龍灣區北山河片區活水暢流方案對比分析

李 慧

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

龍灣區北山河片區河道由于部分工業及生活污水排入河道致使片區黑臭河現象嚴重，現狀河道淤積嚴重，水體流動不暢，河道自凈能力有限，水環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。調水引流是改善平原河網水污染問題最為快捷和經濟可行的技術方法[1～3]。通過引調水，調入水質較好的水源進入片區河網，既可以改善水質，降低污染物的濃度，又能有效增加河道的水環境容量和水體自凈能力；同時也可以調活水體，增大流速，提高河水的復氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環境質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

計算區域河網縱橫，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值解。采用的丹麥河網一維數學模型MIKE11。

2.3 河道概化

根據區域地形及流域特性本次模型計算主要包括三片區域：（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 邊界條件及參數選擇

①初始條件：初始時刻溫瑞塘河水系平原河網各斷面取常水位2.62 m，流量為0，永強塘河水系河網各斷面取常水位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：時間步長ΔS取30 s，河道糙率取0.025～0.035，閘堰參數根據具體工程情況取值。

2.5 模型驗證

由于流域水系的形狀、河道比降、河床形態、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，有必要對計算參數加以率定，使選擇的計算參數符合流域特性。

通過對流域實際發生的洪水進行比選，選出一場實際發生的洪水作為參證洪水，直接由相應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，得出計算參數的調整值，調整計算參數后再重新計算，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。

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

為檢驗本次水利計算模型和率定參數的合理性及適用性，選用洪澇發生時間較近，降雨情況較為典型的2009年8月7日～8月11日的莫拉克臺風進行驗證計算。各代表點調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查水位相差幅度在5 cm以內，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較為合理，可用于現狀及規劃設計方案的水利計算分析。

3 活水暢流方案設計

3.1 片區整體換水方案A：單向換水方案

方案A主要工程措施如下：

1）對片區河道進行清淤打卡。

2）改建現有大浦過船閘，改建后為大浦涵閘，規模為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集中區小河道河水排出。

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

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

5）工程總投資約為1730萬元。

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

3.2 片區整體換水方案B：雙向換水方案

方案B主要工程措施如下：

1）對片區河道進行清淤打卡。

2）改建現有大浦過船閘，改建后為大浦涵閘，規模為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集中區小河道河水排出。

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

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

5）工程總投資約為2580萬元。

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

圖2 片區整體換水方案A工程布局圖

圖3 片區整體換水方案B工程布局圖

3.3 活水效果分析

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

表2 區域代表點流速統計表

表3 泄（換）水時間和水量統計表

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河水體通道，換水時間稍長。

從流速計算結果看，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狀不增加水利設施有明顯的提高，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利用現有簡易節制閘進行改造，充分利用現有工程資源，工程投資較省，且利用現有節制閘進行建議改造，縮短工期。

4 結語

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

2）利用現有節制閘改造，減少大規模工程建設投資，在經濟合理的基礎上完成區域活水暢流的效果。

3）片區內工業廠房較多，部分仍存在污水直排入河，活水方案雖然對片區水動力和水環境有一定改善效果，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域水環境問題。