淺析壩型對城市河道水流特征和溶解氧分布規(guī)律的影響

甘俊祥

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330025)

進行綜合治理河流和河流生態(tài)建設是我國城市河道整治過程中的發(fā)展方向，城市河流規(guī)劃治理的好壞不僅制約著城市的經(jīng)濟建設，也關系著社會和生態(tài)的協(xié)調發(fā)展，當前，我國有超過50%的河流受到不同程度的污染，因此，在快速城鎮(zhèn)化的今天，必須對城市河道的治理工作高度重視[1-3]。

城市河道的治理方法較多，包括物理、生態(tài)和景觀措施，如：截污納管、引清調水、清淤疏浚、綠色生態(tài)護岸、濕地景觀、濱河景觀、島嶼景觀等[4-7]。其中，人工復氧技術是當前最為常用的改善城市河道水環(huán)境的方法之一，可分為壓氣復氧和利用過水建筑物復氧，特別是后者對水質的恢復效果較佳，且比較經(jīng)濟，因而近年來利用水工建筑物復氧這個手段逐漸引起了重視。不同的壩型和邊界條件下，其水流特征是有比較大的差異的[8-10]，那么對城市河道的復氧效果肯定也是有區(qū)別的，文章在前人研究理論和經(jīng)驗的基礎上，對全壩運行、開口壩運行、開口壩+閘門運行等五種橡膠壩型下的水流特性及溶解氧進行了室內(nèi)模擬試驗研究，以期能夠為城市河道的整治工作提供科學依據(jù)。

1 模型試驗概況

橡膠壩是最近幾年出現(xiàn)的一種高分子合成材料水工建筑物，已逐漸被應用于防洪、擋潮、城市園林美化等各個方面，具有造價低、工期短、管理維修方便、抗震性能好、地形適應強等諸多優(yōu)點。文章擬開展不同橡膠壩型對城市河道水流特性和溶解氧變化規(guī)律進行室內(nèi)模型試驗研究，具體壩型及尺寸見表1。將總長為7m的試驗水槽分為25個斷面，每個斷面布設7個測點，試驗坡度設置為i=5‰，流量設置為3L/s(試驗假定情況為平水期)。

表1 試驗壩型及模型尺寸

2 試驗結果及分析

2.1 水流特性分析

(1)水深分析

不同壩型情況下，試驗測得的水深如圖1所示。從圖中可以看到，在橡膠壩前(過渡區(qū)河道)，水深呈逐漸升高的趨勢，在壩址處水深達到最大值，而在壩后水深突然驟降，并在距離壩址5～10cm處水深最小，隨后由于尾門的作用水深再次呈階梯式增大狀態(tài)，只是水深階梯分布要遠小于壩前的階梯式分布；開口壩(K1,K2)由于左側開口，整體而言右側水深大于左側水深，且壩體的壅水現(xiàn)象不如全壩明顯，壩后的水深則略大于全壩，并隨著壩體長度的減小(或者說開口尺寸的增加)，壩后的水越深，在K2情況下，壩后出口處的水深基本與壩前的水深一致；開口壩+閘門情況下(KZ1，KZ2)，壩體長度越短，閘門越高，其壩前水深越深，而壩后水深相差不大，但KZ2壩體左后方的水深較大值區(qū)域的面積要略大于KZ1，由于閘門設置于左側，因而左側水深大于右側水深。

圖1 水深變化特征

(2)流速分析

試驗得到的河道流速變化特征如圖2所示。從圖2中可以看到，全壩運行條件下，壩前流速較為穩(wěn)定，并由于壩體作用，流速有減小趨勢，并在壩前5～10cm處達到最小值，壩后10cm處，流速達到最大值，隨后趨于穩(wěn)定值，但在同一斷面上流速分布不太均勻，流速較為紊亂。開口壩K1情況下，壩前的流速較為穩(wěn)定，但其同一斷面的流速值要大于全壩運行情況下的流速值，壩址附近由于左側開口，因而左側的流速值大于右側流速值，并呈階梯式遞減；開口壩K2情況下，由于其開口尺寸較大，因而流速分布較為紊亂，整體上要大于K1，流速最大值區(qū)域出現(xiàn)在壩體的左后方，最小值區(qū)域則出現(xiàn)在壩體的右后方；開口壩+閘門(KZ1,KZ2)情況下，上游到下游的流速逐漸減小，壩體附近左岸的流速小于右岸流速，壩后流速流向與壩體呈一夾角并順延這一夾角呈階梯式遞增(由左至右)，開口尺寸越大，閘門高度越高，壩后流速最大值的面積越小。

圖2 流速變化特征

2.2 溶解氧特性分析

試驗分析得到的各壩型條件下溶解氧沿程變化情況如圖3所示。從圖中可以看出，Q1和K1運行情況下，壩前的溶解氧濃度經(jīng)歷了相同的變化趨勢，即均由大變小，全壩運行時，其同一斷面的溶解氧分布相對均勻，沿程整體呈“減小-增大-減小-平緩”的變化特征，而K1情況下，沿程的分布雖然沒有Q1時那么復雜，但在壩體前后同一斷面情況下，其呈由左至右的階梯式遞減特征，壩體右側的溶解氧濃度最低，遠離壩體后又逐漸趨于平緩；由于K2的開口尺寸較大，其溶解氧的濃度沿程分布較K1平穩(wěn)，且相同段面的溶解氧濃度明顯大于K1，K2溶解氧濃度最小值區(qū)域在壩體右側；開口壩+閘門(KZ1,KZ2)情況下，由于左側布置了不過水閘門，因此，其左岸的溶解氧濃度值要小于右岸，且開口尺寸越大，閘門越高，其壩體后方溶解氧的最小值區(qū)域面積越大，且溶解氧沿同一斷面的分布越不均勻。

圖3 溶解氧分布變化特征

3 討論

文章以室內(nèi)模型試驗為基礎，探討了不同壩型對河道水流特征和溶解氧特性的影響研究，隨著橡膠壩在城市河道治理工程中的普及使用，能夠為兼顧生態(tài)的城市河道治理提供試驗數(shù)據(jù)和理論支撐，為不同環(huán)境河道的整治工作提供不同的治理方式；但由于試驗條件和精力有限，作者僅對單壩型情況下的水流和溶解氧特征進行了分析，將來做進一步試驗，以便分析復合壩、不同流量、不同比降河道等復雜情況下的水流特征和溶解氧分布規(guī)律，提供更加符合實際情況的河道生態(tài)治理建設方式。

4 結論

文章采用室內(nèi)模型試驗方法，對全壩運行、開口壩運行、開口壩+閘門運行等五種形式下的水流特性及溶解氧分布規(guī)律進行了分析，得到了不同壩型下水流和溶解氧沿程和斷面分布的異同點，能夠為橡膠壩在城市河道治理工程中的推廣使用提供科學依據(jù)。