基于MIKE11模型的昆山市張浦鎮張西聯圩水系活水暢流方案研究

陳 晨，許珊珊

(河海大學設計研究院有限公司，南京 210003)

0 引 言

張浦鎮位于江蘇省東南部的昆山市新城南郊，太湖流域東部，地理位置十分優越。位于江南水鄉的張浦鎮，水環境的優劣直接影響到人民群眾的生活品質和經濟的可持續發展。

近年來，張浦鎮積極響應“美麗昆山”建設，重視水環境治理，積極開展黑臭河道整治，推進生活、工業污水收集處理，取得了顯著成效，圩內河道水質總體得到改善。但還應看到張浦鎮在水環境治理與保護中存在的薄弱環節，尤其是河道水體動力方面，鎮內河道存在水體動力不足，流動性不強，部分河段水不活、流不暢等問題。張浦鎮境內水系發達，現狀有13個聯圩，村級以上河道429條。因此，研究加強張浦鎮聯圩水利工程聯合調度方案，充分發揮現有水利工程綜合效益，外引清水補給，內部加強水系暢通，對進一步改善圩內河道水環境具有重要意義。本次研究選取張浦鎮主鎮區所在地——張西聯圩進行活水暢流方案研究[1]。

1 研究數據與方法

1.1 研究方法

采用MIKE11軟件的水動力模塊模擬張浦鎮張西聯圩水動力情況。MIKE11軟件廣泛應用于河口、河網的水位、流量、水量模擬。MIKE11模型河道一維非恒定流的水動力學模擬基于圣維南方程。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側向來流在河道方向的流速；t為時間；x為沿水流方向的水平坐標；q為河道的側向來流量；α為動量修正系數；g為重力加速度；y為水位；Sf為摩阻坡降，其計算方法如下：

(3)

在河道交匯處通過水量平衡關系連接各河段：

(4)

式中，L(m)為連接到節點m的河段數；M為節點總數；V為河道交匯點蓄水量；Qmn+1為n+1時段流入節點m的外加流量；Qm,ln+1為n+1時段河段l流入節點m的流量；河道恒定流的模擬可采用曼寧公式：

(5)

式中：A為斷面過水面積；Q為流量；n為糙率；R為水力半徑；i為底坡。

水量模型的建立需要大量的基礎數據作為支撐，主要包括河道斷面數據、水文數據以及主要泵站、水閘流量等，通過對這些數據的分析、處理，形成河網文件、斷面文件、邊界文件、參數文件。

1.2 研究數據

本次模型計算共概化河道55條，計算斷面646個，閘站等控制建筑物11座。本次模型構建的河網文件為：在現狀工況下，河網根據現狀水系分布確定，規劃工況下，根據《昆山市張浦鎮水系規劃》中規劃的水系確定河網布局；斷面文件：河道斷面變化不大的河道，通過概化，保證河道過水能力一致，則該條河道采用相同河道斷面；河道斷面變化大的河道，對河道進行分段，各分段河道采用相應河道斷面。邊界文件及參數：本次模型計算中，圩內初始水位采用常水位2.8m，圩外河道水位采用2.8m，泵站流量根據方案給出泵站的實際引水流量；本次模型中，河道糙率的選擇根據河道實際護面種類與狀況，并參照項目區附近同類項目綜合確定糙率，取0.023。

2 活水暢流方案與效果分析

2.1 活水暢流方案

張西聯圩總面積17.21km2，聯圩地形狹長，南北向長約6.0km，東西向寬約3.0km。根據《昆山市張浦鎮水系規劃》，張西聯圩圩內水系格局為“三縱四橫三湖面”，圩內河道55條，規劃水面率9.5%。活水暢流是利用水利工程，通過動力引排，增加水體流動性，提升水體自凈能力。根據張西聯圩地形特點、規劃水系和水利工程布局，采用不同活水方案進行比選，選擇合理可行、流速分部最優的活水方案作為推薦方案。在比選的方案選擇時，應先對聯圩基本情況進行詳細分析，根據聯圩特點，有針對性地確定比選方案，避免盲目確定方案，導致比選方案過多、分析計算工作量過大[2]。

根據張西聯圩地形特點和水利工程布局情況，初步確定活水暢流引排方向，張西聯圩緊鄰吳淞江，圩內有多條支流與吳淞江相連，引水水源可選擇吳淞江。張西聯圩地形呈南北長、東西窄，活水主流向考慮從北往南，以最大范圍調動圩內水體。為兼顧東西向河道水體流動性，可考慮在東西向增加引水口或排水出口，增加東西向河道水體流動性。

張西聯圩內水系發達，河道眾多，僅依靠動力引排往往主要河道流動較快，支流河道、斷頭浜等流動性依然較差，難以讓圩內所有水體流動起來，因此，制定方案時，考慮先采用泵站排水或引水，降低或升高圩內水位后，再開閘引水或排水，實現圩內所有水體均有一個水位先降后升或先升后降的過程，以使圩內所有水體均能產生一定流動，但應注意水位差不宜過大，以防在開閘引水時，局部流速過快或水位驟降深度過大，對水利工程和河道邊坡安全造成不利影響[3-4]。

本次研究擬采用以下3種活水方案進行比選。

方案一：“南排北引”方案：

“南排北引”方案確定張西聯圩活水方式為：利用聯圩南部現有的排澇泵站，向圩外河道支浦江排水，同時開啟聯圩北側位于吳淞江沿線的防洪閘，向圩內引水。并通過先開啟泵站預降圩內水位，再開閘引水，實現圩內所有水體均有流動。

方案一擬先開啟大直江站、張浦江南站向圩外排水，排水總流量14m3/s，排水1h，抽排水量約5.04萬m3，圩內水位降低約3cm，再開啟吳淞江沿線防洪閘引水，活水時間結束后，先關閉排水泵站，等圩內水位平穩后，再關閉引水閘。每天活水時間為12h，每天活水量約占圩區總水量12.6%。張西聯圩活水方案1示意圖見圖1。

圖1 張西聯圩活水方案一示意圖

方案二：“北引東南排”方案：

“北引東南排”方案確定張西聯圩活水方式為：北引吳淞江水，向南排入支浦江，活水主流方向為由北向南，同時增加東西向支流動力，在聯圩東側利用泵站排水入支天浦江。并在水系相對獨立區域，利用現狀河道和排澇泵站構造局部小循環。

方案二擬先開啟大直江站、張浦江南站、西橫灌涇站向圩外排水，總流量19.5m3/s，排水1h，抽排水量約7.02萬m3，將圩內水位降低約4cm，再開啟吳淞江沿線防洪閘引水，活水結束后，先關閉排水泵站，圩內水位平穩后，再關閉引水閘。在聯圩北部，由于水系相對獨立，利用現有的林家潭灌排站和月如江閘，構造局部水系小循環。每天開機時間為12h，每天活水量約占圩區總水量17.6%。張西聯圩活水方案二示意圖見圖2。

圖2 張西聯圩活水方案二示意圖

方案三：“北西引南排”方案：

“北西引南排”方案確定張西聯圩活水方式為：北引吳淞江，南排支浦江，并在聯圩西側增加補水泵站，增加東西向河道流動性。同時利用現有水利工程，構造局部小循環。為提高方案運行保證率，新建補水泵站向圩內引水，通過聯圩南側防洪閘向圩外排水。方案運行時，先開啟補水泵站向圩內引水，提高圩內水位后，再開閘排水，以實現聯圩全部水體流動。

方案三規劃新建4座活水泵站，北引吳淞江水，向南排入支浦江。擬錯開引排水時間，先開啟月如江、顧仙江、林家潭、吳千斤浜活水泵站，引水總流量17m3/s，引水時間1h，引水量約6.12萬m3，圩內水位升高約3.5cm，再開啟支浦江沿線水閘排水，活水結束后，先關閉泵站，圩內水位平穩后，再關閘。每天開機時間為12h，每天活水量約占圩區總水量15.3%。張西聯圩活水方案3示意圖見圖3。

圖3 張西聯圩活水方案三示意圖

2.2 方案效果分析

方案一、方案二均為結合現有閘站進行活水，方案三擬新建引水泵站，采用動力向圩內引水。各方案的模型計算結果見表1。

表1 張西聯圩不同方案流速成果統計表

根據模型計算結果可知：現狀工況下，聯圩東南側由于河道聯通性較差，斷頭河浜較多；根據流速成果可知，現狀現狀工況下流速v<0.01m/s的河段占比41%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比30%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比29%。

方案一(“北引南排”方案)中，紅星新開河、西橫灌涇等橫向河道流速極小，基本不流動。根據流速成果可知，方案一中v<0.01m/s的河段占比39%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比46%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比15%。

方案二(“北引東南排”方案)中，開啟了橫向泵站西橫灌涇站以及北側的林家潭引排站后，紅星新開河、西橫灌涇等橫向河道流速加快，流動性明顯增強，但在聯圩東南側，廟灣江與支天浦江之間橫向河道流速依然很小，基本不流動。根據流速成果可知，方案二中v<0.01m/s的河段占比31%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比45%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比24%。可見，同為結合現有與規劃的排澇泵站進行活水，方案二流速分布優于方案一。

方案三(“北西引南排”方案)規劃活水泵站補水工況下，聯圩內河道流速分布最優。根據流速成果可知，方案三中v<0.01m/s的河段占比23%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比24%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比53%。根據模型流速分布圖可知，在聯圩東北廟灣江、億城河、寶覺河、花園河河道流速均>0.01m/s；億城新開河、古仙江等河段流速達到0.08m/s。結合流速成果及流速分布平面圖可知，新建引水泵站、采用動力向圩內引水的方案三優于方案一、方案二。

3 結 論

張西聯圩地形狹長，與東側支天浦江相通的河道較多，給圩內河道活水帶來一定難度。本次研究基于Mike11模型建立張西聯圩一維河網水動力模型，模擬圩內河網流速分布。根據對各方案計算結果分析，張西聯圩活水方案推薦采用方案三，即新建引水泵站，從吳淞江引水對圩內河道進行活水。推薦方案下，每日活水時間為12h，一次活水量約占聯圩總水量15.3%。但方案三需新建活水泵站，在活水泵站建成之前，可采用方案二對張西聯圩進行活水。

通過活水暢流方案研究，為張浦鎮張西聯圩水環境治理與提升提供了依據。根據聯圩地形特點，充分發揮現有水利工程綜合效益，局部增加活水工程，在經濟合理的基礎上實現聯圩活水暢流、改善水質的目的，從而為提高群眾生活品質、實現經濟的可持續發展提供條件。