基于MIKE11的閘壩操控與河流水質(zhì)水量響應(yīng)關(guān)系模擬

楊 洵，李 偉，張 勤，王志坤，趙 博

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003）

1 研究背景

遼寧省本溪轄區(qū)內(nèi)太子河觀音閣—參窩河段，起于觀音閣水庫壩下，止于參窩水庫入庫白石砬子斷面，長(zhǎng)約80 km，平均坡降0.126%。為了保持城市景觀水位，河道上相繼修建了12座閘壩。

在河段中下游，聚集了大量的沿河排污口，入河排污量大，加上閘壩的存在，使得河道水流不暢，水體稀釋擴(kuò)散作用降低，水體污染較為嚴(yán)重。參窩水庫長(zhǎng)期受該污廢水影響，水庫水體功能降低，僅能作為農(nóng)業(yè)灌溉用水，養(yǎng)殖功能幾乎喪失。為了改善河段的污染現(xiàn)狀，需要對(duì)該河段上的閘壩進(jìn)行積極有效的調(diào)控。

2 研究方法及閘壩調(diào)度操控

研究采用丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE11商業(yè)軟件水動(dòng)力、水質(zhì)模型作為模擬建模工具，其中水動(dòng)力模型中的可控建筑物模塊（SO）是MIKE11水動(dòng)力模型（HD）的特色[1]，提供了豐富的閘門操作設(shè)計(jì)，可以模擬多種水工建筑物，包括堰、箱涵、橋梁和自定義建筑物。其計(jì)算模式有迭代、表格、關(guān)閉、全開等9種。模型中可設(shè)置不同的調(diào)度方案及其優(yōu)先級(jí)，選擇合適的控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，細(xì)化調(diào)度目標(biāo)和調(diào)度時(shí)機(jī)，模型自動(dòng)計(jì)算閘門的開啟高度，極大地提高了對(duì)各類實(shí)際工程情況的模擬能力。模擬研究進(jìn)行的背景是在現(xiàn)狀年（2008年）的水文水動(dòng)力條件及排污情況下，以研究河段下游72 km處排污集中處的10號(hào)閘彩屯閘為研究對(duì)象。模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如下5種基本閘門操控方式：恒定閘門開度、恒定過閘流量、脈沖流量、開閘和關(guān)閘，模擬研究河段閘壩上下游水位流量和指示性污染物氨氮（NH3-N）對(duì)閘壩五種調(diào)度操控方式的響應(yīng)關(guān)系。

2.1 恒定閘門開度

人工頻繁啟閉閘門費(fèi)時(shí)勞力，閘門在實(shí)際運(yùn)行中可能在一段相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持開度不變，因此設(shè)計(jì)了閘門開度恒定的操控方式實(shí)驗(yàn)。為了獲得閘門不同開度對(duì)其上下游水位流量和污染物濃度的影響，設(shè)計(jì)兩種閘門開度，分別為0.1 m和0.25 m。在枯水期和豐水期分別進(jìn)行了閘門不同開度工況的模擬實(shí)驗(yàn)，得到了相近的結(jié)論。下面以豐水期的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以說明。

當(dāng)上游來水量較小時(shí)，過流形式屬堰流，閘門兩種開度的過閘流量相同；當(dāng)上游來水量加大，閘前水位高于閘門開度，呈閘孔出流，過閘流量隨水頭即上游水位而定[2]：閘門小開度工況，水流緩慢均勻通過，閘門大開度工況則呈現(xiàn)出集中水量的態(tài)勢(shì)。在閘門小開度模擬工況下，來水量得不到及時(shí)下泄，由于河槽蓄水量小，使得閘前水位迅速抬高。由模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在過閘總水量相同的條件下，若水流過閘形式不同，上游也會(huì)呈現(xiàn)出迥異的水位狀態(tài)。閘門大、小開度兩種工況下水位相差不大，這是由閘下游寬淺的河槽斷面狀態(tài)所決定的。

不同閘門開度對(duì)閘上下游水質(zhì)濃度的影響分析如下：

閘門小開度工況時(shí)，上游壅水，增大了可稀釋可用水量，但是同時(shí)水體同時(shí)也在接納新排放的污染物，因此閘前污染物濃度變化不大，水體流動(dòng)緩慢，污染物在河道中主要靠水體自凈作用降解；在閘門大開度工況下，下游污染物濃度與來水量是相呼應(yīng)對(duì)應(yīng)的，來水量較大時(shí)，來水對(duì)閘下游污染物的沖釋作用大，水質(zhì)狀況情況也隨之轉(zhuǎn)好。可以看出，大、小閘門開度兩種工況對(duì)閘前污染物濃度的影響不明顯。不同開度工況對(duì)閘下污染物濃度的影響在，則是在枯水期較為變化明顯，表明說明河道中污染物的稀釋擴(kuò)散作用在小流量時(shí)，對(duì)河道水量的變化較為比較敏感。

2.2 恒定過閘流量

當(dāng)下游河道對(duì)流量有控制要求時(shí)，需要控制閘門開度，使上游來水均勻下泄，即恒定過閘流量，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 恒定過閘流量

控制閘門開度，以22 m3/s的流量均勻過流，多余的水量被閘壩攔蓄，閘前水位迅速上升，閘下水位恒定。在過閘流量大于河道原流量的時(shí)段能夠有效降低下游污染物濃度，雖然削去了流量峰值，閘下污染物濃度略有升高。這種操作使水量均勻通過，閘門上下游的污染物濃度都有所降低，但是使上游水位波動(dòng)較大，并且使得閘門開度變化頻繁，不利于實(shí)際操作。

2.3 脈沖流量

圖2 過閘流量

在枯水期和豐水期分別進(jìn)行了脈沖流量的模擬實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，以枯水期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明。

下游閘門過閘流量呈現(xiàn)出脈沖的形式，閘下游污染物濃度和水位受脈沖流量影響而波動(dòng)，但是對(duì)閘下游污染物濃度并沒有明顯的降低作用。分析其原因，是關(guān)閘斷流以及開閘集蓄的污水團(tuán)下泄的不利影響大過了脈沖流量這種高流速的擴(kuò)散作用。在這種閘壩調(diào)度操控方式下，閘門啟閉頻繁，不利操作。該實(shí)驗(yàn)確定脈沖流量對(duì)河道水質(zhì)改善并沒有效果，但是對(duì)水生態(tài)是否起作用還需要另行研究。

2.4 開閘

閘門從小開度過流到完全開閘泄流，過閘流量增大，累積的水量下泄，閘下污染物濃度隨之降低，在稀釋擴(kuò)散的同時(shí)，上游污水團(tuán)沖向下游，污染物濃度峰值隨時(shí)間向下游運(yùn)移，造成對(duì)下游的污染。開閘時(shí)間愈長(zhǎng)，水體得到稀釋和擴(kuò)散作用的時(shí)間也就愈長(zhǎng)，從而擴(kuò)散的范圍也就愈大，混合的也就愈均勻，水體污染程度有所減輕。4 d后經(jīng)過稀釋降解，峰值消失。

2.5 關(guān)閘

關(guān)閘后，閘門上游水位迅速上升，上游污染物濃度由于水量累計(jì)的稀釋作用而有所下降，但是下游斷流，河流的稀釋、擴(kuò)散、棍合和凈化能力逐漸減弱，以至于完全喪失，與此同時(shí)仍有大量污廢水不斷排入下游河道，污染物只能依靠自身的微小的衰減作用降解，此時(shí)造成閘下嚴(yán)重污染。

3 結(jié)論

分析閘門上述5種調(diào)度操控方式的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）閘門啟閉對(duì)其上游水位影響較大，對(duì)其下游污染物濃度影響較大。

2）嚴(yán)禁河道斷流現(xiàn)象發(fā)生，在維持景觀水位的同時(shí)保證小流量下泄。

3）應(yīng)對(duì)閘門進(jìn)行均勻開啟或關(guān)閉，小開度，多開孔。

4）脈沖流量對(duì)于污染物濃度降低作用不明顯。

5）關(guān)閘對(duì)閘前污染物濃度的影響與蓄水容量和排污強(qiáng)度有關(guān)。

6）污染物衰減過程對(duì)水流低流量更為敏感，在大流量時(shí)，流量的增大對(duì)污染物濃度降低的改善效果并不明顯。

[1]Danish Hydraulic Institute.MIKE11：A modeling systemfor rivers and channels reference manual[R].2004.

[2]吳持恭.水力學(xué)（上冊(cè)）[M].北京:高等教育出版社，2003，11.