溫祖國

（中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610）

1 引言

杭州市蕭山區(qū)錢江世紀城核心區(qū)域位于利民河兩岸，主要包括體育競技場館功能的杭州奧體中心和會展服務場館功能的杭州國際博覽中心。區(qū)域河流水系發(fā)達，但河道水體水質(zhì)整體較差。主要存在以下現(xiàn)狀問題：引水水源含沙量較高，增加了河道水體透明度保障的難度；城區(qū)水質(zhì)較差，部分河流水質(zhì)屬于Ⅴ類、劣Ⅴ類；城區(qū)河網(wǎng)暢通性差；部分河道淤積嚴重，河道工況復雜，底泥含砂量高。對核心區(qū)河道水質(zhì)進行綜合治理，實現(xiàn)河道水體有序流動和水質(zhì)提升。

從錢塘江引水并凈化注入河道，清理河道淤泥，利用水閘控制河道水位，加強水體流動，提升錢江世紀城河網(wǎng)水質(zhì)，使主要指標達到Ⅲ類水標準，透明度達到1 m。在后解放河、先鋒河興建水閘，利用錢江樞紐與兩閘之間的河道，對錢江樞紐引水進行水質(zhì)絮凝沉淀處理。對解放河、五堡直河和利民河的部分河段進行清淤。重新規(guī)劃河網(wǎng)區(qū)河道水流流向，確定活水方案，利用閘調(diào)控水位，達到水體流動及水質(zhì)改善的目的。

2 引水水源水質(zhì)凈化措施

因錢塘江原水存在懸浮物過高的問題，故需對引水進行凈化處理。

2.1 混凝劑

根據(jù)錢塘江實測水質(zhì)資料，錢塘江2015年7月至2016年1月，各月平均濃度基本在81.7 NTU-151.8 NTU，根據(jù)此類水質(zhì)特點，擬采用聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑，陰離子聚丙烯酰胺（PAM）作為助凝劑。根據(jù)試驗室試驗、現(xiàn)場中試及類似工程實際應用等多方面成果，PAC 投加量為7.50～30 mg/L（具體投加量根據(jù)進水濁度進行調(diào)整），PAM投加濃度0.10 mg/L。

2.2 引水水質(zhì)混合工藝

混合是將藥劑充分、均勻地擴散于水體的工藝過程，藥劑混合效果對混凝沉淀效果具有重要的作用。影響混合效果的因素很多，如混合方式、采用藥劑的品種、濃度、水溫以及顆粒性質(zhì)等，而采用的混合方式是最主要的因素之一。

利用錢江水利樞紐的雙向引水功能，在引水水泵進水端投加混凝劑，通過水泵葉輪高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)混凝劑與原水的快速混合；然后利用內(nèi)河側(cè)消力池促進礬花碰撞長大，完成反應過程。

2.3 絮凝工藝

投加混凝劑并經(jīng)充分混合后的原水，在水流作用下，使微絮顆粒互相接觸碰撞，以形成更大粒徑絮體的過程稱作絮凝。完成絮凝過程的構筑物為絮凝池，習慣上也稱作反應池。

絮凝時間錢江樞紐內(nèi)河側(cè)消力池長長31.50 m，寬33.40 m，池底高程-2.70 m。攔污柵橋底板高程為1 m，寬與消力池一致，橋面寬8 m。內(nèi)河水位按4.30 m考慮，絮凝池總體積W根據(jù)前述相關參數(shù)，W為9 566 m3。

絮凝時間t可按下式計算：

式中：Q—設計規(guī)模，按20 m3/s；

2.4 沉淀區(qū)

沉淀時間按80 min考慮，在后解放河沉淀河段末端和錢江樞紐消力池兩側(cè)約80 m 先鋒河設置一座翻板閘作為沉淀區(qū)。沉淀區(qū)中，后解放河河道長度約需500 m，先鋒河河道長度約160 m，河道總面積約25 000 m2。沉淀區(qū)的后解放河和先鋒河河段，兩岸10 m 區(qū)域的設計底高程為1 m，中間區(qū)域設計河底高程為0 m，緩坡銜接。在內(nèi)河上完成沉淀過程，巧妙地將傳統(tǒng)水利工程變身為水質(zhì)提升工程。

2.5 原水含氯度處理措施

含氯度高，說明水體中無機鹽類物質(zhì)含量高，如果引入內(nèi)河涌，對內(nèi)河涌的生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響。因為引水流量大，現(xiàn)狀無合適的技術解決含氯度高的問題，因此只能預防。由于錢塘江江水懸浮物和含氯度有密切的關聯(lián)性，水體濁度高，含氯度也高，濁度低，含氯度也低，建議引水錢塘江水體濁度超過250 NTU 時，錢江樞紐停止引水，避免含氯度過高的江水進入內(nèi)河涌，影響內(nèi)河涌的自然生態(tài)系統(tǒng)。

3 河道水動力調(diào)控活水措施

主要技術內(nèi)容包括現(xiàn)場觀測、數(shù)學模型構建、方案制定等。選擇優(yōu)質(zhì)水源，計算項目區(qū)所需換水量，確定換水頻次，合理安排引排水路線，精細調(diào)控水位差，優(yōu)化活水方案等。

3.1 河網(wǎng)水動力水質(zhì)原型觀測

在水質(zhì)凈化運行過程中，對區(qū)域內(nèi)進行水動力、水質(zhì)觀測，為模型率定、調(diào)度方案優(yōu)化、運行調(diào)試提供數(shù)據(jù)基礎。采用人工觀測和電子水尺相結(jié)合，進行原型觀測。

3.2 換水頻次

計算河道槽蓄量，見表1。

表1 河道槽蓄量表

在此基礎上，以4.30 m水位，173萬m3槽蓄量為例，若區(qū)域范圍內(nèi)的河水更換一遍，需要24 h。每抬高水位10 cm，約需要5萬m3，用20 m3/s泵引，需40 min。按引水規(guī)模10 m3/s考慮，開啟一臺引水泵進行引水，注滿河道所需時間約為2 d；平時運行時，按每天引水8 h考慮，能實現(xiàn)規(guī)劃范圍內(nèi)河道換水周期為6 d，能有效保證河道水體的水質(zhì)。遠期考慮滿足蕭山城區(qū)其他河段的引水需求，按引水規(guī)模20 m3/s考慮，開啟兩臺引水泵。

3.3 引排水路線及水位控制

從錢江樞紐引水，進入先鋒河、后解放河，經(jīng)過四座節(jié)制閘從順壩排澇站排出。先鋒河南段通過三號橋閘站泵抽，從一號橋水閘溢流進入利民河。①1區(qū)水位控制。通過對先鋒河一號橋閘、三號橋泵閘的控制，保障先鋒河水位維持5 m。②2區(qū)水位控制。通過對五堡直河節(jié)制閘、利民河節(jié)制閘、先鋒河節(jié)制閘、后解放河節(jié)制閘聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制水位4.30 m。③3區(qū)水位控制。蕭山區(qū)常水位約3.95 m，一般3區(qū)水位不需特別控制。

圖1 引排水路線圖

當降雨期間或汛期外圍水位較高時，調(diào)節(jié)五堡直河節(jié)制閘和利民河節(jié)制閘關閉，先鋒河節(jié)制閘和后解放河節(jié)制閘控制開度，通過順壩排澇閘站向錢塘江排水，控制3 區(qū)內(nèi)水位。利用數(shù)學模型對不同工況進行驗證，驗證結(jié)果見表2，當堰頂高程調(diào)節(jié)為4.50 m，外圍水位不高于5 m時，3區(qū)內(nèi)水位有望控制在4 m 以下。當堰頂高程調(diào)節(jié)為5 m，外圍水位5.50 m 甚至更高時，3區(qū)內(nèi)水位能控制在4 m以下。通過對堰高的控制，提高了水位保證率。水位調(diào)控基本不影響區(qū)域防洪。

表2 水位驗證表 單位：m

3.5 活水數(shù)學模型

3.5.1 模型原理

3.5.1.1 水文模型

此次計算水文模型采用直接徑流法，流域產(chǎn)流量通過以下公式計算：

式中：Q為流域產(chǎn)流量，A為流域面積，P為流域降雨，Rc為綜合徑流系數(shù)（與流域用地分類、土壤類型和流域坡度相關）。

此方法的匯流計算采用雙線性水庫的離散一致傳遞函數(shù)模型進行計算。

3.5.1.2 一維水力學模型

城區(qū)河道采用1D模型描述，并應用St.Vennant方程組進行求解：

3.5.2 模型構建

根據(jù)城區(qū)閘壩工程對河道水系實際控制情況，河道斷面實測情況采用Infoworks RS軟件構建城區(qū)河網(wǎng)水量-水流數(shù)值模型。模型構建從無到有，依次創(chuàng)建斷面、河道連接、閘泵工程、集水區(qū)、邊界，最終整合為一個統(tǒng)一模型。①斷面。本方案研究模型中共計斷面367 個，將實測的斷面數(shù)據(jù)整理，包括起點距、相應點高程、糙率以及斷面間距等信息整理成ISIS文件格式，然后直接導入到軟件中，自動生成斷面及其之間的河道連接。然后根據(jù)實測斷面位置，將斷面放置到正確的位置。河流交匯的地方，創(chuàng)建交叉點，并按照河流走向依次將斷面與交叉點相連。②閘泵工程。閘泵工程采用線型對象處理，在斷面和斷面之間構建相應的建筑物，輸入建筑物尺寸信息以及相應的調(diào)度運行規(guī)則。本次研究范圍內(nèi)所有管的閘站（溢流堰）10處，泵站（排灌站）9處。③集水區(qū)。根據(jù)河道范圍確定集水區(qū)范圍，采用子流域集水區(qū)對象概化集水區(qū)，并使用旁側(cè)流對象將集水區(qū)與河道斷面相關聯(lián)。④計算網(wǎng)絡。將創(chuàng)建好的單一對象相互連接，就完成了整個模型的構建。

3.5.3 模型率定

采用原型觀測獲得的實測水位、流量數(shù)據(jù)對模型進行率定?，F(xiàn)場試驗時，對閘門開度、泵站開關等進行控制調(diào)試，記錄水位、流量、流速、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，為率定驗證數(shù)學模型提供數(shù)據(jù)。

利用模型進行驗證和優(yōu)化，計算不同工況下，最高水位。利用模型制定活水方案，在城區(qū)某些主干河道，合理選擇位置，擬建溢流堰、擋水閘、潛壩等多種“活水”方案，重點考慮各方案的景觀、礙航、防洪安全影響，設計各方案效果圖；對規(guī)劃區(qū)內(nèi)合理分配流量，精細調(diào)控水位差，制定合理調(diào)度方案，并通過城市景觀等因素綜合比較分析，提出推薦阻水建筑物工程方案，對比不同的方案的效果，得到最優(yōu)方案。

在后期將水質(zhì)、管網(wǎng)等數(shù)據(jù)加入水力學模型中，構建更完善的水力學-水質(zhì)模型，河網(wǎng)-管網(wǎng)一體化模型。

3.6 河網(wǎng)活水方案

活水方案共分三種工況。

3.6.1 工況1

該方案從錢江樞紐泵引20 m3/s，先鋒河1#和3#水閘開啟，水位同研究范圍內(nèi)其他河一致，4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。①當四個閘同時開啟，上下游形成約5～10 cm水位差，所有河道都有流速，流速約0.05 m/s，但五堡直河北段、東風河流速較差。②當四個閘單獨分時段開啟時，所有河道均能活水，活水效果好，流速能達到0.10 m/s以上。

先鋒河節(jié)制閘開啟時，先鋒河北段、五堡直河北段流速優(yōu)秀，達0.15 m/s。后解放河節(jié)制閘開啟時，先鋒河北段、五堡直河北段流速優(yōu)秀，達0.21 m/s。五堡直河節(jié)制閘開啟時，先鋒河南段、五堡直河南段流速優(yōu)秀，達0.13～0.37 m/s。利民河節(jié)制閘開啟時，先鋒河南段、利民河、五堡直河南段流速優(yōu)秀，達0.15～0.27 m/s。

3.6.2 工況2

該方案從錢江樞紐泵引20 m3/s，先鋒河1#和3#水閘豎起控制先鋒河水位約5 m，研究范圍內(nèi)其他河控制4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。通過先鋒河3#水泵向先鋒河引水，通過先鋒河1#水閘向利民河溢流。當四個閘同時開啟，或每個閘門分別開啟時，活水效果與第1種工況類似。

3.6.3 工況3

該方案從錢江樞紐泵引10 m3/s，先鋒河1#和3#水閘豎起控制先鋒河水位約5 m，研究范圍內(nèi)其他河控制4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。當四個閘同時開啟，或每個閘門分別開啟時，活水效果比以上兩種工況明顯降低。當四個閘同時開啟時，大部分河道平均流速基本約0.03 m/s，流速略低。

4 結(jié)語

①以運行效果來看，已實施的工程設施完全發(fā)揮了功能，達到了設計預期的效果。工程調(diào)試運行期間，核心區(qū)內(nèi)各河道水質(zhì)主要指標達到Ⅲ類水標準，透明度均達到1 m。工程凈化了河道水質(zhì)，創(chuàng)造出多樣性的河流生境，對生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展起到了重要作用。②工程建設在充分利用現(xiàn)有條件下，節(jié)省了時間和投資。同時當水質(zhì)較好時，可選擇同時控制四個節(jié)制閘，所有河道同時活水；當水質(zhì)較差時，分別控制每個節(jié)制閘，對不同河道強化活水，這樣可節(jié)約，運行成本較低。