杭州城西河網(wǎng)清淤優(yōu)化調(diào)度

2017-04-10 06:10:50楊恩尚孫志林倪曉靜

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版) 2017年2期

楊恩尚，孫志林，倪曉靜

(浙江大學(xué) 港口海岸與近海工程研究所，浙江杭州 310058)

楊恩尚，孫志林*，倪曉靜

(浙江大學(xué) 港口海岸與近海工程研究所，浙江杭州 310058)

引水進(jìn)入城市河網(wǎng)可快速提升河道水質(zhì)，但也會(huì)導(dǎo)致泥沙淤積等問(wèn)題；城市河網(wǎng)不僅河道眾多，還有水閘等水工建筑物，使得水沙輸移問(wèn)題變得更為復(fù)雜.為了使泥沙盡量少淤積于不易清淤的河道，需優(yōu)化河網(wǎng)水閘的調(diào)度.首先建立了考慮水閘的河網(wǎng)一維泥沙輸移數(shù)學(xué)模型，利用實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)驗(yàn)證其精度.通過(guò)模型計(jì)算不同引水流量工況下杭州城西河網(wǎng)泥沙的淤積量及淤積分布，得到泥沙淤積率最低以及最利于清淤時(shí)的河網(wǎng)水閘優(yōu)化調(diào)度方案，可為城市河網(wǎng)泥沙減淤及清淤提供理論依據(jù)和參考.

城市河網(wǎng)；水閘；優(yōu)化調(diào)度；清淤

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高[1]，引水進(jìn)入城市河網(wǎng)可快速有效地改善河道水質(zhì)[2-4].然而，引水也會(huì)帶來(lái)泥沙淤積問(wèn)題[5].河網(wǎng)水沙輸移及淤積研究，以一維數(shù)學(xué)模型為主[6].GAMVROUDIS等[7]研究了大尺度河網(wǎng)水沙輸移問(wèn)題，周晨霓等[8]則給出了河網(wǎng)提取集水面積的方法.GOURGUE等[9]較為詳細(xì)地研究了河口地區(qū)河網(wǎng)的水沙輸移問(wèn)題，韓冬等[10]針對(duì)河網(wǎng)斷流問(wèn)題提出了一種合理的解決方法.此外，河網(wǎng)模型的水動(dòng)力[11-12]、數(shù)值解析方法[13]均有較為細(xì)致的研究.FANG等[14]較為系統(tǒng)地研究了河網(wǎng)沿程泥沙濃度、汊點(diǎn)離散、淤積計(jì)算等河網(wǎng)水沙輸移問(wèn)題，通過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了該模型的精度，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù).

近年來(lái)，杭州對(duì)繞城以?xún)?nèi)河道配水極為重視，建設(shè)了西湖、三堡引水工程，中河雙向泵房及錢(qián)塘江引水入城工程等.錢(qián)塘江引水入城工程為杭州市重點(diǎn)工程，同時(shí)也是一項(xiàng)生態(tài)建設(shè)工程.該工程當(dāng)前配水的范圍主要包括“四河四港”——余杭塘河、沿山河、馮家河、益樂(lè)河，紫金港、蓮花港、蔣村港、五常港(見(jiàn)圖1).工程引水線路總長(zhǎng)約12 km，設(shè)計(jì)引水量為25 m3·s-1，自東穆塢溪引入城西河網(wǎng)，并由余杭塘河流入京杭大運(yùn)河.由于錢(qián)塘江水體含沙量較多，引水必然會(huì)引起下游河道及河網(wǎng)的泥沙淤積.因此，研究河網(wǎng)水沙輸移及淤積規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)河道清淤的長(zhǎng)效管理工作極為必要.

圖1 杭州城西河網(wǎng)Fig.1 River network of West Hangzhou

本文通過(guò)所建立的河網(wǎng)一維泥沙輸移模型，研究杭州城西河網(wǎng)的水動(dòng)力和泥沙輸移及淤積分布規(guī)律，預(yù)測(cè)泥沙淤積發(fā)展趨勢(shì).計(jì)算分析水閘調(diào)控配水方案，提出引配水調(diào)度建議，以此調(diào)控河網(wǎng)泥沙淤積量及其分布，方便清淤，從而降低清淤長(zhǎng)效運(yùn)行的成本，打造流暢、水清的河道水環(huán)境，塑造城市景觀新形象.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本方程

水流連續(xù)方程為

(1)

水流動(dòng)量方程

(2)

非均勻沙含沙濃度沿程變化為[5]

(3)

河床變形方程

(4)

其中:A為過(guò)水面積，Q為流量，R為水力半徑，Z為水位，q為第i條支流側(cè)向出(入)流，n為曼寧系數(shù)，ζ為動(dòng)量分配系數(shù)，t為時(shí)間，x為距離，S*為挾沙能力，S為含沙濃度，B為河寬，α為恢復(fù)飽和系數(shù)，g為重力加速度，P0k為第k粒級(jí)泥沙顆粒所占百分?jǐn)?shù)，N為泥沙級(jí)配總數(shù)；上標(biāo)：0為初始時(shí)刻，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，下標(biāo)Δx為空間步長(zhǎng).

1.2 公式參數(shù)

非均勻沙水流挾沙能力公式為[5]

(5)

平均沉速為[5]

(6)

恢復(fù)飽和系數(shù)為[14]

(7)

上式中下標(biāo)b代表底部河床.

非平衡調(diào)整長(zhǎng)度為[14]

Ls=0.73B,

(8)

閘門(mén)過(guò)流流量計(jì)算公式為[15]

(9)

上式中μ為流量系數(shù)，b為閘門(mén)凈寬，a為閘門(mén)開(kāi)啟高度，ε為垂向收縮系數(shù).

2 模型驗(yàn)證

2.1 水動(dòng)力

河網(wǎng)一維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍為杭州城西河網(wǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖1)，不包含余杭塘河與五常港汊點(diǎn)以西以及沿山河和分流河汊點(diǎn)以西河段，計(jì)算斷面間隔為50m.河網(wǎng)水流、泥沙以及汊點(diǎn)分流、分沙的求解參照方紅衛(wèi)等[15]的計(jì)算方法.上游水邊界為東穆塢溪出水口，下游為余杭塘河與馮家河汊點(diǎn).沿山河、余杭塘河驗(yàn)證點(diǎn)位分別位于沿山河與蔣村港汊點(diǎn)、余杭塘河與馮家河汊點(diǎn)處.

圖2 水位計(jì)算與實(shí)測(cè)值比較(2012年8月10日)Fig.2 Comparison of the calculated and measured water level(August 10th, 2012)

模型水動(dòng)力驗(yàn)證情況如圖2所示.從圖中不難看出，河網(wǎng)上游的沿山河與下游的余杭塘河計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均符合良好，下游的余杭塘河略差，計(jì)算誤差均在10cm以?xún)?nèi)，相對(duì)誤差小于5%.

2.2 泥沙驗(yàn)證

杭州城西河網(wǎng)驗(yàn)證點(diǎn)泥沙級(jí)配如圖3所示，含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如圖4所示.亦不難看出，河網(wǎng)上下游的沿山河和余杭塘河計(jì)算精度均較高，上游的沿山河要略?xún)?yōu)于下游的余杭塘河.這與河網(wǎng)上游河道較少下游汊點(diǎn)較多導(dǎo)致水動(dòng)力及泥沙條件復(fù)雜有關(guān).總體來(lái)說(shuō)，本文所建立的河網(wǎng)水動(dòng)力及泥沙輸移模型精度較高，可進(jìn)行工程應(yīng)用.

圖3 杭州城西河網(wǎng)泥沙級(jí)配Fig.3 Sediment gradation for river network of west Hangzhou

圖4 含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較(2012年8月10日)Fig.4 Comparison of the calculated and measured sediment concentrations (August 10th, 2012)

3 河網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度

3.1 調(diào)度工況

錢(qián)塘江引水入城工程的設(shè)計(jì)流量為25m3·s-1，實(shí)際運(yùn)行中在錢(qián)塘江水體濁度偏大、水位偏低的情況下，為滿(mǎn)足防汛要求，需要適當(dāng)降低引水流量.2010年8月至2011年7月年平均引水流量為11.16m3·s-1，只有設(shè)計(jì)流量的45%，平均淤積率為81.4%.為減少淤積，即讓泥沙盡量淤積在較為寬闊易于清淤的地方，如沿山河與五常港的分岔口附近，需要進(jìn)一步分析不同引水流量、不同配水工況下的泥沙淤積情況，以期提出優(yōu)化方案，改進(jìn)調(diào)度方法.考慮10，15，20，25m3·s-1引水流量，并取平均含沙濃度82g·m-3，不同工況下計(jì)算五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河等水閘河網(wǎng)的淤積量，分析其淤積規(guī)律.

表1 閘站運(yùn)行方案Table 1 Operation scheme of sluice station

主要船閘、閘門(mén)的基本情況如表1所示，其中以調(diào)節(jié)五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河水閘為主，每個(gè)水閘初步確定2個(gè)方案.沿山河西閘、國(guó)力閘、馮家河南閘、古蕩堰2個(gè)方案相同，這樣共有25即32種組合，結(jié)合上面4種不同的引水流量就有128種情況.鑒于數(shù)量較多，選取引水流量為10 m3·s-1，對(duì)32種工況組合進(jìn)行研究，根據(jù)結(jié)果分析淤積規(guī)律，以減少工作量并保證結(jié)論的可靠性.32種工況如表2所示.

3.2 各工況淤積計(jì)算

利用本文建立的河網(wǎng)水沙輸移模型，參數(shù)中初始含沙濃度取平均值即0.082 kg·m-3，流量為10 m3·s-1，中值粒徑d50為7.65 μm，分組粒徑分別為2，8，20 μm，各區(qū)間所占百分比分別為21%，35%，28%，16%.雖然引水流量固定為10 m3·s-1，但計(jì)算得到每條河流的水位、流量并不恒定，且波動(dòng)較大，體現(xiàn)了河網(wǎng)水流的復(fù)雜性，但其均值較為穩(wěn)定.各工況下流量的變化并不大，閘門(mén)提升后該河道的流量會(huì)減小0.08～0.18 m3·s-1，其中五常港和沿山河流量變化最大，為0.18 m3·s-1，益樂(lè)河、馮家河最小為0.08 m3·s-1.

不同工況組合下的淤積量見(jiàn)圖5.其中，淤積率最大為86.8%，為標(biāo)號(hào)25的組合，即五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河閘門(mén)分別立至1.4, 1.35, 1.38，1.38，1.28 m.最小的淤積率為77.7%，標(biāo)號(hào)為7，即5個(gè)閘門(mén)依次立至1.43，1.38，1.35，1.35，1.28 m.其原因應(yīng)該是蓮花港、紫金港的閘門(mén)抬高后更多的水流向五常港、蔣村港(流量分別增加0.12，0.15 m3·s-1)，經(jīng)余杭塘河流出計(jì)算區(qū)域，水流路程更長(zhǎng)，水力條件變化較大，更易發(fā)生淤積.紫金港、蓮花港閘門(mén)的抬升還令沿山河的流速減低，淤積相應(yīng)增加，從而整個(gè)河網(wǎng)的淤積量增大.

表2 工況匯總Table 2 Summary of all working conditions

注 A、B、C、D、E分別代表五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河水閘，“1”“2”分別代表方案1與方案2.

圖5 各方案泥沙淤積量Fig.5 Deposition amount of channel for each working condition

沿山河的淤積率由22.7%增加到26.1%，余杭塘河也淤積了更多的泥沙，淤積率從6.07%提高到10.37%，此2河是整個(gè)水系中最長(zhǎng)的，且斷面形狀變化多，易于淤積，淤積率變化也最大.標(biāo)號(hào)為10的工況淤積率為81%，其數(shù)值雖不是最大，但較其他工況而言，五常港與沿山河汊口50 m范圍內(nèi)淤積厚度最大，為15.8 cm，標(biāo)號(hào)7，25的工況組合下該

位置的淤積厚度分別為12.4，13.3 cm.五常港與沿山河汊口也是各工況下河網(wǎng)淤積最厚的區(qū)域.標(biāo)號(hào)10的工況為五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河的閘門(mén)分別立至1.43，1.35，1.38，1.38，1.25 m.這個(gè)組合使得五常港內(nèi)水流流速降低，沿山河水流加快，流速在汊點(diǎn)附近波動(dòng)大，產(chǎn)生了更多淤積.

值得注意的是，并不是某河段閘門(mén)提升，其淤積量一定會(huì)增加，因?yàn)樵摵佣瘟髁康淖兓€受其他河道閘門(mén)升降的影響，需要綜合整個(gè)河網(wǎng)來(lái)考慮.河網(wǎng)的淤積是一個(gè)動(dòng)態(tài)的且相互影響相互作用的過(guò)程，影響河道淤積的因素很多，需要綜合分析.進(jìn)一步考慮7，10，25的工況組合，考慮其在流量分別為10，15，20，25 m3·s-1時(shí)的淤積情況，以進(jìn)一步分析河網(wǎng)淤積分布，探尋淤積規(guī)律.

3.3 不同流量下各工況淤積計(jì)算

初始流量分別為15，20，25 m3·s-1，河網(wǎng)水動(dòng)力及泥沙輸移計(jì)算值如圖6所示.河網(wǎng)的水力要素如流量、水深、流速波動(dòng)較大，波動(dòng)周期與波動(dòng)幅度都不穩(wěn)定，規(guī)律性并不強(qiáng)，隨著流量的增大，波動(dòng)更為劇烈，但各河道的流量均值較為穩(wěn)定.雖然流量從10 m3·s-1增加到25 m3·s-1，但各河道的流量占總流量的比值仍較為穩(wěn)定.沿山河、五常港、蔣村港、紫金港與蓮花港的流量占總引水流量的比值依次為85%，15%，24%，35%，26%.蓮花港流向益樂(lè)河的流量約占其總流量的42%，因?yàn)轳T家河南閘封閉，所以益樂(lè)河與馮家河流量平均值相同(同時(shí)刻并不相同).

隨著流量的增加，淤積率有效降低.25 m3·s-1流量情況下各工況組合相較10 m3·s-1時(shí)淤積率降低約10%，減淤作用明顯.為減少淤積，應(yīng)盡量增大引水流量.如果引水流量不能增大，或者增大引水流量比較困難，通過(guò)調(diào)整工況組合也能有效減少淤積.其中在10，15，20，25 m3·s-1引水流量下，工況7相較工況25其淤積率分別降低9.1%，8.5%，8.1%，7.8%，降低的淤積率數(shù)值雖然沒(méi)有增加的流量那么大，但效果也較明顯.

圖6 各流量/工況下泥沙淤積量Fig.6 Deposition amount of channels for each discharge and working condition

東穆塢溪的淤積率隨著流量的增大而降低，即更多的泥沙淤積在了下游河段，所以增加流量可有效減少東穆塢溪的淤積.除了最長(zhǎng)的河流沿山河與余杭塘河外，其他河段淤積率變化較小.馮家河、益樂(lè)河的淤積量很小，變化也不大.

值得注意的是，隨著流量的增加，淤積率雖有降低，但總的淤積量以及淤積厚度卻有較明顯的增加.平均來(lái)看，除東穆塢溪外，大部分河段的淤積量接近5 cm，局部淤積厚度較大，其中沿山河與五常港交叉口50 m范圍內(nèi)的淤積厚度最大.引水流量為25 m3·s-1、標(biāo)號(hào)10的工況下該處淤積厚度為29.6 cm，是最大的計(jì)算值.河網(wǎng)清淤時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮該區(qū)域.

圖7 各流量/工況下沿山河、五常港汊口淤積量及厚度Fig.7 Deposition amount and depth for the inlet of Yanshan and Wuchang channels in each discharge and working condition

各流量/工況下，沿山河、五常港汊口淤積量及厚度如圖7所示.不難看出，沿山河與五常港汊口50 m范圍內(nèi)的平均淤積厚度隨著流量的增大而增加，工況組合10較工況組合7和25的淤積厚度大2～10 cm，流量越大時(shí)該值也越大.相應(yīng)該河段泥沙淤積量要多18%以上.由于該處交通便利，易于工程機(jī)械作業(yè)，可顯著降低清淤費(fèi)用.

4 結(jié) 論

引水入城市河網(wǎng)在快速改善河道水質(zhì)的同時(shí)也導(dǎo)致了泥沙淤積.首先，建立了河網(wǎng)一維水動(dòng)力及泥沙輸移模型，并利用實(shí)測(cè)水沙資料驗(yàn)證模型的精度.針對(duì)工程中水閘等水工建筑物的運(yùn)行方案，提出了32種運(yùn)行工況.分別分析引水流量為15，20，25 m3·s-1時(shí)的河網(wǎng)泥沙淤積情況，結(jié)果表明，五常港、蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河的閘門(mén)依次立至1.43，1.38，1.35，1.35，1.28 m時(shí)，河網(wǎng)總體泥沙淤積率最低.上述5個(gè)閘門(mén)分別立至1.43，1.35，1.38，1.38，1.25 m時(shí)，最易于清淤的沿山河與五常港汊口淤積量及淤積厚度最大.河網(wǎng)淤積是一個(gè)相互影響、相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，影響河道淤積的因素很多，需要綜合分析.所得結(jié)論可為城市河網(wǎng)清淤提供參考，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度減少河網(wǎng)泥沙淤積量，從而降低清淤費(fèi)用.

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YANG Enshang, SUN Zhilin，NI Xiaojing

(InstituteofPort,CoastalandOffshoreEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Diversion into the urban river networks can quickly improve the water quality, but it brings the problem of sediment deposition at the same time. Urban river networks possess not only numerous channels but also hydraulic structures such as sluices, which makes the research on water flow and sediment transport more complex. In order to deposit more sediment in the river reaches which are easy to be dredged, optimization measures of sluice scheduling are thus necessary. This paper established a 1D mathematical model of sediment transport considering sluices for river networks in the first place. Then, the model was verified by the measured data of water flow and sediment. The amount of sediment deposition and its distribution in west Hangzhou river network were calculated under each operating condition of the sluices with different diversion discharges by the model. Optimal scheduling of the sluices that had the lowest deposition ratio and the most conducive dredging work was further proposed as a result of the analysis on calculation data, respectively. The results this paper presents can provide a useful reference and guidance for sediment dredging of urban river networks.

urban river network; sluice; optimal scheduling; dredging