紹興柯橋主城區(qū)清水工程水動力分析

梁佰軍，楊伏香，李東風(fēng)，張紅武

(1.紹興市水利水電勘測設(shè)計院，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)與水利水電工程國家重點實驗室，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-中國輕紡城，柯橋區(qū)是浙江省經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一.柯橋區(qū)地勢西南高，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，但由于地勢平緩，遇到大暴雨，極易形成澇災(zāi);由于河網(wǎng)水體流動性小，河網(wǎng)湖泊水體富營養(yǎng)化時常發(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TN為15 mg/L和TP為0.5～1.0 mg/L，而國際上公認(rèn)的水體發(fā)生富營養(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)高于國際標(biāo)準(zhǔn).也就是說，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)高于國際上公認(rèn)的水體發(fā)生富營養(yǎng)化TN和TP的濃度標(biāo)準(zhǔn).其原因是因為大量研究證明，水體中高濃度的TN和TP并不是發(fā)生富營養(yǎng)化的充分條件，還必須有緩慢的水動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，才會造成富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生［1－2］.《水體富營養(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養(yǎng)化的三大因素.較小的流速導(dǎo)致了河網(wǎng)水體流動性不夠、水體自凈能力差、水體富營養(yǎng)化加?。?］.

因此，在水體溫度無法控制、總氮總磷等污染物的濃度沒有控制的情況下，增加水體的流動性成為防止水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要措施.河網(wǎng)湖泊水體通過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.引水工程實施后河網(wǎng)水流流速和水動力增強多少、哪條河流那段河流的水動力最強，哪條河流那段河流的水動力最弱，就需要通過數(shù)學(xué)模型或物理模型計算河網(wǎng)水流流速水位等指標(biāo)進(jìn)行分析.因此進(jìn)行河網(wǎng)湖泊水動力和水環(huán)境分析具有重要意義.本文即是利用二維水動力數(shù)學(xué)模型和河網(wǎng)進(jìn)行的水動力分析.

1 清水工程概述

《柯橋主城區(qū)活水一期工程項可行性研究報告》已經(jīng)通過審查.根據(jù)引水方案比選與引水規(guī)模計算，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告》根據(jù)柯橋主城區(qū)獨特的地理位置、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)分為六個區(qū)塊，各區(qū)塊單獨封閉.從金柯橋立交橋附近的杭甬運河取水，通過柯袍線下頂管溝通管墅直江和杭甬運河，拓浚三江大河以北的管墅直江，區(qū)塊三、四通過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，考慮通過頂管穿越三江大河和馬山閘西江.具體線路詳見圖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 萬人，因工程范圍內(nèi)骨干河流，即杭甬運河、三江大河、馬山閘西江、浙東古運河、大坂湖直江、瓜渚湖直江、管墅直江將整個主城區(qū)分為六個封閉區(qū)塊，根據(jù)工程的總體布置，進(jìn)口頂管和進(jìn)口引水河道過水規(guī)模需滿足六個封閉區(qū)塊的活水需要，設(shè)計引水規(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)口管理中心等多個專業(yè)共24個建筑物，整個工程范圍內(nèi)垂直距離約5.5 km.設(shè)計進(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)湖泊水動力數(shù)學(xué)模型基本理論

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

2.1 水流運動基本方程

水流連續(xù)方程:

水流運動方程:

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).初始條件對最終結(jié)果沒有影響.在水動力數(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)無實測水文數(shù)據(jù)，參數(shù)的選擇主要依據(jù)以往規(guī)劃設(shè)計的成果.以往已經(jīng)通過審查的相關(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縣綜合整治及水系連通試點規(guī)劃》《柯橋主城區(qū)活水一期工程項可行性研究報告》等成果，成果分別有由浙江省水利水電勘測設(shè)計院和紹興市水利水電設(shè)計院完成.在進(jìn)行上述規(guī)劃論證時，根據(jù)河網(wǎng)非恒定流計算方法，建立驗證了一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，并對河網(wǎng)湖泊進(jìn)行了相關(guān)水利計算，取得了可靠的計算成果，以上規(guī)劃所采用的水文分析成果及水利計算方法，驗證了合理的水動力計算參數(shù)，其取得計算成果和參數(shù)可供本模型參考.本河網(wǎng)二維水動力數(shù)學(xué)模型使用的參數(shù)，選用參考了以上成果的實驗的模型參數(shù).

3 計算成果分析

3.1 模型邊界條件

模型計算以河網(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)計成果，清水工程取水口取水流量15 m3/s，流入六個區(qū)塊閘門的啟閉情況是: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，其他開邊界流入流出模型計算區(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 號以常水位3.9 m進(jìn)行控制(見圖2)，計算區(qū)域內(nèi)的水位、流速等水力要素.

3.2 河網(wǎng)水動力特性分析

為便于分析河網(wǎng)水動力，將河網(wǎng)內(nèi)的河道及其水動力轉(zhuǎn)換點進(jìn)行標(biāo)記，分別以大寫字母進(jìn)行標(biāo)記，詳細(xì)情況見圖2清水工程瓜諸湖水動力數(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點到第一個河網(wǎng)分流點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)過河道寬度突然擴大縮小、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)湖泊水二維水動力數(shù)學(xué)模型，計算了河網(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、通過水閘和泵站等工程增加水流流速，控制水體流動的河段，分析了需要進(jìn)行水系連通的河段，為實施增強河網(wǎng)水動力應(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，還有很多問題待分析.

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

［2］薛 飛，周維仁，徐小明.養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的成因與危害［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005(6):121 －124，148.

［3］焦世珺，鐘成華，鄧春光.淺談流速對三峽庫區(qū)藻類生長的影響［J］.微量元素與健康研究，2006，23(2):48 －50.

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

［5］李東風(fēng)，毛連明，陳冬云，等.河網(wǎng)水體流動控導(dǎo)措施二維數(shù)值計算分析［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2011，23(1):48－50.

［6］謝其華，李東風(fēng)，陳冬云，等.基于二維數(shù)值模擬的城市河網(wǎng)水體流動性研究［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2010，22(4):1－6.