阜陽市潁西片區(qū)活水工程方案研究

董勝男， 張龍陽

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)第六設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省水文局，安徽 合肥 230031)

1 項目概況

1.1 項目背景

阜陽市位于安徽省西北部，淮河以北，阜陽市區(qū)位于市域中部，淮河主要支流潁河自西北向東南流經(jīng)市區(qū)，泉河自西向東注入潁河，將城市自然分割成潁西、潁東、泉北三大分區(qū)，城水相依。

近年來，隨著阜陽經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水環(huán)境問題也日趨惡化。根據(jù)檢測資料，阜陽市潁西片區(qū)七里長溝、七漁河、西城河、東城河、南城河等河道水質(zhì)均為劣Ⅴ類，被列為黑臭水體。河道污染嚴重，一方面由于城區(qū)河道的雨污合流，導致大量污水未經(jīng)處理直排入河，另一方面由于地處平原河網(wǎng)區(qū)，河道水體流動性差，河道水源補充不足導致河道納污能力下降[1]。隨著雨污分流改造的同時，通過水系溝通，建設(shè)活水工程，加強水體流動，可以有效提高河道的納污能力[2，3]，增強河流生態(tài)修復功能，從而改善潁西片區(qū)河道水質(zhì)和人居水環(huán)境。

1.2 項目范圍

根據(jù)潁西片區(qū)所在區(qū)域及水系情況，本次潁西片區(qū)活水工程研究范圍北到泉河，東到潁河，南到蘆橋溝、躍進溝，西到七漁河和人民河，研究面積為201 km2，范圍如圖1所示。

根據(jù)潁西片區(qū)蓄水工程規(guī)劃，工程范圍內(nèi)劃分了兩個蓄水分區(qū)，其中潁西Ⅰ區(qū)面積為81 km2，正常蓄水位27.50 m；潁西Ⅱ區(qū)面積為120 km2，正常蓄水位27.00 m。

圖1 項目范圍圖

1.3 活水現(xiàn)狀及存在問題

阜陽市泉河、潁河穿城而過，阜陽閘樞紐位于阜陽市三里灣泉河入潁河口處，閘上設(shè)計正常蓄水位28.00～28.50 m，閘下最低蓄水位22.00 m，但由于上游農(nóng)田片區(qū)排澇問題，阜陽閘上蓄水位一直未達到正常蓄水位，近年來隨著上游片區(qū)河道治理，阜陽閘上正常蓄水位在逐漸抬高。阜陽閘上下游較明顯的水位差為潁西區(qū)提供較為有利的自流活水條件。

目前潁西區(qū)主要利用西城河涵、七漁河涵自泉河引水，經(jīng)內(nèi)部河道，排入阜陽閘下。但由于現(xiàn)狀引水補水點較少，補水水體主要沿流程較短的河道流出，部分河道形成死水區(qū)，水體流動性不足，活水效果較差。

2 生態(tài)需水量分析

目前，生態(tài)需水量計算還處于探索階段，其計算方法眾多，不同方法間計算成果差別較大[4,5]。根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/Z 712-2014)附錄A[6]，生態(tài)環(huán)境需水量計算通常有Tennant法、Qp法(又稱不同頻率最枯月平均值法)、水量平衡法、7Q10法(又稱最小流量法)等。本次河道生態(tài)水量的確定采用Tennant法、保證率分析法和水量平衡法[7]，并按照最基本的生態(tài)要求和生態(tài)效果非常好的兩種工況進行分析，選取每種工況下不同方法的大值作為本次河道生態(tài)需水量(表1)。

表1 河道生態(tài)用水量成果分析(單位：萬m3/d)

三種方法在兩種工況下的生態(tài)條件需水量的計算成果：為保證河道能夠維持最基本的生態(tài)需求，日生態(tài)需水量為26.94萬m3，其中潁西Ⅰ區(qū)10.27萬m3，潁西Ⅱ區(qū)16.67萬m3；為保證生態(tài)效果非常好時目標生態(tài)環(huán)境需水量要求，最大日補水量為100.46萬m3，其中潁西Ⅰ區(qū)44萬m3，潁西Ⅱ區(qū)56.46萬m3。

3 活水條件分析

3.1 外水水源條件分析

根據(jù)區(qū)域水系分析，潁西片區(qū)活水工程的外水水源為泉河水。根據(jù)阜陽閘水文站(1959～2017年)歷年日平均水位資料分析，阜陽閘上歷年日平均水位在27.50m以上天數(shù)占總天數(shù)的百分比為55%，其中汛期日平均水位在27.50m以上所占百分比為55%，非汛期日平均水位在27.50m以上所占百分比為54%。

但資料顯示，2011年以來，阜陽閘上蓄水位明顯抬高，蓄水位27.50m以上天數(shù)年均在300 d以上，其中2013年、2015年全年都在27.50m以上。根據(jù)阜陽閘上蓄水容量曲線，阜陽閘上蓄水位在27.50～28.00m間蓄水容積約為1 400萬m3。在上游無來水情況下，可保障潁西區(qū)在基本生態(tài)環(huán)境需求下補水約50 d，在目標生態(tài)環(huán)境需求下補水約14 d。

3.2 引排水工程條件分析

(1)引水涵閘條件分析。根據(jù)調(diào)查，潁西片區(qū)可利用的現(xiàn)有引水涵閘4座，分別為永豐河閘、七漁河引水閘、西城河引水閘、東城河引水閘，根據(jù)現(xiàn)狀涵閘規(guī)模計算不同內(nèi)外水位條件下過流能力，當外河水位高于27.80m時，同時打開各引水閘是能夠滿足不同活水方案的引水規(guī)模要求。

(2)排水涵閘條件分析。潁西片區(qū)現(xiàn)狀主要出口涵閘主要有6座，包括七里長溝出口閘、華橋溝出口閘、蘆橋溝出口閘、東清河出口閘、中清河出口閘和七漁河出口閘。根據(jù)各排水閘現(xiàn)狀涵閘規(guī)模計算不同內(nèi)外水位條件下過流能力，現(xiàn)狀出口閘的總規(guī)模能夠滿足活水方案的排水要求。

4 活水工程方案

工程區(qū)除引水、排水涵閘外，還有15座水位、流量控制閘，由于涉及河道及閘壩工程較多，調(diào)度復雜，本次活水工程方案論證采用MIKE11模型進行分析[8]。

4.1 MIKE11模型簡介

MIKE11水動力計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。

式中：x、t分別為計算點空間和時間的坐標，A為過水斷面面積，Q為過流流量，h為水位，q為旁側(cè)入流流量，C為謝才系數(shù)，R為水力半徑，α為動量校正系數(shù)，g為重力加速度。

方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式求解。該格式在每一個網(wǎng)格點不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

4.2 模型參數(shù)的選取

MIKE11模型參數(shù)文件主要是定義模擬的初始條件和河床糙率。初始條件設(shè)定的一個很重要目的是讓模型平穩(wěn)啟動，所以原則上初始水位和流量的設(shè)定應(yīng)盡可能與模擬開始時刻的河網(wǎng)水動力條件一致，本次設(shè)置初始水位同各分區(qū)正常蓄水位。

河床糙率根據(jù)地質(zhì)資料及護坡材料，查糙率表選定。根據(jù)河道不同斷面及護坡型式，本次各河道糙率選擇范圍為0.017～0.028。

4.3 模型邊界條件

入流邊界：由于本次為活水工程，主要考慮通過泉河水引水，因此本次入流邊界為設(shè)置固定流量。

出流邊界：本次出流邊界為對外水系，且為非汛期的自由出流，因此出流邊界均為按照蓄水水位控制要求的自流溢流。

4.4 河網(wǎng)模型概化

MIKE模型的建立關(guān)鍵是河網(wǎng)模型的搭建，河網(wǎng)模型搭建合理則模型穩(wěn)定性好，運算速度快。本次MIKE模型河網(wǎng)搭建過程中，充分考慮模型的穩(wěn)定性及運算速度，適當對河道水系進行概化，在不影響總體活水方案的前提下，有效改善模型運行條件，概化后河網(wǎng)模型及各閘壩位置如圖2所示。

圖2 活水閘壩位置圖

4.5 活水工程方案

由于區(qū)內(nèi)涉及河道、閘壩較多，不同閘壩之間的調(diào)度組合方案多達上千種，本次活水工程提出優(yōu)化條件下的活水方案，該方案主要利用已建成的閘壩，通過不同閘壩的控制調(diào)度，實現(xiàn)河道活水的有效控制。通過分區(qū)、各閘壩分功能組合后，將論證方案主要劃分為11大類，51個方案依次進行分析，經(jīng)過對河道在不同方案中的活水效果分析，確定河道活水的最佳調(diào)度方案，并通過調(diào)度方案的有效歸集，形成可靠易行的調(diào)度方案。

本次活水工程分析河道33條，由于同一河道在不同河段受與其他河道交叉后形成的分流與匯流影響，同一河道又可分為多個河段，此次共分析河段102段。對所有河段分別在不同活水調(diào)度方案中的活水流量進行分析，由此確定在引水流量一定的前提下，各河段的最大活水流量。

根據(jù)MIKE11模型模擬結(jié)果(圖3)，除斷頭河外，其他河段均能進行不同程度的活水，因此該優(yōu)化條件下的河道活水方案基本是滿足活水要求的，對于不能活水的斷頭河新建斷頭河水體自循環(huán)活水系統(tǒng)來改善該河段的活水效果。

圖3 河道活水流量大小示意圖

5 結(jié)論及建議

潁西片區(qū)水系活水工程通過利用阜陽閘上、閘下的水位差，形成較好的自流活水條件，利用現(xiàn)狀已建涵閘、配套河道連通工程并結(jié)合片區(qū)水系內(nèi)部的控制閘調(diào)度，實現(xiàn)不同河段的科學合理調(diào)度，有效改善河段活水效果，基本能滿足潁西片區(qū)水系的活水要求。由于本次活水工程分析中涉及的活水工程調(diào)度方案較多，且在一種調(diào)度方案中有效活水河段是比較固定的，因此為確保潁西片區(qū)各條河道的活水效果，建議按照調(diào)度不同規(guī)則，進行定期調(diào)整。