MIKE11模型在麻涌鎮河網水動力調控方案的應用

祝紫玲

（東莞市水務工程建設運營中心,廣東 東莞 523000）

1 工程概況

東莞市麻涌鎮西鄰獅子洋,東靠倒運海,北有東江北干流,內擁麻涌河,轄區內河網密布,內河涌有116 條,長約127 km,鎮區以麻涌河為界分為河東片區和河西片區,兩個片區受麻涌河相隔,水系相對獨立。由于城鎮快速發展和歷史原因造成河道侵占,全鎮河道保有量較20 世紀80 年代減少了超過20%,斷頭涌增加,瓶頸增加,水系連通受到嚴重威脅,水流減速,河床淤積加快,水體自凈能力明顯減弱。考慮到麻涌鎮河涌河網復雜,選取河西片區作為研究對象,再根據其研究和實施效果,推廣全鎮。

麻涌鎮河道縱橫交錯,河網極其復雜,在充分掌握詳細的天然河網的水動力、水文資料的基礎上,按照河網概化的基本原則,對河網進行合理概化。圖1 為概化后的麻涌鎮河西片區內河涌河網。

圖1 河網概化圖

本模型共概化河道22 條,根據河涌相對位置分為5 個水系,馬滘涌、沙洛涌水系、第二涌水系、第三滘水系、大盛水系和麻涌墟水系,具體見表1。

表1 河網概化采用河涌水系基本情況表

模型涉及水閘13 座,麻涌鎮河網水系復雜,目前,除麻涌河外其他河涌均受人工調控,麻涌河上下游均未設置水閘,屬于完全受感潮影響的河涌,其他河涌均在兩端設置水閘,控制麻涌鎮內河涌水位。麻涌鎮河西片區北部連接著東江北干流的河涌西向東依次設置沙洛涌水閘、馬滘水閘、華陽街前涌水閘,第三滘北部連接麻涌河處設置四丫海水閘,南端連接麻涌河處設置第三滘水閘,第二涌北部設置第二涌水閘。

經調查,麻涌鎮現有水閘無統一調度規律,水閘內外水位也無定時記錄。目前麻涌北面區域通過水閘控制華陽湖保持水位在 0.4 m～0.5 m間 ,河網內平均 1 天～2 天換一次水,麻涌南面區域同樣也通過水閘控制保證區域內河網中水位保持在0.5 m。

2 水動力調控方案設計

2.1 方案設計

在現狀基礎上,根據水系連通、綜合調水和河道整治方案,總體設計模型方案。方案設計首先考慮充分利用現有水閘設施綜合調水,未改善的斷頭涌考慮水系連通,局部需要增加工程的考慮河道整治,仍需進一步改善的再考慮規劃泵站作為輔助設施,逐步擬定模型計算方案。

主要針對河西片區擬定現狀和6 個定向引水方案,逐步設置改善措施,與現狀河道相比較,最終確定最優水動力調控與水質改善方案。各方案設置說明如下：

（1）現狀：考慮現狀水利工程,現狀各水閘全開,僅在達到警戒水位時關閘。

（2）方案1：由沙洛涌、馬滘、華陽第二涌、街前涌、蕉站、四丫海、麻二涌、大盛口定向引水（均為只進不出）,滘刀、第二涌、第三滘、第五涌水閘定向排水（均為只出不進）,達到實際關閘水位時關閘,控制水體整體從北向南定向流動。

（3）方案2：在方案1 基礎上,增加連通后涌與街前涌、第五涌和水干涌。

（4）方案3：在方案2 基礎上,增加連通大基濠涌和滘刀涌。

（5）方案4：在方案3 基礎上,對相關河道進行整治。

（6）方案5：在方案4 基礎上,考慮大盛口水閘定向引水,而滘刀涌水閘規模有限,連涌滘刀涌和第二涌,引流部分水排入第二涌,第二涌水閘移至第二涌和麻涌河交匯處上游,并擴大水閘規模,增大示范區排水通道。

（7）方案6：在方案5 基礎上,在華陽第二涌水閘處設置引水泵站,水閘關閉時,開啟泵站,加快水體循環。

方案中的定向引排水是指：根據潮汐漲落規律,當閘外水位高于閘內且低于現狀實際關閘水位時水閘全開,定向引水,反之則關閉；當閘外水位低于閘內水位或低于現狀實際關閘水位時,定向排水,反之則關閉。水閘關閉時,當達到啟泵水位時,泵站開啟,反之剛關閉。定向控制麻涌鎮圍內河涌景觀水位為0.5 m。

2.2 水閘規模估算

（1）水閘位置確定

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）4.1.2 規定：節制閘或泄洪閘上、下游河道直線段長度不宜小于5 倍水閘進口處水面寬度。第二涌下游段水面寬度約100 m,故第二涌水閘宜建在距離與麻涌河匯入口至少約500 m之外,擬定在距河口約550 m處。

（2）水閘初始計算規模

水閘總凈寬暫按與河道寬度相適應的標準考慮,參考其他地區經驗,閘室總寬度與河道總寬度比值約0.6～0.75,第二涌下游段出口處河道寬度約100 m,總凈寬與河道寬度比值取為0.60,水閘處總凈寬為60 m。水閘底高按所處河涌底部高程確定,定為-3.0 m,閘排水頭差0.1 m～0.3 m。

根據華陽第二涌上河道斷面大小,暫定泵站流量設計為15 m3/s～25 m3/s。

3 水動力調控模型邊界及參數

3.1 邊界的選取

3.2.1 水文邊界

參考國外（如日本）及國內（如上海）等有關水環境規劃經驗,本次研究采用河涌補水保證率為90%。根據麻涌鎮近三十年降雨量資料進行頻率分析,計算降雨保證率。根據計算結果,保證率90%相對應的年降雨量為1206.5 mm,2015 年降雨量為1206.5 mm,保證率約為89.58%,因此取2015 年為補水保證率為90%的設計典型年,并根據麻涌鎮2015 年降雨量分配比（見表2）,以2、5 月份分別代表全年枯水和豐水月。引水調度主要是為解決枯水期水體循環慢、水環境差的問題,因此模型計算時段選取枯水月（2 月）。水位邊界為大盛2015 年2 月逐時潮水位,各水閘外水位相位差通過珠江三角洲網河區大范圍一維數學模型計算成果推出,并根據大盛水位推出各水閘外水位。

表2 多項式公式

3.2.2 水質邊界

計算統一采用污染物總量控制指標COD、NH3-N作為污染物控制因子。

3.2 主要計算參數的確定

①糙率的確定

比較規整的斷面,其河涌糙率取0.025,其余現狀的天然土渠河涌,擬定河涌綜合粗糙系數為0.030。

②空間及時間步長

程序計算中,斷面間距范圍約150 m～300 m,模型計算時間步長為1 min。

4 水動力調控方案計算分析

4.1 水體更新速率分析

水體更新速率為水體整體置換一次的時間,水體更新頻率為一定時期內水體更新的次數,等于凈引水量除以水體體積。水體更新速率分析分河西片區整體河網和局部示范區兩部分,局部示范區范圍為第二涌和麻涌河之間的河網區。

（1）現狀（水閘全開）：現狀地形下,考慮現狀水利工程,現狀各水閘全開,僅在達到警戒水位時關閘。研究區域總引水平均流量為1.05 m3/s,總進水量為252.64 萬m3,整體河網水體更新速率為31.78 天/次,局部示范區水體更新速率為36.28 天/次。

（2）方案1（水閘定向）：現狀地形下,考慮現狀水利工程,沙洛涌、馬滘、華陽第二涌、街前涌、蕉站、四丫海、麻二涌、大盛口均定向引水,滘刀、第二涌、第三滘、第五涌水閘均定向排水,達到實際關閘水位時關閘。研究區域總引水平均流量為29.9 m3/s,總進水量為7231.62 萬m3,整體河網水體更新速率為1.12 天/次,局部示范區水體更新速率為1.04天/次。

（3）方案2（水閘定向,連通后涌和街前涌、第五涌和水干涌）：在方案1基礎上,連通后涌和街前涌、第五涌和水干涌,研究區域總引水平均流量為30.4 m3/s,總進水量為7338.44萬m3,整體河網水體更新速率為1.11 天/次,局部示范區水體更新速率為1.04 天/次。

（4）方案3（水閘定向,增加連通大基濠涌和滘刀涌）：

在方案2 基礎上,增加連通大基濠涌和滘刀涌,研究區域總引水平均流量為30.4 m3/s,總進水量為7350.71 萬m3,整體河網水體更新速率為1.12 天/次,局部示范區水體更新速率為0.99 天/次。

（5）方案4（水閘定向,河道整治）：

在方案3 基礎上,對局部示范區相關河道進行整治,研究區域總引水平均流量為34.7 m3/s,總進水量為8380.14 萬m3,整體河網水體更新速率為1.22 天/次,局部示范區水體更新速率為1.11 天/次。

（6）方案5（水閘定向,增加連涌滘刀涌和第二涌,改建第二涌水閘）：

在方案4基礎上,考慮大盛口水閘定向引水,而滘刀涌水閘規模有限,增加連通大基濠涌和滘刀涌,引流部分水排入第二涌,第二涌水閘移至第二涌和麻涌河交匯處,并擴大水閘規模,增大示范區排水通道。研究區域總引水平均流量為40.1 m3/s,總進水量為9687.83 萬m3,整體河網水體更新速率為1.04 天/次,局部示范區水體更新速率為0.81 天/次。

（7）方案6（水閘定向,在華陽第二涌水閘處設置引水泵站）：

在方案5 基礎上,在華陽第二涌水閘處設置引水泵站,水閘關閉時,開啟泵站,加快水體循環。研究區域總引水平均流量為50.4 m3/s,總進水量為12168.22 萬m3,整體河網水體更新速率為0.83 天/次,局部示范區水體更新速率為0.75 天/次。

（8）方案7（水閘定向,四丫海涌水閘改引水為排水）：

在方案6 基礎上,四丫海涌水閘改引水為排水,增加示范區排水通道,研究區域總引水平均流量為65.6 m3/s,總進水量為15842.24 萬m3,整體河網水體更新速率為0.60 天/次,示范區水體更新速率為0.16 天/次。

4.2 河網整體水質分析

工程建設前在東江北干流上共設置了2 個監測斷面,分別為東江北干流的麻涌鎮與中堂鎮交界的沙丁圍斷面和下游的東江鐵路大橋斷面。入境的沙定圍斷面水質現狀為劣Ⅴ類,主要污染指標為總氮、氨氮和COD,超標倍數分別為2.36、0.26、0.50；出境的東江鐵路大橋斷面水質現狀為劣Ⅴ類,主要污染指標同為總氮、氨氮和COD,超標倍數為2.89、0.66、0.44。經過水動力方案的實施,從2020 年度水質監測數據可以看出,東江北干流水質良好,基本能穩定達到Ⅲ類,經過多年治理,麻涌鎮內河涌水質也有了明顯改善。

5 結論

為了改善水動力條件,恢復河道生態環境,采用MIKE11模型分析了7 種方案在工程區水動力調節中的應用效果。模擬結果表明：方案1～方案3,增加河網水系連通性,整體和示范區水體更新速率不斷加快。方案4～方案6,通過采取河道治理、新建泵站等措施,增大了整體和示范區的引水量、水體體積。方案7 在方案6 的基礎上將四丫海涌水閘改引水為排水,增加示范區排水通道,整體河網水體更新速率為0.60天/次,示范區水體更新速率為0.16 天/次,與方案6 相比,引水量、水體體積均增加30%。根據各方案的對比,方案7對研究區域水體更新速率、河網水質改善效果最優。