基于水動力模型的大洲圍河網水體交換過程研究

梁錦釗

（東莞市萬江水務工程運營中心,廣東 東莞 523050）

平原河網水流流速緩,流量偏小,致使大量沉積物淤積在河床,降低水流動力,同時底泥中氮、磷和重金屬等污染物含量較高,嚴重威脅著水環境[1]。“引淡沖污”作為改善平原河網水污染的重要手段,是一種經濟可行的方法[2]。大洲圍內河涌由于河床淺,河網流向復雜,難以流動交換,淤泥沉積深,特別是在關閘期間和秋冬季節,水環境容量變小,內河涌容易發黑、發臭。為了提高排澇能力,改善萬江區水環境,同時充分發揮水利工程的整體作用,提高水利管理的現代化水平,研究大洲圍內河涌水動力特性是十分必要的。

1 水動力數學模型研究

1.1 控制方程

河網水動力模型采用描述一維非恒定流運動的圣維南方程組,其控制方程為：

式中：x、t 分別為距離和時間的坐標；A 為過水斷面面積；Q 為流量；h 為水位；q 為旁側入流流量；C 為謝才系數；R為水力半徑； 為動量校正系數；g 為重力加速度。

河網水質模型的控制方程為物質輸運方程：

式中：C 為物質濃度,mg/L；D 為縱向擴散系數,m2/s；C2為源/匯濃度,mg/L；K 為線性衰減系數,1/d。

模型利用Abbott 六點隱式格式離散上述控制方程組,該離散格式在每一個網格點不同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,分別稱為h 點和Q 點。該格式無條件穩定,可以在相當大的Courant 數下保持計算穩定,節省計算時間。該模型還可根據不同地區的水流條件調整差分計算模式,以描述超臨界水流條件及亞臨界水流。水閘等水工構筑物處,根據其水力學特征作特殊處理。

1.2 水體交換指標

為建立水體交換指標,引入換水率的概念。設內河涌水體初始濃度場為C（r,l,t0）,瞬時濃度場為C（r,l,t）,則內河涌不同里程的斷面在t 時刻被外江水體置換的比率R（r,l,t）,即換水率為：

式中：r 為內河涌；l 為內河涌特定位置里程標示；t0為初始時刻。

由于內河涌,則：

為豐富和完善水體交換評價指標體系,進一步引入換水周期的概念。定義河網特定位置濃度降為初始值一半（即50%）時的交換時間為半換水周期；定義河網特定位置濃度降為初始值25%時的交換時間為75%換水周期。

從上述定義可以看出,水體交換模型是在一維河網水流、水質模型的基礎上,模擬水流運動、物質輸運的物理過程,可用以研究和分析河網任意計算斷面、任意時刻的水體交換情況,據此可對引水補水方案做出評判和優化。

1.3 模型范圍

模型考慮納潮運行時內河涌污水在內河涌與外江反復交換的影響,因此,數學模型計算范圍包括大洲圍內主要的11條河涌,分別為北中心涌、南中心涌、橫一涌、橫二涌、橫三涌、橫四涌、橫五涌、石美涌一、石美涌二、老虎滘涌、油九涌。模型中內河涌上共布置了148個計算斷面,斷面間距約100 m。

1.4 生態補水思路及水流流向

大洲圍生態補水思路為漲潮期由黃粘洲水閘、石美水閘開閘引水,落潮期由高基水閘、蓬廟水閘、油久水閘、老虎滘閘站排水。因此大洲圍各水閘水環境調度規則為：（1）當外江水位高于內河涌水位時,黃粘洲水閘、石美水閘開閘引水；（2）當外江水位低于內河涌水位時,開閘排水。

2 水體交換能力分析

2.1 現狀水體交換能力

為摸清大洲圍內河涌現狀水體交換能力,對內河涌預排水位為1.24 m 的水體交換情況進行模擬和分析,外江潮汐過程考慮中潮過程。計算工況見表1。

表1 現狀水體交換計算工況

計算得出現狀條件下大洲圍內河涌預排水位為1.24 m,外江遭遇中潮過程時,經過一天換水后內河涌的換水率分布見圖1。可見,現狀條件下,內河涌初始水位為1.24 m 時,中潮期調水一天后,北中心涌、南中心涌、橫二涌、橫四涌及老虎滘涌換水效果較好,平均換水率在80%以上。橫一涌、橫三涌、橫五涌、油九涌的換水率一般,換水率在49%～76%之間。

圖1 現狀條件下調水1 天后內河涌換水率分布

2.2 清淤清障后水體交換能力

初步分析,制約大洲圍現狀內河涌水體交換的因素主要為河道淤積。為此,考慮對內河涌進行整治,采取工程措施對內河涌進行清淤、清障,以提高內河涌的水流動力條件,加快內河涌的水體交換,達到改善水環境的目的。計算清淤清障后經過一天換水后內河涌的換水率分布見圖2。

圖2 清淤清障后調水1 天后內河涌換水率

計算結果顯示,清淤、清障工程實施后,大洲圍內河涌的水體交換能力得到明顯改善,除了橫一涌、橫五涌、油九涌及北中心涌段水體交換效果稍差外,其余各河涌水體交換效果良好,經過換水一天后,水體交換率在80%以上。

2.3 拓寬河道后水體交換能力

在清淤、清障基礎上,對水動力條件較差的橫一涌局部拓寬,按矩形斷面考慮,據計算分析,橫一涌最小控制河寬4.0 m,本次計算按將河寬不足4.0 m 河段拓寬至4.0 m,其余河涌按現狀河寬考慮。拓寬河道后,經過一天換水后內河涌的換水率分布見圖3。橫一涌擴寬后,橫一涌的水體交換能力得到增強,經過一天換水后,橫涌橫一涌的水體交換率達到80%以上。

圖3 拓寬河道后調水1 天后內河涌換水率

圖4～圖5 為外江遭遇大潮、小潮時,大洲圍實施清淤、清障及橫一涌局部拓寬,經過一天換水后內河涌的換水率分布圖。比較圖4、圖5 可見,大洲圍實施清淤、清障及橫一涌局部擴寬后,內河涌總體換水效果與外江潮汐密切相關,遭遇大潮時換水效果最好,中潮期次之,小潮期最差。

圖4 拓寬河道調水1 天內河涌換水率（大潮）

圖5 拓寬河道調水1 天內河涌換水率（小潮）

2.4 內河涌換水率統計

大洲圍實施清淤、清障及橫一涌局部擴寬后,內河涌預排水位分別為1.24 m 和0.94 m 條件下,外江遭遇大、中、小潮時,經過1 天換水后內河涌的平均換水率統計見表2。

表2 不同預排水位下換水率計算成果統計表

分析表2 可以得出不同的內河涌初始水位,不同的外江潮汐條件下,經過1 天調水換水后的內河涌換水率規律。外江潮汐相同條件下,內河涌初始水位越低,換水率越高；內河涌初始水位相同條件下,大潮期的內河涌換水率最高,小潮期的內河涌換水率最低,中潮期的內河涌換水率介于大潮期和小潮期之間；相同的內河涌初始水位和外江潮型條件下,南中心涌、北中心涌、石美涌一、石美涌二、橫一涌、橫二涌、橫三涌、橫四涌的換水率相對較高,橫五涌、油九涌、老虎滘涌的換水率相對較低。

3 結論

本文基于一維水動力成功構建了大洲圍感潮河網水流交換模型,針對其現狀和采取清淤、拓寬河道和清障等措施研究了不同條件下的水體交換效果,得出以下結論：

（1）大洲圍內河涌現狀條件下水動力條件較差,主要表現在北中心涌段、南中心涌、橫一涌、橫三涌、橫四涌、橫五涌、老虎滘涌、油九涌等河段,為增強水體交換能力及水動力條件,需對河涌進行清淤整治。

（2）根據計算分析,當河涌河底高程為0.3 m,水體交換速度有了較大改善；清淤河底高程為0.0 m,水體交換速度基本達到最佳狀態。

（3）橫一涌橋涵與橫四涌橋涵對水動力條件及水體交換影響較大,改造、各河涌清淤及橫一涌生態修復后,河涌水動力條件有所改善,但由于橫一涌河道部分斷面較小,仍存在水動力條件較差的問題,經分析計算當河道拓寬至4.0 m（最小控制河寬）水動力條件及水體交換速度得到了較大改善,可滿足近期整治需求。