龍灣區(qū)北山河片區(qū)活水暢流方案對比分析

李 慧

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

龍灣區(qū)北山河片區(qū)河道由于部分工業(yè)及生活污水排入河道致使片區(qū)黑臭河現(xiàn)象嚴重，現(xiàn)狀河道淤積嚴重，水體流動不暢，河道自凈能力有限，水環(huán)境治理問題日益突出。截污納管控制污染源進入河道是解決問題的根本措施，但是工程實施存在一定困難。調(diào)水引流是改善平原河網(wǎng)水污染問題最為快捷和經(jīng)濟可行的技術(shù)方法[1～3]。通過引調(diào)水，調(diào)入水質(zhì)較好的水源進入片區(qū)河網(wǎng)，既可以改善水質(zhì)，降低污染物的濃度，又能有效增加河道的水環(huán)境容量和水體自凈能力；同時也可以調(diào)活水體，增大流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一[4～5]。因此為了切實改善河道水體情況，采用小片區(qū)封閉換水方式改善水體。

2 水利計算模型

2.1 模型概化范圍

工程實施位置在龍灣東片北山河附近，屬永強塘河水系，平原河網(wǎng)之間相互連通，永強塘河水系與溫瑞塘河水系相連，因此此次概化范圍應(yīng)包括整個溫瑞平原，涉及溫瑞塘河水系、永強塘河水系，該水系位于甌江以南，飛云江以北，總集水面積約828.1 km2。其中，溫瑞塘河水系溫州中心片、西片353.1 km2，溫瑞塘河水系瑞安片258 km2，永強塘河水系217 km2。

2.2 計算方法

計算區(qū)域河網(wǎng)縱橫，水流互相連通，水力要素隨時隨地都在變化，屬典型的非恒定流，水利計算方法采用一維圣維南方程組進行數(shù)值解。采用的丹麥河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型MIKE11。

2.3 河道概化

根據(jù)區(qū)域地形及流域特性本次模型計算主要包括三片區(qū)域：（1）中心片、西片；（2）瑞安北片；（3）溫州東片。計算共布置1305個計算斷面，261個河汊、186個概湖，33個集中入流。水利模型概化圖見圖1。

圖1 溫瑞、永強水系水利計算模型圖

2.4 邊界條件及參數(shù)選擇

①初始條件：初始時刻溫瑞塘河水系平原河網(wǎng)各斷面取常水位2.62 m，流量為0，永強塘河水系河網(wǎng)各斷面取常水位2.50 m，流量為 0。

②外邊界條件：上邊界為各片山區(qū)集中入流；下邊界為下游各大水閘及外海的潮位過程線，各個概湖為各個時段凈雨過程線。

③邊界條件：主要為水閘，按過流公式計算。

④計算參數(shù)：時間步長ΔS取30 s，河道糙率取0.025～0.035，閘堰參數(shù)根據(jù)具體工程情況取值。

2.5 模型驗證

由于流域水系的形狀、河道比降、河床形態(tài)、斷面形式、河道上的各種建筑物等，都會對非恒定流水利計算產(chǎn)生影響，為在水利計算中較好地反映計算流域的特性，使計算成果與實際情況有良好的符合程度，有必要對計算參數(shù)加以率定，使選擇的計算參數(shù)符合流域特性。

通過對流域?qū)嶋H發(fā)生的洪水進行比選，選出一場實際發(fā)生的洪水作為參證洪水，直接由相應(yīng)于參證洪水的實際降雨推求出各計算邊界及集中入流點的流量過程；假定計算參數(shù)初值，計算出流域各特征斷面的計算洪水位，然后與參證洪水的實測值進行比較，得出計算參數(shù)的調(diào)整值，調(diào)整計算參數(shù)后再重新計算，直至計算值與實測值之間的誤差在計算精度要求范圍之內(nèi)。

根據(jù)多年洪澇資料，選擇流域?qū)嶋H發(fā)生較大洪水、洪水發(fā)生時間較近、降雨情況較為典型、實測資料較完整的作為參證洪水。根據(jù)近年來資料，溫瑞塘河水系近期發(fā)生較大洪水的主要有2場洪水，分別為2007年韋帕臺風(fēng)，與2009年莫拉克臺風(fēng)，考慮到本次現(xiàn)狀水利模型結(jié)合最新河道格局及實測斷面搭建而成，而現(xiàn)狀較2007年水利情況發(fā)生了較大改變，因此本次選擇2009年莫拉克臺風(fēng)進行驗證。

為檢驗本次水利計算模型和率定參數(shù)的合理性及適用性，選用洪澇發(fā)生時間較近，降雨情況較為典型的2009年8月7日～8月11日的莫拉克臺風(fēng)進行驗證計算。各代表點調(diào)查最高洪水位與計算最高洪水位成果見表1。

表1 洪水驗證計算成果表

從表1中可以看出，莫拉克洪水計算水位與實際調(diào)查水位相差幅度在5 cm以內(nèi)，計算值與實測值吻合較好，說明本次水利計算模型及率定參數(shù)較為合理，可用于現(xiàn)狀及規(guī)劃設(shè)計方案的水利計算分析。

3 活水暢流方案設(shè)計

3.1 片區(qū)整體換水方案A：單向換水方案

方案A主要工程措施如下：

1）對片區(qū)河道進行清淤打卡。

2）改建現(xiàn)有大浦過船閘，改建后為大浦涵閘，規(guī)模為1 m×5 m。工程主要功能為換水時通過大浦涵閘將瑤溪街道南片工業(yè)集中區(qū)小河道河水排出。

3）在北山河及黃石山后河交匯口設(shè)置節(jié)制閘，節(jié)制閘規(guī)模為2 m×2.5 m，工程主要功能為通過本節(jié)制閘為片區(qū)補充清水。

4）對現(xiàn)有龍東節(jié)制閘改造，更換閘門。利用改造后龍東節(jié)制閘及現(xiàn)有三十畝河節(jié)制閘，使得片區(qū)水域封閉隔離，便于片區(qū)換水。

5）工程總投資約為1730萬元。

具體調(diào)度方式為：常水位時，各沿江水閘處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉龍東節(jié)制閘、北山河節(jié)制閘和三十畝河節(jié)制閘，開啟大浦涵閘，將該沿江封閉片區(qū)水位預(yù)泄至2.2 m，該封閉區(qū)域從常水位2.5 m～2.2 m的預(yù)泄水量為w，預(yù)泄時間為t；當(dāng)該封閉區(qū)域河道水位泄至2.2 m以后，開啟龍東節(jié)制閘、北山河節(jié)制閘和三十畝河節(jié)制閘，對該片區(qū)補充清水，當(dāng)通過大浦涵閘泄水量與該片區(qū)2.2 m水位以下的總蓄水量W平衡時，關(guān)閉沿江所有水閘，開閘換水時間為T。

3.2 片區(qū)整體換水方案B：雙向換水方案

方案B主要工程措施如下：

1）對片區(qū)河道進行清淤打卡。

2）改建現(xiàn)有大浦過船閘，改建后為大浦涵閘，規(guī)模為1 m×5 m。工程主要功能為換水時通過大浦涵閘將瑤溪街道南片工業(yè)集中區(qū)小河道河水排出。

3）在龍灣河及北山河交匯口上游設(shè)置龍灣節(jié)制閘，規(guī)模為1 m×20 m。工程主要功能為通過設(shè)置龍灣節(jié)制閘，使得片區(qū)水域封閉，換水時能夠利用龍灣水閘排出片區(qū)流動不暢水體。

4）在北山河及黃石山后河交匯口設(shè)置節(jié)制閘泵，節(jié)制閘規(guī)模為1 m×5 m，泵站規(guī)模為0.5 m3/s。工程主要功能為通過本節(jié)制閘泵為片區(qū)補充清水。

5）工程總投資約為2580萬元。

具體調(diào)度方式為：常水位時，各沿江水閘處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉龍灣節(jié)制閘和北山河節(jié)制閘，開啟龍灣水閘和大浦涵閘，將該沿江封閉片區(qū)水位預(yù)泄至2.2 m，該封閉區(qū)域從常水位2.5 m～2.2 m的預(yù)泄水量為w，預(yù)泄時間為t；當(dāng)該封閉區(qū)域河道水位泄至2.2 m以后，開啟龍灣節(jié)制閘和北山河節(jié)制閘，對該片區(qū)補充清水，當(dāng)通過龍灣水閘與大浦涵閘等沿江水閘泄水量與該片區(qū)2.2 m水位以下的總蓄水量W平衡時，關(guān)閉沿江所有水閘，開閘換水時間為T。

圖2 片區(qū)整體換水方案A工程布局圖

圖3 片區(qū)整體換水方案B工程布局圖

3.3 活水效果分析

通過前述河網(wǎng)模型加入活水方案工程措施進行模型計算，根據(jù)模型計算結(jié)果，對比工程現(xiàn)狀及兩種活水方案活水范圍內(nèi)水流速度、換水時間、水量等來反映兩種方案的活水效果。

表2 區(qū)域代表點流速統(tǒng)計表

表3 泄（換）水時間和水量統(tǒng)計表

3.4 活水方案選取

從換水量及換水時間看，方案B控制的水域面積更大，內(nèi)河水體排出可通過龍灣水閘和大浦涵閘，換水時間短，方案具有優(yōu)勢性，但是方案B的工程投資相對比較大。相反方案A利用大浦涵閘作為唯一排出內(nèi)河水體通道，換水時間稍長。

從流速計算結(jié)果看，兩種方案垟兒河、四十畝直河和大浦河換水時的流動性較現(xiàn)狀不增加水利設(shè)施有明顯的提高，但是對于對部分不連通的河道，如后半頭河和破腳裂河等，流速增加不明顯，同時對于北山河由于河道較長，方案B由于通過兩處排水，對于靠近排水閘附近的河道處（如龍東村）流速有所提高，但是對于方案A由于只有大浦水閘一處排水，龍東村附近流速基本沒有改善。

從工程投資來看，方案A利用現(xiàn)有簡易節(jié)制閘進行改造，充分利用現(xiàn)有工程資源，工程投資較省，且利用現(xiàn)有節(jié)制閘進行建議改造，縮短工期。

4 結(jié)語

1）通過引水調(diào)水能夠達到對北山河片區(qū)活水暢流的目的和效果，通過工程措施能夠提高區(qū)域水體流速，改善區(qū)域水質(zhì)，提高水體自凈能力。

2）利用現(xiàn)有節(jié)制閘改造，減少大規(guī)模工程建設(shè)投資，在經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)上完成區(qū)域活水暢流的效果。

3）片區(qū)內(nèi)工業(yè)廠房較多，部分仍存在污水直排入河，活水方案雖然對片區(qū)水動力和水環(huán)境有一定改善效果，但維持時間短，且無法從源頭控制，后期仍需要進一步加強截污納管從源頭控制污染源，同時配合河道清淤、水系拓寬連通等手段從根本上解決區(qū)域水環(huán)境問題。