基于流域概化模型的感潮河口水閘設(shè)計

黃森軍，魏 俊，俞演名，王禮兵，徐建強

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

水環(huán)境污染問題嚴(yán)重影響經(jīng)濟發(fā)展和居民生活水平［1，2］，已受到社會各界廣泛重視。有關(guān)水環(huán)境治理的理論技術(shù)日趨成熟，尤其是“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、清水補給、生態(tài)恢復(fù)”的黑臭水體治理技術(shù)應(yīng)用效果明顯［3，4］。現(xiàn)有的水環(huán)境治理措施均針對降雨徑流影響為主的河湖水體。然而，對于感潮河口區(qū)域，除了受降雨徑流影響外，還受潮流的作用。閘壩是控制感潮河口雙向作用力的有效措施，其主要功能是控制河口內(nèi)外水位差，達到防汛抗潮和抑制咸水入侵的目的，如荷蘭東斯海爾德?lián)醭遍l［5］、福建九龍水閘［6］、海河擋潮閘［7］等。然而，對于受污染的海域，漲潮流攜帶污水進入河口，影響河口水環(huán)境，如深圳茅洲河。目前，針對感潮河口的海向污水仍缺乏有效地控制、治理方法。

本文通過建立茅洲河口徑流-潮流概化模型，提出感潮河口水閘設(shè)計方案，實現(xiàn)高潮擋污、低潮結(jié)合流域內(nèi)湖庫水體治理改善水質(zhì)的目的，從而解決潮流攜污入河引起的水質(zhì)惡化問題，為感潮河口的水污染控制提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 茅洲河口

茅洲河發(fā)源于深圳市境內(nèi)的羊臺山北麓，流經(jīng)深圳、東莞兩市，最終匯入珠江口，總流域面積388.2km2，如圖1所示。流域內(nèi)河流與小河涌發(fā)育，河流寬度差異大，在60～800m，河流江心洲較發(fā)育，河流呈“S”形。河口區(qū)域地勢較平坦，屬河漫灘地貌，下游平原區(qū)比降約0.6‰，易受潮水頂托。根據(jù)勘探結(jié)果，床質(zhì)主要為第四系人工堆積素填土層、第四系海陸交互相沉積淤泥層、第四系河流沖積粉質(zhì)黏土及第四系殘積砂質(zhì)黏性土層，下伏燕山三期花崗巖，總體穩(wěn)定性較好。

茅洲河口屬感潮河口，干流感潮河道13km，口外海域潮汐屬不規(guī)則半日潮，歷年平均潮差為2.32m，最大潮差為3.27m。

圖1 茅洲河流域Figure 1 Maozhou river basin

1.2 河口水污染機理

茅洲河口為“凹”形海灣，口外潮流行進至該處時潮差減小，一般為1～2m。在潮流和徑流相互作用下，該區(qū)域水動力較弱且易形成循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致排海污水、其他外源污染物匯集成污水團，離河口約1.5km，如圖2所示。漲潮時，污水團隨涌潮進入內(nèi)河，并沿河上溯，影響內(nèi)河水環(huán)境。

圖2 茅洲河口污水團位置Figure 2 Location of Maozhou estuary sewage body

2 閘壩設(shè)計要點

河口閘壩工程規(guī)模擬訂主要受到閘門寬度、閘底板高程、泵站規(guī)模等因素的影響，而由于流域特性復(fù)雜多變，這些參數(shù)往往難以根據(jù)規(guī)范選取。本文基于MIKE11建立流域概化水利模型，進行閘門寬度、閘底板高程、泵站規(guī)模等參數(shù)的多方案比選，確定最優(yōu)方案。

2.1 閘壩設(shè)計要點

（1）控制方程。

水利模型通過概化流域干流水系（見圖3），采用MIKE11非恒定流計算模塊和SO（控制構(gòu)筑物模塊）對閘堰、橋梁進行模擬，按實際的位置和形式設(shè)置含有建筑物的斷面，實現(xiàn)建筑物過流能力與水動力矩陣方程耦合。

圖3 茅洲河干流水系概化圖Figure 3 General drawing of Maozhou river main stream system

一維非恒定流數(shù)學(xué)模型采用圣維南明渠非恒定流偏微分方程組：

式中B——水面寬，m；

Z——水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁側(cè)入流，m3/s；

v——斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，一般取9.8N/kg；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

K——過水?dāng)嗝娴牧髁磕?shù)；

s——位置，m；

t——時間，s。

本文在非恒定流水位計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)試算法得出下游橋涵壅高值，再通過水面線法向上游推算。該法系用上下游有效斷面流速水頭差，計算最大壅水高。

式中?h3——最大壅水值，m；

V′3——除橋墩后過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲琕′3=V3B′/ε∑b，m/s；

V1——橋墩上游最大壅水處的斷面平均流速，V1V3h1/h3+?h3，m/s；

B′——無橋墩時的截面的寬度，m；

b——兩橋墩間凈寬，m；

h1——橋墩上游最大壅水處水深，m；

h3——橋墩下游正常水深，m；

V3——橋墩下游為正常水深時的斷面平均流速，m/s；

a——動能修正系數(shù)；

ε——過水?dāng)嗝媸湛s系數(shù)。

（2）邊界條件。

模型上游邊界采用洋涌水閘各設(shè)計頻率24h的洪水過程線；下游邊界采用茅洲河口（舢板洲站）各設(shè)計頻率24h的潮水過程線。洪潮遭遇組合采用多年平均年最大24 h設(shè)計暴雨產(chǎn)生的洪水與設(shè)計年最高潮水位，這是因為該組合已能包含歷年出現(xiàn)過的年最高潮位與洪水的遭遇情況。

（3）模型率定。

由于缺乏洪痕調(diào)查資料，本文結(jié)合茅洲河界河的已有成果進行模型參數(shù)率定［8，9］，如圖4所示。從圖中可以看出，模型計算結(jié)果與已有成果基本一致，水位差基本在±5cm以內(nèi)。因此，模型計算結(jié)果可信。

圖4 模型計算結(jié)果與已有成果比較Figure 4 Comparisons between the calculated results of the model and the existing results

2.2 閘壩設(shè)計要點

（1）閘門寬度。

建閘后的泄流能力不應(yīng)明顯小于建閘前的天然河道過流能力，建閘后也不應(yīng)造成上游的顯著壅水。考慮現(xiàn)狀河寬（260～270m），進行100、115、130、144m和160m五個方案的閘底凈寬比選。各方案下的控制斷面水面線如圖5所示。當(dāng)閘門寬度分別為100、115m和130m時，上游壅水分別為2～25cm、1～15cm和1～5cm；當(dāng)閘門寬度為144m時，上游壅水為1～2cm；將閘門寬度進一步擴大至160m時，上游壅水僅比閘門寬度為144m時減小1cm，而投資則大幅增加。因此，閘門寬度選為144m較為合理。

圖5 不同閘門寬度下干流水位Figure 5 Main stream water level under different gate widths

（2）閘門底板高程。

閘門底板高程對閘門泄流能力有較為密切的影響。根據(jù)現(xiàn)狀-3.0～-1.0m的河底高程和通航水深要求，進行-3.0、-2.5、-1.5m和-0.5m四個閘門底板高程比選。各方案下的控制斷面水面線如圖6所示。當(dāng)閘門底板高程分別為-0.5m和-1.5m時，建閘后會對上游產(chǎn)生4～69cm和1～13cm的壅水；當(dāng)閘門底板高程為-2.5m時，壅水高度為1～2cm；當(dāng)閘門底板高程為-3.0m時，壅水高度為0～1cm，閘門上游幾乎不產(chǎn)生壅水，但疏浚量較大。綜上分析，閘底板高程選取-2.5m較為合理，既保證泄洪能力，又滿足通航水深。

圖6 不同閘門底板高程下干流水位Figure 6 Main stream water level under different gate floor elevation

（3）泵站設(shè)置。

泵站的主要功能是在洪潮相遇時將閘內(nèi)澇水排出。這是因為當(dāng)閘外潮位大于洪水位時，閘門關(guān)閉擋潮，閘內(nèi)澇水難以排出。本文進行無泵站和100m3/s泵站兩個方案比選，分析各方案中20年一遇洪水、2年一遇潮水作用下的排澇效果，如圖7所示。根據(jù)上文分析，此處閘門寬度為144m，閘門底板高程為-2.5m。在100m3/s的泵站影響下，閘內(nèi)2km范圍內(nèi)水位可下降6～47cm，排澇效果較好。然而，對于干流水系而言，泵站排澇對上游的影響有限。因此，在20年一遇洪水、2年一遇潮水作用下，可不設(shè)泵站。

（4）閘門類型及閘孔數(shù)。

常用的閘門類型有平板提升閘門、升臥式閘門和下臥式閘門。由于河口區(qū)海水鹽度高、泥沙含量大，閘門易受海水腐蝕，選用平板提升閘門，具有維護簡便，沖淤快速等優(yōu)勢。通過混凝土量、鋼筋、閘門總重、設(shè)備總重和總投資各方面的比選（見圖8），發(fā)現(xiàn)設(shè)置12孔時，鋼筋用量、閘門總重、設(shè)備總重和總投資為三方案中最小。因此，閘孔數(shù)選為12較合理。

圖7 有泵站和無泵站下干流水位Figure 7 Water level of lower main stream with and without pumping stations

圖8 閘孔數(shù)綜合比選Figure 8 Comprehensive comparison and selection of the number of gate holes

另外，閘室、上/下游效能防沖段、水力設(shè)計、穩(wěn)定性分析等參數(shù)可根據(jù)相應(yīng)規(guī)范選取。

3 水閘功能

水閘主要實現(xiàn)兩方面的功能：一是保證河道的通航功能，二是實現(xiàn)水閘高潮擋污功能，并通過建立“兩湖一閘”聯(lián)動系統(tǒng)，利用湖庫補水改善茅洲河水質(zhì)。

（1）保證通航。

水閘設(shè)計滿足茅洲河Ⅳ級航道，過閘船舶噸級500t的要求，運行頻率為日均過閘次數(shù)30次，即上行、下行兩個方向各15次。

（2）控制水位。

平時閘外潮位較低，通過水閘控制，保持1.50m常水位，維持濱岸景觀；當(dāng)預(yù)報5年一遇以上暴雨時，提前2天預(yù)泄至0.50m，滿足排澇需求；當(dāng)遭遇大潮時，關(guān)閉閘門擋潮擋污；當(dāng)遭遇大洪水和大潮同時出現(xiàn)時，若潮水位高于洪水位，關(guān)閉閘門，若潮水位低于洪水位時，開啟閘門泄洪。通過上述調(diào)度，水閘能夠阻擋高潮時污水團進入河口。

（3）改善水質(zhì)。

小潮期間，若茅洲河水質(zhì)較差（氨氮濃度較高），可通過上游光明湖和寶安湖補水，從而達到提高水環(huán)境容量，改善水質(zhì)的目的。下游通過閘壩調(diào)度控制下泄流量，仍維持1.50m的常水位。

4 結(jié)論

本文分析了感潮河口區(qū)海向污水污染機理，研究了基于水閘建設(shè)的水污染控制技術(shù)，通過建立茅洲河流域概化模型，確定閘壩設(shè)計參數(shù)，主要結(jié)論如下：

（1）感潮河口區(qū)由于受徑流和潮流的雙向作用，水動力減弱且形成循環(huán)水動力條件，導(dǎo)致海向和徑流污水在此匯聚，形成污水團，并隨著漲潮流上溯入河污染水質(zhì)。

（2）基于流域概化模型，閘門寬度、閘門底高程、泵站設(shè)置等參數(shù)設(shè)計應(yīng)遵循“建閘后的過流能力不應(yīng)明顯小于建閘前的天然河道過流能力”原則，以閘內(nèi)壅水作為方案比選標(biāo)準(zhǔn)。

（3）閘門類型和閘孔數(shù)設(shè)計應(yīng)綜合考慮混凝土量、金屬結(jié)構(gòu)總重、總投資等因素后，確定最優(yōu)方案。

（4）河口水閘保證通航的同時，實現(xiàn)高潮時擋污，低潮時控制水位，改善水質(zhì)的目的。