一、项目背景

为了评估苏州河环境综合整治一期工程并预测二期工程的效果，2000年4月至2002年2月，亚洲开发银行资助开展了“改善苏州河环境管理”技术援助项目，其中一项重要工作就是采用丹麦水力研究所（DHI Water & Environment）的MIKE11水环境模型系统，结合荷兰DELFT水力研究所的（DELFT Hydraulics）GIS工具Netter，建立并完善了苏州河水系决策支持系统，对整治措施及工程实施前后的苏州河水量水质变化进行分析和预测，反馈各种工况的比较结果，完善苏州河的各项整治措施，为苏州河综合整治决策提供技术支持。

系统建立工作流程见图1。

图1 苏州河水系决策支持系统建立工作流程

二、苏州河水系水动力模型

（一）河网概化

研究区域属平原感潮河网水系，河道纵横交错，小河众多，河道断面变化复杂，河网概化难度大。为较合理地模拟苏州河水系水量交换，将模型范围确定为北至长江，南至杭州湾沿线，东至长江及杭州湾沿线，西至江苏太湖瓜泾口。

（二）水工构筑物

研究区域为强人工调控的平原感潮河网地区，有近百座控制闸门。这些闸门将上海市河网水系划分为14个水利片，每个片受闸门和泵站控制而成为相对独立的水系。由于综合考虑航运、灌溉、防洪及调水的需要，每个闸门有着非常复杂的运行规则，对河网水体的流动起了非常重要的作用。将闸门的运行规则输入到MIKE11的河网编辑器中，模型就可以真实地反映闸门的运行对水动力的影响。MIKE11对水工构筑物的模拟具有较强的功能，无论是有规律的运行方式，还是受人为影响的运行方式，只要有记录，都能够充分地反映在模型中。

（三）边界条件

模型的边界设在有实测点的地方，包括：苏州河上游太湖瓜泾口、拦路港（淀峰）、红旗塘和太浦河（平望水文站）、浏河口、吴淞口及杭州湾沿线等。模型计算时段为1999年6月1日至8月31日。

（四）降雨径流模拟

降雨径流对水系水动力条件产生的影响很大，要较好地模拟河流水动力情况，必须考虑降雨径流的影响。本模型系统中，采用了NAM降雨径流模型模拟计算降雨蒸发、下渗、地表水与地下水的交换以及地面径流等水文过程，其计算结果为河网水动力模型提供了地表降雨径流入河流量。NAM以水利片为单位模拟计算地表降雨径流量。此外，NAM还用于计算苏州河沿线37座泵站的溢流流量。

1999年6月~8月期间，收集了苏州河沿线37座市政泵站的排江数据。为研究泵站排江对苏州河水量水质的影响，模型专门设置了37个小集水区。每个泵站接纳该集水区中的降雨径流和工业及生活污水。旱天，泵站接纳的污水被输送到合流污水一期工程管道（管道的截流倍数是1.5），超过管道输送能力的污水将被溢流到苏州河，该过程通过NAM模型实现。

（五）河网水动力模型基本方程

MIKE11 HD水动力模型模拟河道的流量和水位。计算结果为模拟污染物输送及水质提供基本流场条件。MIKE11 HD水动力模型采用隐式差分格式计算非恒定流，适合感潮河网水力计算。能对各种水工构筑物（泵、闸等）进行很好的处理。水动力模型基于一维圣维南方程组，采用追赶法（Double Sweep）求解，可应用于单一河道、叉状河网和环状河网。

（六）水动力模型率定及验证

水动力模型的率定主要包括调整糙率系数（曼宁系数）及闸门运行方式，使模拟结果与实测水位、流量匹配。经调试计算，研究区域内大部分河道曼宁系数一般为0.03，苏州河、黄浦江曼宁系数在0.02~0.045之间。

三、苏州河水系水质模型

（一）水质模型基本原理

MIKE11 WQ水质模型模拟水体中有关物质的输运以及水质变化过程，包括平流输送、扩散作用输送、生物化学反应降解及污染源的输入等多项反应，模拟溶解氧、生化需氧量（BOD）、温度、以NH3-N形式存在的无机氮（总氮）及NO3-N （硝酸盐）浓度变化情况，还能与非恒定流水动力模型相配合，较准确地模拟潮汐对河流水质的影响。

（二）污染源数据

苏州河水系水质数学模型的污染源数据包括点源（集中排放废污水）和非点源（降雨径流的冲刷）污染负荷。

1．点源污染负荷

根据2000年上海市污染源调查结果，上海地区目前还有大量直排污染源。将占全市80％污水量的6500个直排河道点源，转化成市区段2×2km、郊区段4×4km一个污染总量，以网格形式给出。网格内的污染总量作为点源，包括废水量、CODCr、BOD5和NH3-N的年平均数据。通过GIS工具Netter，将其就近排入概化河道，并将有关信息自动转入MIKE11 WQ水质模型。

2．估算非点源污染负荷

用丹麦水力研究所的LOAD非点源负荷模型，对土地利用、降水量、人口密度和污染源进行分析，考虑的非点源污染包括农业污染、生活污染及少量直排点源，经计算产生整个区域非点源的污染量，径流量取自NAM降雨径流模型的计算结果。

LOAD需要四个ArcView的GIS图层，水利片GIS图层：NAM降雨径流模型产生的14个水利片年均径流量；非点源GIS图层：各个行政区内家畜和肥料使用信息，包括猪、牛、羊、家禽数据，以及年氮肥量及年磷肥量；生活污染GIS图层：各个行政区人口产生的污染负荷信息，包括人口、接入污水管道情况（以人口数计）及纳入污水处理厂情况（以人口数计）；工业污染GIS图层：除主要直排点源（6500个）以外的少量直排点源，以非点源方式处理，包括BOD总量、总无机氮及总无机磷等。

LOAD模型按这四个图层的信息，通过集成的用户界面，生成文本格式的非点源数据，作为MIKE11 WQ水质模型的输入文件。

（三）水质模型率定及验证

水质模型主要参数率定结果见表1。

表1 水质模型主要参数

四、工程方案模拟分析

（一）调水对苏州河干支流水质影响分析

考虑的调水方案主要有三种：方案一，引苏州河上游水（西引东排）；方案二，引黄浦江水（东引北排）；方案三，引长江水。

与吴淞路桥闸常开相比，调水方案一可使苏州河下游流量增加，表明吴淞路桥闸的运行对苏州河水量影响较大；方案二在涨潮时开启吴淞路桥闸，抬高了苏州河水位，使沿线支流引入苏州河水，增加了支流水量，对支流水质有一定改善；方案三引长江水通过苏州河北部地区的支流进入苏州河，计算结果表明，可使苏州河下游流量增加48%，但此方案的缺点是从长江口引入的水量在进入苏州河之前要通过其北部污染严重的支流，对苏州河水质改善效果不明显。

（二）截污方案对苏州河干支流水质影响

方案一：苏州河六支流截污；方案二：研究区域内所有污染大户污染量削减70％。

在1999年第三次调水试验的边界条件下，削减苏州河六支流（真如港、彭越浦、木渎港、申纪港、华漕港、新泾港）230km2范围内的污染源，六支流的水质有较大改善，如同时引长江水，六支流水质的改善效果更好；六支流截污工程在短期内对苏州河干流水质改善程度不大（见图2）。

图2 工程方案对苏州河及其支流影响

对苏州河干流水质来讲，把污染大户削减70%比六支流截污效果相对更好（见图3）。

图3 截污方案对苏州河干流水质影响

五、结论

项目建立的苏州河水系水动力水质模型系统，比较全面地考虑了研究区域内影响河网水量的诸多因素，尤其是利用降雨径流模型模拟计算了各水利片的地表径流量和市区集水区泵站溢流流量，考虑了非点源污染的影响，较以往的系统有较大改进，并将污染源的输入与GIS结合在一起，操作方便，用户界面友好，为评估苏州河环境综合整治一期工程及今后苏州河二期规划中各种方案比选提供了决策支持技术工具。

（上海市苏州河环境综合整治领导小组办公室）