基于水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的中順大圍群閘聯(lián)動(dòng)調(diào)度模擬研究

王 妍,盧真建

(1.中山市堤圍管理中心 ，廣東 中山 528400；(2.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

中順大圍位于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)南部，屬珠江三角洲重要的五大堤圍之一[1]，內(nèi)有岐江河、鳧洲河、中部排水渠至獅滘河等平原區(qū)河道，麻子涌等山區(qū)溪流、溝渠140條，長(zhǎng)度為878.2 km。岐江河橫貫中山市中部，向東北經(jīng)港口、火炬區(qū)從東河水利樞紐處匯入橫門水道，向西南經(jīng)南區(qū)、板芙從西河水閘處匯入磨刀門水道，河長(zhǎng)為39 km，平均河寬為150 m，低潮時(shí)水深為2～3 m，屬典型的感潮河網(wǎng)區(qū)，河流流向往復(fù)不定水流，圍內(nèi)河流河床均比較淺、河道比較窄。

由于中順大圍圍內(nèi)屬感潮網(wǎng)河區(qū)[2-3]，水閘調(diào)度狀況復(fù)雜，本文通過建立一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)比計(jì)算中順大圍圍內(nèi)不同水閘調(diào)度狀態(tài)下的河涌平均流量及水體更換時(shí)間，為中順大圍水閘調(diào)度提供支撐。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 珠江三角洲網(wǎng)河一維模型

珠江三角洲是復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)，汊道多，互相連通，某一水道的水位或流量的改變將導(dǎo)致其他河道水位或分流比的變化，牽一發(fā)而動(dòng)全身。只有采用整體的珠江三角洲河網(wǎng)水動(dòng)力模型，才能反映工程前后水位、流速和流量等變化[4-5]。

模型采用1998—1999年實(shí)測(cè)河道地形圖，包括東江博羅、新家埔、流溪河、老鴉崗、北江三水、西江馬口、燈籠、小欖、南頭和潭江的石咀以下至河口，在西江干流高明段則采用2010年測(cè)量的河道地形圖加密斷面。概化出計(jì)算河段217條，共布置759個(gè)斷面，平均約2 km布置1斷面，對(duì)于項(xiàng)目所在河段加密斷面力求反映方案間的差異，一維計(jì)算域示意見圖1。

圖1 珠江三角洲一維模型計(jì)算域示意

2.2 中順大圍河涌概化一維模型

為模擬中順大圍主要河涌鳧洲河、橫琴海、中部排水渠、獅滘河以及岐江河河道受洪潮影響的水動(dòng)力變化情況，將以上河道概化成一維模型嵌套入珠江三角洲大模型中聯(lián)合求解(見圖2)[6-7]。

圖2 中順大圍主要河涌一維模型示意

2.3 模型率定

考慮地形及水文資料的實(shí)際條件，選取豐﹑平﹑枯3種典型代表水文條件對(duì)珠江三角洲一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證計(jì)算。采用同步水文資料(1999年7月，平水年)的部分系列進(jìn)行模型的率定計(jì)算，同時(shí)結(jié)合枯水代表年(2005年1月)、豐水代表年(1998年6月)進(jìn)行模型的驗(yàn)證計(jì)算。

率定結(jié)果見圖3～5所示，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)基本吻合，模型可反映實(shí)際情況。

圖3 “99.7”中水各測(cè)站水位流量率定結(jié)果示意

圖4 “98.6”大水各測(cè)站水位流量驗(yàn)證結(jié)果示意

圖5 “05.1”枯水各測(cè)站水位流量驗(yàn)證結(jié)果示意

2.4 水文組次的選取

由于洪水大潮的水文條件下，外江水位高于開關(guān)閘控制水位，內(nèi)河涌均關(guān)閘防洪，不利于比較水體更換時(shí)間，因此本文中順大圍水閘調(diào)度計(jì)算選取平﹑枯兩種典型代表水文條件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

1)中水大潮水文條件

采用1999年7月7日7:00—7月10日7:00珠江三角洲網(wǎng)河64個(gè)大斷面的同步水位(潮位)、流量測(cè)驗(yàn)資料。

2)枯水大潮水文條件

采用2005年1月21日23:00—1月24日23:00珠江三角洲網(wǎng)河逐時(shí)水位(潮位)測(cè)驗(yàn)資料及流量資料。

2.5 計(jì)算范圍的選取

本次模型計(jì)算范圍為中順大圍岐江河片區(qū)，并將鳧洲河、橫琴海、拱北河、中部排灌渠及獅滘河作為一級(jí)河道進(jìn)行計(jì)算，與岐江河的更換涌容按河涌水位1 m以下對(duì)應(yīng)涌容來計(jì)算。

本次模型選取水閘主要有鳧洲水閘、東河水閘、西河水閘，其中鳧洲水閘位于岐江河北端，總凈寬為24 m，設(shè)計(jì)過閘流量為130 m3/s；東河水閘位于岐江河?xùn)|端與橫門水道交界處，總凈寬為150 m，設(shè)計(jì)過閘流量為1 020 m3/s，將水排向橫門水道。西河水閘位于岐江河西端與西江水道交界處，總凈寬為 150 m，最大過閘流量為1 414 m3/s，將水排向磨刀門水道。

3 計(jì)算工況的確定

3.1 內(nèi)河涌控制水位

河涌控制水位對(duì)排澇及水環(huán)境均有影響，設(shè)置太高不利于排澇，設(shè)置太低又減少了河涌環(huán)境水生態(tài)涌容[8]。經(jīng)過模型比較，河涌最低控制水位下降到0 m(珠基，下同)，有利于增加河涌與外江水體交換容量，再調(diào)低最低控制水位對(duì)加快河涌水體交換的貢獻(xiàn)不明顯。因此，本次研究將內(nèi)河涌最低控制水位定為0 m及0.5 m兩種不同工況，最高控制水位分別為1.5 m以及1.8 m等4種組合進(jìn)行分析計(jì)算。

3.2 閘門調(diào)度工況

本次研究設(shè)計(jì)天然河道狀態(tài)、雙向引排水閘調(diào)度及西引東排3種調(diào)度工況。

1)天然河道狀態(tài)

即鳧洲水閘、西河水閘、東河水閘全時(shí)段全開啟。

2)雙向引排水閘調(diào)度原則

鳧洲水閘、西河水閘、東河水閘按照內(nèi)外水位差控制開閘、關(guān)閘，當(dāng)閘外水位高于閘內(nèi)河涌水位，且閘外水位未超過防洪水位，河涌?jī)?nèi)水位未超過最高低于閘內(nèi)水位，并且閘內(nèi)河涌水位不低于最低控制水位時(shí)，閘門全開，河涌水體由內(nèi)河涌排入外江；其他情況控制水位時(shí)[9-11]，3水閘閘門全開，引外江水入內(nèi)河涌；其他水位情況均關(guān)閘。

3)西引東排閘調(diào)度原則

鳧洲水閘、西河水閘定向引水，東河水閘定向排水，當(dāng)鳧洲水閘、西河水閘的閘外水位高于閘內(nèi)河涌水位，并且閘外水位低于防洪水位，河涌水位未超過最高控制水位時(shí)，水閘全開引外江水入河涌，其余情況關(guān)閘；當(dāng)東河水閘的閘外水位低于閘內(nèi)河涌水位，并且河涌水位不低于最低控制水位時(shí)，東河水閘全開，定向排水到外江，其余情況均關(guān)閘。

4 方案計(jì)算結(jié)果分析

不同閘門調(diào)度方式下，對(duì)鳧洲河—獅滘河河段及岐江河河涌平均流量水體更新速度、河涌控制水位進(jìn)行比較。

4.1 枯水大潮“05.1”水文條件下計(jì)算結(jié)果

對(duì)于天然河道的工況，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為0.31 m3/s，水體更換1次的時(shí)間達(dá)469.11 d，水體流向總體上從鳧洲河流入獅滘河方向，但來回振蕩，以致流量非常小；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為30.93 m3/s，水體更換1次需4.06 d，水體流向從東往西；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為11.95 m3/s，水體更換1次需11.64 d，水體流向是從東往西。

對(duì)于雙向引排的工況，當(dāng)河涌最低控制水位為0 m，最高控制水位為1.5 m時(shí)，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為1.74 m3/s，水體更換1次的時(shí)間達(dá)84.09 d，水體流向總體上從獅滘河流向鳧洲河的方向；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為22.28 m3/s，水體更換1次需5.63 d，水體流向從東往西；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為7.15 m3/s，水體更換1次需19.45 d，水體流向是從東往西。

對(duì)于西引東排的工況，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為13.18 m3/s，水體更換1次的時(shí)間為11.1 d，水體流向總體上從鳧洲河流向獅滘河的方向；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為41.74 m3/s，水體更換1次需3.01 d，水體流向從西往東；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為33.01 m3/s，水體更換1次需4.22 d，水體流向是從西往東。

枯水時(shí)不同控制水位條件下水體交換時(shí)間如圖6所示。

4.2 中水大潮“99.7”的水文條件下計(jì)算結(jié)果

對(duì)于天然河道的工況，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為149.28 m3/s，水體更換1次的時(shí)間為0.98 d，水體流向從鳧洲河流入獅滘河方向；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為186.66 m3/s，水體更換1次需0.67 d，水體流向從西往東；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為45.65 m3/s，水體更換一次需3.05 d，水體流向是從東往西，即外江水從鳧洲河入流后流入獅滘河與岐江河汊口后再向岐江河兩邊分流，分別在東西兩側(cè)流出外江。

對(duì)于雙向引排的工況，當(dāng)河涌控制水位在0～1.5 m時(shí)，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為88.82 m3/s，水體更換1次的時(shí)間要1.65 d，水體流向從鳧洲河流向獅滘河的方向；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為37.89 m3/s，水體更換1次需3.31 d，水體流向從西往東；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為40.41 m3/s，水體更換1次需3.44 d，水體流向是從東往西，即外江水從鳧洲河入流后流入獅滘河與岐江河汊口后再向岐江河兩邊分流，分別在東西兩側(cè)流出外江。

對(duì)于西引東排的工況，鳧洲河—獅滘河河段平均流量為90.87 m3/s，水體更換1次的時(shí)間需1.61 d，水體流向從鳧洲河流向獅滘河的方向；岐江河?xùn)|河水閘—獅滘河分汊段平均流量為111.06 m3/s，水體更換1次僅需1.13 d，水體流向從西往東；岐江河獅滘河分汊—西河水閘段平均流量為27.89 m3/s，水體更換1次需4.99 d，水體流向是從西往東。

中水時(shí)不同控制水位條件下水體交換時(shí)間如圖7所示。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1不同閘門控制方式的影響

在遭遇枯水大潮的時(shí)候，對(duì)于不同的河涌控制水位的情況，天然河道、雙向引排與西引東排三種不同控制方式，對(duì)河涌平均流量與水體更換時(shí)間的變化規(guī)律基本是一致的，由于上游徑流與下游潮水相互作用，天然河道水體來回往復(fù)流動(dòng)，形成一潭死水，水體基本上難以更換；雙向引排的調(diào)度方式，雖然能在一定程度上縮短河涌水體更換時(shí)間，但總體而言，水體更換的時(shí)間還是比較長(zhǎng)；西引東排的調(diào)度方式則能更大程度上縮短水體更換時(shí)間，更有利于河流之間的水體交換[12]，是3種工況下中水體更換時(shí)間最短的。

在遭遇中水大潮的時(shí)候，對(duì)于不同的河涌控制水位的情況，由于強(qiáng)徑流原因，天然河道、雙向引排與西引東排3種不同控制方式，河涌中水體更換時(shí)間差不多，而且都有大幅度的縮短，最長(zhǎng)不超過8 d。雖然西引東排的水體更換時(shí)候并非3種工況中最短的，但通過調(diào)節(jié)河涌最低、最高控制水位可加快水體更換時(shí)間，分析結(jié)果表明將河涌控制水位調(diào)整為0～1.5 m或0～1.8 m時(shí)，西引東排的閘門調(diào)度方式河涌水體更換時(shí)間均不超過5 d。

4.3.2不同河涌控制水位的影響

河涌最低、最高控制水位的設(shè)置關(guān)乎河涌納污及河涌防洪排澇，最低控制水位定得越低，最高控制水位定得越高，可利用的納污涌容越大，引入的外江清水越多，水體更新的速度越快，但最低水位越低，則在枯水期可能因引水不足造成河涌水少，不利于水體交換，最高水位越高，造成的排澇壓力也越大。通過計(jì)算表明，河涌最低控制水位從0.5 m下降到0 m，水體更新速度增加明顯，河涌最高控制水位從1.5 m提高到1.8 m，水體更新的速度增加不明顯，最高控制水位設(shè)置太高對(duì)防洪排澇造成壓力，所以將最低控制水位0 m，最高控制水位為1.5 m時(shí)，綜合考慮最優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文選取了3條河段、4組水位組合，建立水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)中順大圍岐江河片區(qū)開展計(jì)算，分析了鳧洲水閘、西河水閘、東河水閘在不同閘門控制方案下河道水體流量及更換時(shí)間，得出結(jié)論如下：無(wú)論是遭遇枯水大潮還是中水大潮，中順大圍水閘采用西引東排的方案，均可充分利用西江水引入河涌，再加上合理的河涌最低、最高控制水位，可使水體更換時(shí)間控制在12 d之內(nèi)，在中水大潮時(shí)水體更換時(shí)間可縮短至0.96 d，能夠可在引入西江水質(zhì)較優(yōu)的水同時(shí)，迅速改善內(nèi)河涌水質(zhì)。