梁佰軍，楊伏香，李東風(fēng)，張紅武

(1.紹興市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 紹興 310018;2.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008;3.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;4.清華大學(xué)水利工程系，水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

柯橋區(qū)地處浙江省紹興市北部富庶的寧紹平原，擁有亞洲最大的布匹集散中心-中國(guó)輕紡城，柯橋區(qū)是浙江省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一.柯橋區(qū)地勢(shì)西南高，東北低，西南為山丘區(qū)，東北為地區(qū)平緩，高程4.5～5.5 m之間，但由于地勢(shì)平緩，遇到大暴雨，極易形成澇災(zāi);由于河網(wǎng)水體流動(dòng)性小，河網(wǎng)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)常發(fā)生.

根據(jù)《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)(GB/T18921－2002)》，規(guī)定城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)指標(biāo)氮、磷分別為T(mén)N為15 mg/L和TP為0.5～1.0 mg/L，而國(guó)際上公認(rèn)的水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化TN和TP的濃度標(biāo)準(zhǔn)為:TN為0.2 mg/L，TP為0.02 mg/L，前者指標(biāo)遠(yuǎn)高于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).也就是說(shuō)，城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)TN和TP濃度指標(biāo)遠(yuǎn)高于國(guó)際上公認(rèn)的水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化TN和TP的濃度標(biāo)準(zhǔn).其原因是因?yàn)榇罅垦芯孔C明，水體中高濃度的TN和TP并不是發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的充分條件，還必須有緩慢的水動(dòng)力條件及適宜的氣候條件，只有在三方面條件都比較適宜的情況下，才會(huì)造成富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生［1－2］.《水體富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》也指出，水體污染物總氮總磷等污染物的濃度、水流流速和水體溫度是水體富營(yíng)養(yǎng)化的三大因素.較小的流速導(dǎo)致了河網(wǎng)水體流動(dòng)性不夠、水體自凈能力差、水體富營(yíng)養(yǎng)化加?。?］.

因此，在水體溫度無(wú)法控制、總氮總磷等污染物的濃度沒(méi)有控制的情況下，增加水體的流動(dòng)性成為防止水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要措施.河網(wǎng)湖泊水體通過(guò)引入清水可以降低總氮總磷的濃度，增加水流速度，從而阻止河網(wǎng)湖泊發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化［4］.紹興市柯橋進(jìn)行的主城區(qū)清水活水工程就是很重要的引水工程.引水工程實(shí)施后河網(wǎng)水流流速和水動(dòng)力增強(qiáng)多少、哪條河流那段河流的水動(dòng)力最強(qiáng)，哪條河流那段河流的水動(dòng)力最弱，就需要通過(guò)數(shù)學(xué)模型或物理模型計(jì)算河網(wǎng)水流流速水位等指標(biāo)進(jìn)行分析.因此進(jìn)行河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力和水環(huán)境分析具有重要意義.本文即是利用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和河網(wǎng)進(jìn)行的水動(dòng)力分析.

1 清水工程概述

《柯橋主城區(qū)活水一期工程項(xiàng)可行性研究報(bào)告》已經(jīng)通過(guò)審查.根據(jù)引水方案比選與引水規(guī)模計(jì)算，得出的主要結(jié)論為:《柯橋主城區(qū)活水一期工程可行性研究報(bào)告》根據(jù)柯橋主城區(qū)獨(dú)特的地理位置、引水水源、水流走向、結(jié)合周邊水系的水質(zhì)、水量、水工建筑物的情況，推薦以管墅直江作為引水水源通道，并以周圍骨干河道及管墅直江為界，把主城區(qū)分為六個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊單獨(dú)封閉.從金柯橋立交橋附近的杭甬運(yùn)河取水，通過(guò)柯袍線下頂管溝通管墅直江和杭甬運(yùn)河，拓浚三江大河以北的管墅直江，區(qū)塊三、四通過(guò)各自新建泵站直接提水入封閉區(qū)域，區(qū)塊一、二、五、六通過(guò)新建樞紐泵站及引水管道至管墅直江(三江大河以南河段)，再通過(guò)各區(qū)塊引水閘引管墅直江水體入各自區(qū)域的方案.為避免在三江大河及馬山閘西江航道上建閘，影響航運(yùn)，考慮通過(guò)頂管穿越三江大河和馬山閘西江.具體線路詳見(jiàn)圖1柯橋主城區(qū)活水工程布置圖.

圖1 柯橋主城區(qū)活水工程布置圖

整個(gè)柯橋主城區(qū)活水工程一期工程，總面積約3 km2，水域面積0.12 km2，受益人口約5 萬(wàn)人，因工程范圍內(nèi)骨干河流，即杭甬運(yùn)河、三江大河、馬山閘西江、浙東古運(yùn)河、大坂湖直江、瓜渚湖直江、管墅直江將整個(gè)主城區(qū)分為六個(gè)封閉區(qū)塊，根據(jù)工程的總體布置，進(jìn)口頂管和進(jìn)口引水河道過(guò)水規(guī)模需滿足六個(gè)封閉區(qū)塊的活水需要，設(shè)計(jì)引水規(guī)模為15 m3/s.

包括管墅直江全封閉引水通道工程、區(qū)塊一引水活水封閉圈和避免回流工程三大建設(shè)任務(wù)，管道頂進(jìn)、引水河道、閘站以及進(jìn)口管理中心等多個(gè)專業(yè)共24個(gè)建筑物，整個(gè)工程范圍內(nèi)垂直距離約5.5 km.設(shè)計(jì)進(jìn)口頂管引水流量15 m3/s，樞紐閘站引水流量9 m3/s.

工程通過(guò)建設(shè)管墅直江引水水源通道工程、區(qū)塊一活水工程以及防止回流工程等一系列工程措施引杭甬運(yùn)河水體至區(qū)塊一，利用區(qū)塊一內(nèi)部泵站、水閘調(diào)節(jié)和分配河道流量，從而改善區(qū)塊一水環(huán)境.

2 河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基本理論

河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力建模理論包括水流運(yùn)動(dòng)基本方程和定解條件［5－6］.

2.1 水流運(yùn)動(dòng)基本方程

水流連續(xù)方程:

水流運(yùn)動(dòng)方程:

式中:h—水深;

u、v—橫向及縱向水流速度;

Z—水位;

n—滿寧糙率;

vt—渦流系數(shù);

2.2 定解條件

定解條件包括初始條件和邊界條件.數(shù)學(xué)模型初始值設(shè)定為常數(shù).初始條件對(duì)最終結(jié)果沒(méi)有影響.在水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型中，有六種不同的邊界條件，即陸地邊界條件(零垂向流速);陸地班級(jí)條件(零流速);速度邊界條件;通量邊界條件;水位邊界條件;流量邊界條件.

2.3 模型參數(shù)的選擇

由于清水工程區(qū)域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，參數(shù)的選擇主要依據(jù)以往規(guī)劃設(shè)計(jì)的成果.以往已經(jīng)通過(guò)審查的相關(guān)規(guī)劃規(guī)劃成果主要有，《曹娥江流域綜合規(guī)劃》《紹興縣城市防洪規(guī)劃》《紹興縣河道總體規(guī)劃》和《紹興縣中小河流治理重點(diǎn)縣綜合整治及水系連通試點(diǎn)規(guī)劃》《柯橋主城區(qū)活水一期工程項(xiàng)可行性研究報(bào)告》等成果，成果分別有由浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院和紹興市水利水電設(shè)計(jì)院完成.在進(jìn)行上述規(guī)劃論證時(shí)，根據(jù)河網(wǎng)非恒定流計(jì)算方法，建立驗(yàn)證了一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，并對(duì)河網(wǎng)湖泊進(jìn)行了相關(guān)水利計(jì)算，取得了可靠的計(jì)算成果，以上規(guī)劃所采用的水文分析成果及水利計(jì)算方法，驗(yàn)證了合理的水動(dòng)力計(jì)算參數(shù)，其取得計(jì)算成果和參數(shù)可供本模型參考.本河網(wǎng)二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型使用的參數(shù)，選用參考了以上成果的實(shí)驗(yàn)的模型參數(shù).

3 計(jì)算成果分析

3.1 模型邊界條件

模型計(jì)算以河網(wǎng)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，使用的邊界條件主要依據(jù)活水工程的設(shè)計(jì)成果，清水工程取水口取水流量15 m3/s，流入六個(gè)區(qū)塊閘門(mén)的啟閉情況是:清水工程在關(guān)閉區(qū)塊三、區(qū)塊四、區(qū)塊五和區(qū)塊六的情況下，其他開(kāi)邊界流入流出模型計(jì)算區(qū)域以水位進(jìn)行控制，即邊界3、4、5、6關(guān)閉，其他進(jìn)出口邊界8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 和 20 號(hào)以常水位3.9 m進(jìn)行控制(見(jiàn)圖2)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水位、流速等水力要素.

3.2 河網(wǎng)水動(dòng)力特性分析

為便于分析河網(wǎng)水動(dòng)力，將河網(wǎng)內(nèi)的河道及其水動(dòng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，分別以大寫(xiě)字母進(jìn)行標(biāo)記，詳細(xì)情況見(jiàn)圖2清水工程瓜諸湖水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究范圍和河段標(biāo)記圖.選擇研究水域流速和水位進(jìn)行整體比較分析.

圖2 清水工程河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究范圍和河段標(biāo)記圖

圖3給出了研究區(qū)域的流速大小分布圖，圖4給出了研究區(qū)域的水位分布圖.

圖3 河網(wǎng)流速大小分布圖

圖4 河網(wǎng)水位分布圖

從這些圖3和圖4可以看出從引水口的A點(diǎn)到第一個(gè)河網(wǎng)分流點(diǎn)D的河段內(nèi)，大部分河段流速大于0.1 m./s，最大流速 0.1693 m/s，最小流速0.063 m/s，水位從 3.9776 m 下降到 3.9053 m;水流在位置D分為兩個(gè)分支DC和DON河段，由于分汊造成能力局部損失和分流到各個(gè)河段的流量的減少等因素影響DC河段的流速降低到最大流速0.06 m/s，最小流速0.03 m/s，DON 河段降低到平均約0.09 m/s;水流經(jīng)過(guò)河道寬度突然擴(kuò)大縮小、彎道等局部阻力和沿程阻力的作用，水流不斷的進(jìn)行分流，分流到下一級(jí)河段的局部流量損失和沿程能力損失不斷累加，總能量逐漸減少，使河段流速也逐步減少，水位逐漸降低.

從河網(wǎng)流速大小平面分布圖3和圖5可以看出:(1)首先，在河段斷頭河附近的流速比較小，一般流速小于0.001 m/s，斷頭河末端流速幾乎為0，這些河段極易發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化，急需進(jìn)行水系連通;(2)其次，除了斷頭河河段外，從整個(gè)區(qū)塊一和區(qū)塊二看，位于標(biāo)記JT河段的中澤橫江東段、標(biāo)記FG管墅直江南段的河段的流速在0.001～0.002之間，這些河段流速也比較小，這些河段最急需治理.可以通過(guò)布置水閘或泵站或其組合增加流量，增加流速，提高水體的流動(dòng)性.

從局部范圍水位等值線圖圖6可以看出河網(wǎng)出現(xiàn)比較多的等值線比較密集的河段，比較嚴(yán)重的水位壅高位于中澤橫江西段和中段、標(biāo)記LQ的河段、標(biāo)記KL河段、標(biāo)記PR河道后段，標(biāo)記LQ前段和后段等，這些河段需要進(jìn)行局部拓寬.

圖5 主要區(qū)塊流速大小平面分布

4 結(jié)論

從根據(jù)建立的河網(wǎng)湖泊水二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了河網(wǎng)水力要素，分析了局部河段和整體河網(wǎng)的水力特性，分析確定了河網(wǎng)中最需要進(jìn)行河道拓寬、通過(guò)水閘和泵站等工程增加水流流速，控制水體流動(dòng)的河段，分析了需要進(jìn)行水系連通的河段，為實(shí)施增強(qiáng)河網(wǎng)水動(dòng)力應(yīng)該采取的措施提供了依據(jù).由于數(shù)據(jù)量巨大揭示的水力特性復(fù)雜，還有很多問(wèn)題待分析.

［1］司彥杰.城市景觀水體維護(hù)及優(yōu)化運(yùn)行研究［D］.天津:天津大學(xué)，2007.

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［4］易 雯.《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中氮、磷指標(biāo)體系及運(yùn)用中有關(guān)問(wèn)題的探討［J］.環(huán)境保護(hù)，2004(8):10 －11.

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