2 计算方案一览表

2 研究结果与分析

计算结果表明：夏季能源站温排水的排放将会对蓄水包围以及外围相关联河道水温产生一定的影响。蓄水包围内主要河道受影响情况见表3，影响范围示意图见图2（注：河道里程均为自南向北、自西向东）。

表3 蓄水包围内各河道温升计算结果表（℃）

（续表3）

（续表3）

图2 方案1、2、3温升影响范围示意图（从左向右依次为方案1、2、3的计算结果）

根据计算结果可知：在蓄水包围闸门全部关闭的情况下（方案1）对包围内部分河流会产生一定的影响，以北小塘、王巷河等为代表的11条河流部分或全部河段都将会出现温升大于1℃的情况，最大温升达3.25℃，出现在退水口附近位置。

在开启王巷河闸的情况下（方案2），包围内水体流动性增强，本项目对包围内水体的影响将会减小，温升超过1℃的范围将会缩减，仅7条河流部分或全部河段将会出现温升大于1℃的情况，最大温升为2.36℃，出现在退水口附近位置；温排水对常浒河也会产生一定的影响，但由于温排水在进入常浒河之前在包围中经过了一段时间的扩散与热交换，进入常浒河的排水水温已经较低，因此对常浒河的影响较小，至能源站取水口处温升仅为0.1℃，基本不会对能源站取水产生影响。

在开启北小塘东闸的情况下（方案3），包围内水体流动性增加，本项目对区内水体的影响将会减小，但是减幅较小，仍有11条河流的部分或全部河段将会出现温升大于1℃，退水口附近最大温升仍可达 3.25℃；温排水对徐六泾也会产生一定的影响，但由于温排水经过包围内部扩散与热交换之后，进入徐六泾的水温已经趋近于背景水温，因此对徐六泾的影响也较小，产生的最大温升不超过0.14℃。

3 结论

在以滨江新城中心区为代表的典型平原河网地区，蓄水包围虽解决了中心区蓄水和河道淤积问题，但长期关闸也会导致水体滞流，水体自净能力下降，从而导致水质变差。在此种情况下，能源站温排水的排放对蓄水包围的影响是双面的：关闸期间会对包围内多条河道水温产生影响，但是能源站退水恰好又可为蓄水包围创造一个活水水源。通过对蓄水包围周围的控制闸站合理调度，如适当开启王巷河闸、北小塘东闸，可以有效降低能源站温排水带来的温升影响，同时增加蓄水包围内河道水体流动性，从而在一定程度上提升蓄水包围内水质及各项感官指标，美化滨江新城中心区水环境。