基于一維河網(wǎng)模型廣昌水閘改擴建工程參數(shù)分析

莫達明

（珠海匯炬項目管理有限公司，廣東 珠海 519075）

1 工程概況

廣昌水閘改擴建工程位于珠海市香洲區(qū)南屏鎮(zhèn)廣昌涌河口處，原閘建成于2000 年，地處中珠聯(lián)圍中部，是中珠聯(lián)圍七個外江水閘之一。原工程工程等別為Ⅲ等，屬于中型工程，原主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級。

2 一維河網(wǎng)模型建立

2.1 基本原理

水利模型計算范圍為前山河干流、洪灣涌、沙心涌及廣昌涌。平原河網(wǎng)水利計算采用河網(wǎng)非恒定流方法。

根據(jù)蕭山區(qū)河道縱橫、水利設(shè)施形式多樣的特點，計算中考慮了山區(qū)河流、橋梁、閘泵等工程對洪流演進的影響，逐時計算河網(wǎng)的洪水過程。平原河道交錯縱橫，水流流向復(fù)雜，計算采用一維非恒定流方法，計算公式如下：

式中：B 為水面寬，Z 為水位，Q 為流量，q 為旁測流量，v 為斷面平均流速，g 為重力加速度，F(xiàn) 為過水斷面面積，K 為單位過水斷面面積流量模數(shù)。此數(shù)學模型考慮了堰、閘、阻水橋梁、區(qū)間水量交換，以及河網(wǎng)、田面等調(diào)蓄作用等因素。

中珠聯(lián)圍的排水主要依靠大涌口、石角咀、洪灣和廣昌四個水閘，故此次排洪復(fù)核采用以上四座水閘聯(lián)合排洪，進行調(diào)洪演算。此次河道水利計算模型采用MIKE11 水力學計算軟件，將整個計算范圍看為整體，在1/10 000 航測圖通過對各河涌進行涌容量算，相加后得到整個圍內(nèi)總的涌容曲線。根據(jù)水位庫容曲線進行河網(wǎng)概化。

2.2 水利計算邊界條件

①上邊界前山河流域內(nèi)河設(shè)計洪水過程。②下邊界為典型潮位過程。③洪潮組合情況潮洪組合情況：此次計算洪潮的遭遇時間為最高潮遭遇洪峰出現(xiàn)。④根據(jù)廣昌水閘防洪防潮標準，設(shè)計洪水標準為50年一遇，校核標準為100年一遇，防潮標準為100年一遇，此次計算工況組合：

組合1：上游50 年一遇洪水遭遇下游2 年一遇設(shè)計潮位過程。

組合2：上游2 年一遇洪水遭遇下游100 年一遇設(shè)計潮位過程。兩種洪潮組合取外包線，即為此次水面線成果。

2.3 一維水質(zhì)模型

2.3.1 計算范圍

此次前山河流域一維水質(zhì)計算數(shù)學模型范圍包括前山河流域（共計60條河涌）以及其外江的磨刀門水道河段。其中外邊界位于磨刀門水道及馬溜洲水道，上邊界為磨刀門水道竹銀附近，下邊界分別為磨刀門水道橫琴及馬溜洲水道末端。

2.3.2 地形數(shù)據(jù)

前山河流域各河涌地形將以此項目2016年12月測量的河涌地形斷面資料為主，局部沒有新測地形的河道則采用2010年以來河涌斷面進行插補，磨刀門水道及馬溜洲水道則采用2015年的河道地形測量資料進行河道斷面提取。

3 一維河網(wǎng)模型計算結(jié)果分析

3.1 防洪排澇調(diào)度原則

汛期暴雨階段，廣昌水閘、洪灣水閘和石角咀水閘共同承擔防洪排澇任務(wù)，閘內(nèi)控制水位為0.60 m。當閘上水位高于控制水位0.60 m且閘上水位大于閘下水位，通過調(diào)控開閘孔數(shù)及閘門開度來泄洪，來多少泄多少；上游來水較大且水位上漲時，逐步加大閘門開度至閘門全開，下泄各種頻率的洪水。當閘上水位高于控制水位0.60 m且閘上水位低于閘下水位時，需關(guān)閉廣昌水閘。

3.2 區(qū)域現(xiàn)狀防洪排澇能力分析

前山河流域：“一河兩涌”采用100 年一遇洪水設(shè)計，通過一維河網(wǎng)模型對不同洪潮遭遇情況時圍內(nèi)水位進行分析，當以外江洪潮水位為主時，遭遇圍堤內(nèi)相應(yīng)日最大降雨為92.40 mm產(chǎn)生的洪水，經(jīng)模型計算，其圍內(nèi)相應(yīng)水位為1.64 m。

當以圍內(nèi)洪水為主時，經(jīng)模型計算，百年一遇及200 年一遇洪水位超過2 m，現(xiàn)狀內(nèi)河涌兩岸堤防高程部分僅為1～2.20 m，以洪為主工況下洪水位超過兩岸部分堤頂高程，對河涌兩岸圍內(nèi)防洪造成威脅，各頻率最高內(nèi)河水位見表1。

表1 各頻率以洪為主調(diào)洪演算成果表

3.3 工程規(guī)模計算

由于前山河流域內(nèi)集雨面積較小，天然徑流量小，遇到小潮、中潮時，圍內(nèi)水閘關(guān)閉擋潮，水體動力不足，流動性差，水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴重，導(dǎo)致前山河國考斷面達標壓力較大。

自廣昌水閘引水，經(jīng)廣昌涌、沙心涌、前山河水道珠海段至石角咀水閘排出，河道長達14.86 km，河底平緩，水流緩慢，僅利用廣昌水閘漲潮時引水（受兩岸堤圍限制，最高引水水位0.80 m），石角咀水閘落潮時排水，受潮差較小及漲落潮時間較短等限制條件，造成河道上下游水頭差小，水流動力不足，水體交換率較低。因此僅利用廣昌水閘進水和石角咀水閘排水雙閘聯(lián)合調(diào)度進行生態(tài)補水的效果有限。

廣昌水閘重建工程，一個重要功能就是增設(shè)引水泵站。結(jié)合石角咀水閘改擴建工程（增設(shè)排水泵站）、廣昌涌沙心涌內(nèi)堤加高工程等一起，形成前山河珠海境內(nèi)統(tǒng)一的調(diào)度體系。在漲潮時關(guān)閉石角咀水閘同時同步開啟石角咀排水泵站，開啟廣昌水閘引水（至圍內(nèi)水位0.80 m關(guān)閘）；在落潮時關(guān)閉廣昌水閘同時開啟廣昌抽水泵站，開啟石角咀水閘排水，從而形成單向水體流動，增加水動力，提高前山河水體交換能力，增加前山河流域水環(huán)境容量，提高前山河生態(tài)流量保障水平。

根據(jù)《前山河生態(tài)補水專題》按兩種情形對計算組次進行設(shè)定，第一種是水閘和泵站共同調(diào)度，即當進水閘由于退潮無法引水、排水閘由于漲潮無法排水關(guān)閉的時候才啟用泵站進行抽和排調(diào)度，以增加補水時間；第二種情形針對的是特枯水文條件時，外江咸潮比較嚴重，水閘都保持關(guān)閉狀態(tài)，僅依靠廣昌泵站和石角咀泵站分別抽和排進行調(diào)度。將前山河流域內(nèi)氨氮濃度作為重點分析對象，得到泵站建設(shè)對石角咀水閘國考斷面水質(zhì)影響，從而確定泵站設(shè)計流量和裝機規(guī)模。

引水方案設(shè)計是結(jié)合石角咀水閘重建工程新建排水泵站，規(guī)模20～50 m3/s；廣昌水閘改建為雙向進、排水閘，新建雙向泵規(guī)模20～50 m3/s，新建蜘洲涌水閘、加高廣昌涌洪灣涌沙心涌內(nèi)堤等工程進行配套。

閘泵綜合調(diào)度條件下，不同泵站流量下石角咀斷面氨氮濃度變化可看出，流域內(nèi)各閘門實行分別只進不出的調(diào)度策略后，已經(jīng)形成了單向流，水體交換速度相對較快。河道內(nèi)V類水質(zhì)基本經(jīng)過60 h即可達到Ⅱ類水質(zhì)。

在此期間，水質(zhì)峰值出現(xiàn)在33小時左右，水質(zhì)達到了劣V。根據(jù)水閘調(diào)度規(guī)程，這主要是由于石角咀水閘開閘，導(dǎo)致上游各內(nèi)河涌污染物大量排出，導(dǎo)致斷面水質(zhì)明顯惡化。在各水閘因外江水位過高無法進水和排水時，通過廣昌泵站和石角咀泵站調(diào)度至廣昌涌、沙心涌和前山河珠海段形成閉合的循環(huán)回路對石角咀斷面污染物濃度有一定的降低效果，峰值濃度隨泵站流量的增大表現(xiàn)為遞減的趨勢，氨氮濃度峰值從3.14 mg/L 降低至2.82 mg/L，降低幅度分別為10.60%和9.28%。當泵站流量為50 m3/s 為泵站增強流量對水質(zhì)影響效率的一個拐點，此時峰值降幅為8.84%，再繼續(xù)增加泵站流量后，水質(zhì)改善效率會相對較小，從而總體效益不高。

在特枯水期，為防止咸潮上溯對內(nèi)河涌水質(zhì)的影響，會將各閘門進行關(guān)閉。在此情況下，僅靠泵站進行同時抽排，對河涌水質(zhì)也具有較為明顯的改善效果。CASE1-0 m3表示閘門全部關(guān)閉且不進行泵的運用，此時石角咀斷面氨氮濃度基本保持為Ⅴ類水質(zhì)的一條直線，僅在氨氮自身衰減的作用下略有降低。當采用泵站引排水10個流量后，水質(zhì)即有較明顯的變化，在360 h后，水質(zhì)基本能達到Ⅳ類水的標準。當泵站引排水流量以此增大到100 個流量后，水質(zhì)最終能維持Ⅲ類水的標準。同樣在泵站50 m3/s處，存在一個效率拐點，在此情況下水質(zhì)55 h后基本能維持Ⅲ類水的標準，而繼續(xù)增大流量，對水質(zhì)改善的效率的提高就很有限了。

綜上所述，泵站設(shè)計流量采用50 m3/s，以達到最佳的投入產(chǎn)出比。

4 結(jié)論

根據(jù)珠海市廣昌水閘工程的實際情況，通過收集流域河網(wǎng)參數(shù)，建立一維河網(wǎng)模型。通過模擬分析計算，閘泵綜合調(diào)度條件下，河道內(nèi)V類水質(zhì)基本經(jīng)過60 小時，即3 天半左右即可達到Ⅱ類水質(zhì)。綜合分析確定，廣昌水閘泵站設(shè)計流量采用50 m3/s，具有最佳的投入產(chǎn)出比。