李 慧

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

龍灣區(qū)北山河片區(qū)河道由于部分工業(yè)及生活污水排入河道致使片區(qū)黑臭河現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)狀河道淤積嚴(yán)重，水體流動(dòng)不暢，河道自凈能力有限，水環(huán)境治理問(wèn)題日益突出。截污納管控制污染源進(jìn)入河道是解決問(wèn)題的根本措施，但是工程實(shí)施存在一定困難。調(diào)水引流是改善平原河網(wǎng)水污染問(wèn)題最為快捷和經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方法[1～3]。通過(guò)引調(diào)水，調(diào)入水質(zhì)較好的水源進(jìn)入片區(qū)河網(wǎng)，既可以改善水質(zhì)，降低污染物的濃度，又能有效增加河道的水環(huán)境容量和水體自凈能力；同時(shí)也可以調(diào)活水體，增大流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一[4～5]。因此為了切實(shí)改善河道水體情況，采用小片區(qū)封閉換水方式改善水體。

2 水利計(jì)算模型

2.1 模型概化范圍

工程實(shí)施位置在龍灣東片北山河附近，屬永強(qiáng)塘河水系，平原河網(wǎng)之間相互連通，永強(qiáng)塘河水系與溫瑞塘河水系相連，因此此次概化范圍應(yīng)包括整個(gè)溫瑞平原，涉及溫瑞塘河水系、永強(qiáng)塘河水系，該水系位于甌江以南，飛云江以北，總集水面積約828.1 km2。其中，溫瑞塘河水系溫州中心片、西片353.1 km2，溫瑞塘河水系瑞安片258 km2，永強(qiáng)塘河水系217 km2。

2.2 計(jì)算方法

計(jì)算區(qū)域河網(wǎng)縱橫，水流互相連通，水力要素隨時(shí)隨地都在變化，屬典型的非恒定流，水利計(jì)算方法采用一維圣維南方程組進(jìn)行數(shù)值解。采用的丹麥河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型MIKE11。

2.3 河道概化

根據(jù)區(qū)域地形及流域特性本次模型計(jì)算主要包括三片區(qū)域：（1）中心片、西片；（2）瑞安北片；（3）溫州東片。計(jì)算共布置1305個(gè)計(jì)算斷面，261個(gè)河汊、186個(gè)概湖，33個(gè)集中入流。水利模型概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 溫瑞、永強(qiáng)水系水利計(jì)算模型圖

2.4 邊界條件及參數(shù)選擇

①初始條件：初始時(shí)刻溫瑞塘河水系平原河網(wǎng)各斷面取常水位2.62 m，流量為0，永強(qiáng)塘河水系河網(wǎng)各斷面取常水位2.50 m，流量為 0。

②外邊界條件：上邊界為各片山區(qū)集中入流；下邊界為下游各大水閘及外海的潮位過(guò)程線，各個(gè)概湖為各個(gè)時(shí)段凈雨過(guò)程線。

③邊界條件：主要為水閘，按過(guò)流公式計(jì)算。

④計(jì)算參數(shù)：時(shí)間步長(zhǎng)ΔS取30 s，河道糙率取0.025～0.035，閘堰參數(shù)根據(jù)具體工程情況取值。

2.5 模型驗(yàn)證

由于流域水系的形狀、河道比降、河床形態(tài)、斷面形式、河道上的各種建筑物等，都會(huì)對(duì)非恒定流水利計(jì)算產(chǎn)生影響，為在水利計(jì)算中較好地反映計(jì)算流域的特性，使計(jì)算成果與實(shí)際情況有良好的符合程度，有必要對(duì)計(jì)算參數(shù)加以率定，使選擇的計(jì)算參數(shù)符合流域特性。

通過(guò)對(duì)流域?qū)嶋H發(fā)生的洪水進(jìn)行比選，選出一場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的洪水作為參證洪水，直接由相應(yīng)于參證洪水的實(shí)際降雨推求出各計(jì)算邊界及集中入流點(diǎn)的流量過(guò)程；假定計(jì)算參數(shù)初值，計(jì)算出流域各特征斷面的計(jì)算洪水位，然后與參證洪水的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，得出計(jì)算參數(shù)的調(diào)整值，調(diào)整計(jì)算參數(shù)后再重新計(jì)算，直至計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差在計(jì)算精度要求范圍之內(nèi)。

根據(jù)多年洪澇資料，選擇流域?qū)嶋H發(fā)生較大洪水、洪水發(fā)生時(shí)間較近、降雨情況較為典型、實(shí)測(cè)資料較完整的作為參證洪水。根據(jù)近年來(lái)資料，溫瑞塘河水系近期發(fā)生較大洪水的主要有2場(chǎng)洪水，分別為2007年韋帕臺(tái)風(fēng)，與2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)，考慮到本次現(xiàn)狀水利模型結(jié)合最新河道格局及實(shí)測(cè)斷面搭建而成，而現(xiàn)狀較2007年水利情況發(fā)生了較大改變，因此本次選擇2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證。

為檢驗(yàn)本次水利計(jì)算模型和率定參數(shù)的合理性及適用性，選用洪澇發(fā)生時(shí)間較近，降雨情況較為典型的2009年8月7日～8月11日的莫拉克臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。各代表點(diǎn)調(diào)查最高洪水位與計(jì)算最高洪水位成果見(jiàn)表1。

表1 洪水驗(yàn)證計(jì)算成果表

從表1中可以看出，莫拉克洪水計(jì)算水位與實(shí)際調(diào)查水位相差幅度在5 cm以內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，說(shuō)明本次水利計(jì)算模型及率定參數(shù)較為合理，可用于現(xiàn)狀及規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的水利計(jì)算分析。

3 活水暢流方案設(shè)計(jì)

3.1 片區(qū)整體換水方案A：?jiǎn)蜗驌Q水方案

方案A主要工程措施如下：

1）對(duì)片區(qū)河道進(jìn)行清淤打卡。

2）改建現(xiàn)有大浦過(guò)船閘，改建后為大浦涵閘，規(guī)模為1 m×5 m。工程主要功能為換水時(shí)通過(guò)大浦涵閘將瑤溪街道南片工業(yè)集中區(qū)小河道河水排出。

3）在北山河及黃石山后河交匯口設(shè)置節(jié)制閘，節(jié)制閘規(guī)模為2 m×2.5 m，工程主要功能為通過(guò)本節(jié)制閘為片區(qū)補(bǔ)充清水。

4）對(duì)現(xiàn)有龍東節(jié)制閘改造，更換閘門。利用改造后龍東節(jié)制閘及現(xiàn)有三十畝河節(jié)制閘，使得片區(qū)水域封閉隔離，便于片區(qū)換水。

5）工程總投資約為1730萬(wàn)元。

具體調(diào)度方式為：常水位時(shí)，各沿江水閘處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉龍東節(jié)制閘、北山河節(jié)制閘和三十畝河節(jié)制閘，開(kāi)啟大浦涵閘，將該沿江封閉片區(qū)水位預(yù)泄至2.2 m，該封閉區(qū)域從常水位2.5 m～2.2 m的預(yù)泄水量為w，預(yù)泄時(shí)間為t；當(dāng)該封閉區(qū)域河道水位泄至2.2 m以后，開(kāi)啟龍東節(jié)制閘、北山河節(jié)制閘和三十畝河節(jié)制閘，對(duì)該片區(qū)補(bǔ)充清水，當(dāng)通過(guò)大浦涵閘泄水量與該片區(qū)2.2 m水位以下的總蓄水量W平衡時(shí)，關(guān)閉沿江所有水閘，開(kāi)閘換水時(shí)間為T。

3.2 片區(qū)整體換水方案B：雙向換水方案

方案B主要工程措施如下：

1）對(duì)片區(qū)河道進(jìn)行清淤打卡。

2）改建現(xiàn)有大浦過(guò)船閘，改建后為大浦涵閘，規(guī)模為1 m×5 m。工程主要功能為換水時(shí)通過(guò)大浦涵閘將瑤溪街道南片工業(yè)集中區(qū)小河道河水排出。

3）在龍灣河及北山河交匯口上游設(shè)置龍灣節(jié)制閘，規(guī)模為1 m×20 m。工程主要功能為通過(guò)設(shè)置龍灣節(jié)制閘，使得片區(qū)水域封閉，換水時(shí)能夠利用龍灣水閘排出片區(qū)流動(dòng)不暢水體。

4）在北山河及黃石山后河交匯口設(shè)置節(jié)制閘泵，節(jié)制閘規(guī)模為1 m×5 m，泵站規(guī)模為0.5 m3/s。工程主要功能為通過(guò)本節(jié)制閘泵為片區(qū)補(bǔ)充清水。

5）工程總投資約為2580萬(wàn)元。

具體調(diào)度方式為：常水位時(shí)，各沿江水閘處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉龍灣節(jié)制閘和北山河節(jié)制閘，開(kāi)啟龍灣水閘和大浦涵閘，將該沿江封閉片區(qū)水位預(yù)泄至2.2 m，該封閉區(qū)域從常水位2.5 m～2.2 m的預(yù)泄水量為w，預(yù)泄時(shí)間為t；當(dāng)該封閉區(qū)域河道水位泄至2.2 m以后，開(kāi)啟龍灣節(jié)制閘和北山河節(jié)制閘，對(duì)該片區(qū)補(bǔ)充清水，當(dāng)通過(guò)龍灣水閘與大浦涵閘等沿江水閘泄水量與該片區(qū)2.2 m水位以下的總蓄水量W平衡時(shí)，關(guān)閉沿江所有水閘，開(kāi)閘換水時(shí)間為T。

圖2 片區(qū)整體換水方案A工程布局圖

圖3 片區(qū)整體換水方案B工程布局圖

3.3 活水效果分析

通過(guò)前述河網(wǎng)模型加入活水方案工程措施進(jìn)行模型計(jì)算，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)比工程現(xiàn)狀及兩種活水方案活水范圍內(nèi)水流速度、換水時(shí)間、水量等來(lái)反映兩種方案的活水效果。

表2 區(qū)域代表點(diǎn)流速統(tǒng)計(jì)表

表3 泄（換）水時(shí)間和水量統(tǒng)計(jì)表

3.4 活水方案選取

從換水量及換水時(shí)間看，方案B控制的水域面積更大，內(nèi)河水體排出可通過(guò)龍灣水閘和大浦涵閘，換水時(shí)間短，方案具有優(yōu)勢(shì)性，但是方案B的工程投資相對(duì)比較大。相反方案A利用大浦涵閘作為唯一排出內(nèi)河水體通道，換水時(shí)間稍長(zhǎng)。

從流速計(jì)算結(jié)果看，兩種方案垟兒河、四十畝直河和大浦河換水時(shí)的流動(dòng)性較現(xiàn)狀不增加水利設(shè)施有明顯的提高，但是對(duì)于對(duì)部分不連通的河道，如后半頭河和破腳裂河等，流速增加不明顯，同時(shí)對(duì)于北山河由于河道較長(zhǎng)，方案B由于通過(guò)兩處排水，對(duì)于靠近排水閘附近的河道處（如龍東村）流速有所提高，但是對(duì)于方案A由于只有大浦水閘一處排水，龍東村附近流速基本沒(méi)有改善。

從工程投資來(lái)看，方案A利用現(xiàn)有簡(jiǎn)易節(jié)制閘進(jìn)行改造，充分利用現(xiàn)有工程資源，工程投資較省，且利用現(xiàn)有節(jié)制閘進(jìn)行建議改造，縮短工期。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)引水調(diào)水能夠達(dá)到對(duì)北山河片區(qū)活水暢流的目的和效果，通過(guò)工程措施能夠提高區(qū)域水體流速，改善區(qū)域水質(zhì)，提高水體自凈能力。

2）利用現(xiàn)有節(jié)制閘改造，減少大規(guī)模工程建設(shè)投資，在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上完成區(qū)域活水暢流的效果。

3）片區(qū)內(nèi)工業(yè)廠房較多，部分仍存在污水直排入河，活水方案雖然對(duì)片區(qū)水動(dòng)力和水環(huán)境有一定改善效果，但維持時(shí)間短，且無(wú)法從源頭控制，后期仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)截污納管從源頭控制污染源，同時(shí)配合河道清淤、水系拓寬連通等手段從根本上解決區(qū)域水環(huán)境問(wèn)題。