基于水動(dòng)力模型的大洲圍河網(wǎng)水體交換過程研究

梁錦釗

（東莞市萬江水務(wù)工程運(yùn)營中心,廣東 東莞 523050）

平原河網(wǎng)水流流速緩,流量偏小,致使大量沉積物淤積在河床,降低水流動(dòng)力,同時(shí)底泥中氮、磷和重金屬等污染物含量較高,嚴(yán)重威脅著水環(huán)境[1]。“引淡沖污”作為改善平原河網(wǎng)水污染的重要手段,是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法[2]。大洲圍內(nèi)河涌由于河床淺,河網(wǎng)流向復(fù)雜,難以流動(dòng)交換,淤泥沉積深,特別是在關(guān)閘期間和秋冬季節(jié),水環(huán)境容量變小,內(nèi)河涌容易發(fā)黑、發(fā)臭。為了提高排澇能力,改善萬江區(qū)水環(huán)境,同時(shí)充分發(fā)揮水利工程的整體作用,提高水利管理的現(xiàn)代化水平,研究大洲圍內(nèi)河涌水動(dòng)力特性是十分必要的。

1 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究

1.1 控制方程

河網(wǎng)水動(dòng)力模型采用描述一維非恒定流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組,其控制方程為：

式中：x、t 分別為距離和時(shí)間的坐標(biāo)；A 為過水?dāng)嗝婷娣e；Q 為流量；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； 為動(dòng)量校正系數(shù)；g 為重力加速度。

河網(wǎng)水質(zhì)模型的控制方程為物質(zhì)輸運(yùn)方程：

式中：C 為物質(zhì)濃度,mg/L；D 為縱向擴(kuò)散系數(shù),m2/s；C2為源/匯濃度,mg/L；K 為線性衰減系數(shù),1/d。

模型利用Abbott 六點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組,該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量,而是按順序交替計(jì)算水位或流量,分別稱為h 點(diǎn)和Q 點(diǎn)。該格式無條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant 數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定,節(jié)省計(jì)算時(shí)間。該模型還可根據(jù)不同地區(qū)的水流條件調(diào)整差分計(jì)算模式,以描述超臨界水流條件及亞臨界水流。水閘等水工構(gòu)筑物處,根據(jù)其水力學(xué)特征作特殊處理。

1.2 水體交換指標(biāo)

為建立水體交換指標(biāo),引入換水率的概念。設(shè)內(nèi)河涌水體初始濃度場為C（r,l,t0）,瞬時(shí)濃度場為C（r,l,t）,則內(nèi)河涌不同里程的斷面在t 時(shí)刻被外江水體置換的比率R（r,l,t）,即換水率為：

式中：r 為內(nèi)河涌；l 為內(nèi)河涌特定位置里程標(biāo)示；t0為初始時(shí)刻。

由于內(nèi)河涌,則：

為豐富和完善水體交換評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,進(jìn)一步引入換水周期的概念。定義河網(wǎng)特定位置濃度降為初始值一半（即50%）時(shí)的交換時(shí)間為半換水周期；定義河網(wǎng)特定位置濃度降為初始值25%時(shí)的交換時(shí)間為75%換水周期。

從上述定義可以看出,水體交換模型是在一維河網(wǎng)水流、水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,模擬水流運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)輸運(yùn)的物理過程,可用以研究和分析河網(wǎng)任意計(jì)算斷面、任意時(shí)刻的水體交換情況,據(jù)此可對(duì)引水補(bǔ)水方案做出評(píng)判和優(yōu)化。

1.3 模型范圍

模型考慮納潮運(yùn)行時(shí)內(nèi)河涌污水在內(nèi)河涌與外江反復(fù)交換的影響,因此,數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍包括大洲圍內(nèi)主要的11條河涌,分別為北中心涌、南中心涌、橫一涌、橫二涌、橫三涌、橫四涌、橫五涌、石美涌一、石美涌二、老虎滘涌、油九涌。模型中內(nèi)河涌上共布置了148個(gè)計(jì)算斷面,斷面間距約100 m。

1.4 生態(tài)補(bǔ)水思路及水流流向

大洲圍生態(tài)補(bǔ)水思路為漲潮期由黃粘洲水閘、石美水閘開閘引水,落潮期由高基水閘、蓬廟水閘、油久水閘、老虎滘閘站排水。因此大洲圍各水閘水環(huán)境調(diào)度規(guī)則為：（1）當(dāng)外江水位高于內(nèi)河涌水位時(shí),黃粘洲水閘、石美水閘開閘引水；（2）當(dāng)外江水位低于內(nèi)河涌水位時(shí),開閘排水。

2 水體交換能力分析

2.1 現(xiàn)狀水體交換能力

為摸清大洲圍內(nèi)河涌現(xiàn)狀水體交換能力,對(duì)內(nèi)河涌預(yù)排水位為1.24 m 的水體交換情況進(jìn)行模擬和分析,外江潮汐過程考慮中潮過程。計(jì)算工況見表1。

表1 現(xiàn)狀水體交換計(jì)算工況

計(jì)算得出現(xiàn)狀條件下大洲圍內(nèi)河涌預(yù)排水位為1.24 m,外江遭遇中潮過程時(shí),經(jīng)過一天換水后內(nèi)河涌的換水率分布見圖1?？梢?現(xiàn)狀條件下,內(nèi)河涌初始水位為1.24 m 時(shí),中潮期調(diào)水一天后,北中心涌、南中心涌、橫二涌、橫四涌及老虎滘涌換水效果較好,平均換水率在80%以上。橫一涌、橫三涌、橫五涌、油九涌的換水率一般,換水率在49%～76%之間。

圖1 現(xiàn)狀條件下調(diào)水1 天后內(nèi)河涌換水率分布

2.2 清淤清障后水體交換能力

初步分析,制約大洲圍現(xiàn)狀內(nèi)河涌水體交換的因素主要為河道淤積。為此,考慮對(duì)內(nèi)河涌進(jìn)行整治,采取工程措施對(duì)內(nèi)河涌進(jìn)行清淤、清障,以提高內(nèi)河涌的水流動(dòng)力條件,加快內(nèi)河涌的水體交換,達(dá)到改善水環(huán)境的目的。計(jì)算清淤清障后經(jīng)過一天換水后內(nèi)河涌的換水率分布見圖2。

圖2 清淤清障后調(diào)水1 天后內(nèi)河涌換水率

計(jì)算結(jié)果顯示,清淤、清障工程實(shí)施后,大洲圍內(nèi)河涌的水體交換能力得到明顯改善,除了橫一涌、橫五涌、油九涌及北中心涌段水體交換效果稍差外,其余各河涌水體交換效果良好,經(jīng)過換水一天后,水體交換率在80%以上。

2.3 拓寬河道后水體交換能力

在清淤、清障基礎(chǔ)上,對(duì)水動(dòng)力條件較差的橫一涌局部拓寬,按矩形斷面考慮,據(jù)計(jì)算分析,橫一涌最小控制河寬4.0 m,本次計(jì)算按將河寬不足4.0 m 河段拓寬至4.0 m,其余河涌按現(xiàn)狀河寬考慮。拓寬河道后,經(jīng)過一天換水后內(nèi)河涌的換水率分布見圖3。橫一涌擴(kuò)寬后,橫一涌的水體交換能力得到增強(qiáng),經(jīng)過一天換水后,橫涌橫一涌的水體交換率達(dá)到80%以上。

圖3 拓寬河道后調(diào)水1 天后內(nèi)河涌換水率

圖4～圖5 為外江遭遇大潮、小潮時(shí),大洲圍實(shí)施清淤、清障及橫一涌局部拓寬,經(jīng)過一天換水后內(nèi)河涌的換水率分布圖。比較圖4、圖5 可見,大洲圍實(shí)施清淤、清障及橫一涌局部擴(kuò)寬后,內(nèi)河涌總體換水效果與外江潮汐密切相關(guān),遭遇大潮時(shí)換水效果最好,中潮期次之,小潮期最差。

圖4 拓寬河道調(diào)水1 天內(nèi)河涌換水率（大潮）

圖5 拓寬河道調(diào)水1 天內(nèi)河涌換水率（小潮）

2.4 內(nèi)河涌換水率統(tǒng)計(jì)

大洲圍實(shí)施清淤、清障及橫一涌局部擴(kuò)寬后,內(nèi)河涌預(yù)排水位分別為1.24 m 和0.94 m 條件下,外江遭遇大、中、小潮時(shí),經(jīng)過1 天換水后內(nèi)河涌的平均換水率統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 不同預(yù)排水位下?lián)Q水率計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表

分析表2 可以得出不同的內(nèi)河涌初始水位,不同的外江潮汐條件下,經(jīng)過1 天調(diào)水換水后的內(nèi)河涌換水率規(guī)律。外江潮汐相同條件下,內(nèi)河涌初始水位越低,換水率越高；內(nèi)河涌初始水位相同條件下,大潮期的內(nèi)河涌換水率最高,小潮期的內(nèi)河涌換水率最低,中潮期的內(nèi)河涌換水率介于大潮期和小潮期之間；相同的內(nèi)河涌初始水位和外江潮型條件下,南中心涌、北中心涌、石美涌一、石美涌二、橫一涌、橫二涌、橫三涌、橫四涌的換水率相對(duì)較高,橫五涌、油九涌、老虎滘涌的換水率相對(duì)較低。

3 結(jié)論

本文基于一維水動(dòng)力成功構(gòu)建了大洲圍感潮河網(wǎng)水流交換模型,針對(duì)其現(xiàn)狀和采取清淤、拓寬河道和清障等措施研究了不同條件下的水體交換效果,得出以下結(jié)論：

（1）大洲圍內(nèi)河涌現(xiàn)狀條件下水動(dòng)力條件較差,主要表現(xiàn)在北中心涌段、南中心涌、橫一涌、橫三涌、橫四涌、橫五涌、老虎滘涌、油九涌等河段,為增強(qiáng)水體交換能力及水動(dòng)力條件,需對(duì)河涌進(jìn)行清淤整治。

（2）根據(jù)計(jì)算分析,當(dāng)河涌河底高程為0.3 m,水體交換速度有了較大改善；清淤河底高程為0.0 m,水體交換速度基本達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）橫一涌橋涵與橫四涌橋涵對(duì)水動(dòng)力條件及水體交換影響較大,改造、各河涌清淤及橫一涌生態(tài)修復(fù)后,河涌水動(dòng)力條件有所改善,但由于橫一涌河道部分?jǐn)嗝孑^小,仍存在水動(dòng)力條件較差的問題,經(jīng)分析計(jì)算當(dāng)河道拓寬至4.0 m（最小控制河寬）水動(dòng)力條件及水體交換速度得到了較大改善,可滿足近期整治需求。