基于MIKE11的閘壩操控與河流水質水量響應關系模擬

楊 洵，李 偉，張 勤，王志坤，趙 博

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

1 研究背景

遼寧省本溪轄區內太子河觀音閣—參窩河段，起于觀音閣水庫壩下，止于參窩水庫入庫白石砬子斷面，長約80 km，平均坡降0.126%。為了保持城市景觀水位，河道上相繼修建了12座閘壩。

在河段中下游，聚集了大量的沿河排污口，入河排污量大，加上閘壩的存在，使得河道水流不暢，水體稀釋擴散作用降低，水體污染較為嚴重。參窩水庫長期受該污廢水影響，水庫水體功能降低，僅能作為農業灌溉用水，養殖功能幾乎喪失。為了改善河段的污染現狀，需要對該河段上的閘壩進行積極有效的調控。

2 研究方法及閘壩調度操控

研究采用丹麥DHI公司研發的MIKE11商業軟件水動力、水質模型作為模擬建模工具，其中水動力模型中的可控建筑物模塊（SO）是MIKE11水動力模型（HD）的特色[1]，提供了豐富的閘門操作設計，可以模擬多種水工建筑物，包括堰、箱涵、橋梁和自定義建筑物。其計算模式有迭代、表格、關閉、全開等9種。模型中可設置不同的調度方案及其優先級，選擇合適的控制點和目標點，細化調度目標和調度時機，模型自動計算閘門的開啟高度，極大地提高了對各類實際工程情況的模擬能力。模擬研究進行的背景是在現狀年（2008年）的水文水動力條件及排污情況下，以研究河段下游72 km處排污集中處的10號閘彩屯閘為研究對象。模擬實驗設計了如下5種基本閘門操控方式：恒定閘門開度、恒定過閘流量、脈沖流量、開閘和關閘，模擬研究河段閘壩上下游水位流量和指示性污染物氨氮（NH3-N）對閘壩五種調度操控方式的響應關系。

2.1 恒定閘門開度

人工頻繁啟閉閘門費時勞力，閘門在實際運行中可能在一段相對較長的時間內保持開度不變，因此設計了閘門開度恒定的操控方式實驗。為了獲得閘門不同開度對其上下游水位流量和污染物濃度的影響，設計兩種閘門開度，分別為0.1 m和0.25 m。在枯水期和豐水期分別進行了閘門不同開度工況的模擬實驗，得到了相近的結論。下面以豐水期的模擬實驗結果加以說明。

當上游來水量較小時，過流形式屬堰流，閘門兩種開度的過閘流量相同；當上游來水量加大，閘前水位高于閘門開度，呈閘孔出流，過閘流量隨水頭即上游水位而定[2]：閘門小開度工況，水流緩慢均勻通過，閘門大開度工況則呈現出集中水量的態勢。在閘門小開度模擬工況下，來水量得不到及時下泄，由于河槽蓄水量小，使得閘前水位迅速抬高。由模擬實驗結果可知，在過閘總水量相同的條件下，若水流過閘形式不同，上游也會呈現出迥異的水位狀態。閘門大、小開度兩種工況下水位相差不大，這是由閘下游寬淺的河槽斷面狀態所決定的。

不同閘門開度對閘上下游水質濃度的影響分析如下：

閘門小開度工況時，上游壅水，增大了可稀釋可用水量，但是同時水體同時也在接納新排放的污染物，因此閘前污染物濃度變化不大，水體流動緩慢，污染物在河道中主要靠水體自凈作用降解；在閘門大開度工況下，下游污染物濃度與來水量是相呼應對應的，來水量較大時，來水對閘下游污染物的沖釋作用大，水質狀況情況也隨之轉好。可以看出，大、小閘門開度兩種工況對閘前污染物濃度的影響不明顯。不同開度工況對閘下污染物濃度的影響在，則是在枯水期較為變化明顯，表明說明河道中污染物的稀釋擴散作用在小流量時，對河道水量的變化較為比較敏感。

2.2 恒定過閘流量

當下游河道對流量有控制要求時，需要控制閘門開度，使上游來水均勻下泄，即恒定過閘流量，實驗設計如圖1所示。

圖1 恒定過閘流量

控制閘門開度，以22 m3/s的流量均勻過流，多余的水量被閘壩攔蓄，閘前水位迅速上升，閘下水位恒定。在過閘流量大于河道原流量的時段能夠有效降低下游污染物濃度，雖然削去了流量峰值，閘下污染物濃度略有升高。這種操作使水量均勻通過，閘門上下游的污染物濃度都有所降低，但是使上游水位波動較大，并且使得閘門開度變化頻繁，不利于實際操作。

2.3 脈沖流量

圖2 過閘流量

在枯水期和豐水期分別進行了脈沖流量的模擬實驗，如圖2所示，以枯水期的實驗結果來說明。

下游閘門過閘流量呈現出脈沖的形式，閘下游污染物濃度和水位受脈沖流量影響而波動，但是對閘下游污染物濃度并沒有明顯的降低作用。分析其原因，是關閘斷流以及開閘集蓄的污水團下泄的不利影響大過了脈沖流量這種高流速的擴散作用。在這種閘壩調度操控方式下，閘門啟閉頻繁，不利操作。該實驗確定脈沖流量對河道水質改善并沒有效果，但是對水生態是否起作用還需要另行研究。

2.4 開閘

閘門從小開度過流到完全開閘泄流，過閘流量增大，累積的水量下泄，閘下污染物濃度隨之降低，在稀釋擴散的同時，上游污水團沖向下游，污染物濃度峰值隨時間向下游運移，造成對下游的污染。開閘時間愈長，水體得到稀釋和擴散作用的時間也就愈長，從而擴散的范圍也就愈大，混合的也就愈均勻，水體污染程度有所減輕。4 d后經過稀釋降解，峰值消失。

2.5 關閘

關閘后，閘門上游水位迅速上升，上游污染物濃度由于水量累計的稀釋作用而有所下降，但是下游斷流，河流的稀釋、擴散、棍合和凈化能力逐漸減弱，以至于完全喪失，與此同時仍有大量污廢水不斷排入下游河道，污染物只能依靠自身的微小的衰減作用降解，此時造成閘下嚴重污染。

3 結論

分析閘門上述5種調度操控方式的模擬實驗結果，得到以下結論：

1）閘門啟閉對其上游水位影響較大，對其下游污染物濃度影響較大。

2）嚴禁河道斷流現象發生，在維持景觀水位的同時保證小流量下泄。

3）應對閘門進行均勻開啟或關閉，小開度，多開孔。

4）脈沖流量對于污染物濃度降低作用不明顯。

5）關閘對閘前污染物濃度的影響與蓄水容量和排污強度有關。

6）污染物衰減過程對水流低流量更為敏感，在大流量時，流量的增大對污染物濃度降低的改善效果并不明顯。

[1]Danish Hydraulic Institute.MIKE11：A modeling systemfor rivers and channels reference manual[R].2004.

[2]吳持恭.水力學（上冊）[M].北京:高等教育出版社，2003，11.