淺析壩型對城市河道水流特征和溶解氧分布規律的影響

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建設是我國城市河道整治過程中的發展方向，城市河流規劃治理的好壞不僅制約著城市的經濟建設，也關系著社會和生態的協調發展，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、生態和景觀措施，如：截污納管、引清調水、清淤疏浚、綠色生態護岸、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別的，文章在前人研究理論和經驗的基礎上，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。

1 模型試驗概況

橡膠壩是最近幾年出現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律進行室內模型試驗研究，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，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，流速最大值區域出現在壩體的左后方，最小值區域則出現在壩體的右后方；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，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，能夠為兼顧生態的城市河道治理提供試驗數據和理論支撐，為不同環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律，提供更加符合實際情況的河道生態治理建設方式。

4 結論

文章采用室內模型試驗方法，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。