基于一維河網模型廣昌水閘改擴建工程參數分析

莫達明

（珠海匯炬項目管理有限公司，廣東 珠海 519075）

1 工程概況

廣昌水閘改擴建工程位于珠海市香洲區南屏鎮廣昌涌河口處，原閘建成于2000 年，地處中珠聯圍中部，是中珠聯圍七個外江水閘之一。原工程工程等別為Ⅲ等，屬于中型工程，原主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級。

2 一維河網模型建立

2.1 基本原理

水利模型計算范圍為前山河干流、洪灣涌、沙心涌及廣昌涌。平原河網水利計算采用河網非恒定流方法。

根據蕭山區河道縱橫、水利設施形式多樣的特點，計算中考慮了山區河流、橋梁、閘泵等工程對洪流演進的影響，逐時計算河網的洪水過程。平原河道交錯縱橫，水流流向復雜，計算采用一維非恒定流方法，計算公式如下：

式中：B 為水面寬，Z 為水位，Q 為流量，q 為旁測流量，v 為斷面平均流速，g 為重力加速度，F 為過水斷面面積，K 為單位過水斷面面積流量模數。此數學模型考慮了堰、閘、阻水橋梁、區間水量交換，以及河網、田面等調蓄作用等因素。

中珠聯圍的排水主要依靠大涌口、石角咀、洪灣和廣昌四個水閘，故此次排洪復核采用以上四座水閘聯合排洪，進行調洪演算。此次河道水利計算模型采用MIKE11 水力學計算軟件，將整個計算范圍看為整體，在1/10 000 航測圖通過對各河涌進行涌容量算，相加后得到整個圍內總的涌容曲線。根據水位庫容曲線進行河網概化。

2.2 水利計算邊界條件

①上邊界前山河流域內河設計洪水過程。②下邊界為典型潮位過程。③洪潮組合情況潮洪組合情況：此次計算洪潮的遭遇時間為最高潮遭遇洪峰出現。④根據廣昌水閘防洪防潮標準，設計洪水標準為50年一遇，校核標準為100年一遇，防潮標準為100年一遇，此次計算工況組合：

組合1：上游50 年一遇洪水遭遇下游2 年一遇設計潮位過程。

組合2：上游2 年一遇洪水遭遇下游100 年一遇設計潮位過程。兩種洪潮組合取外包線，即為此次水面線成果。

2.3 一維水質模型

2.3.1 計算范圍

此次前山河流域一維水質計算數學模型范圍包括前山河流域（共計60條河涌）以及其外江的磨刀門水道河段。其中外邊界位于磨刀門水道及馬溜洲水道，上邊界為磨刀門水道竹銀附近，下邊界分別為磨刀門水道橫琴及馬溜洲水道末端。

2.3.2 地形數據

前山河流域各河涌地形將以此項目2016年12月測量的河涌地形斷面資料為主，局部沒有新測地形的河道則采用2010年以來河涌斷面進行插補，磨刀門水道及馬溜洲水道則采用2015年的河道地形測量資料進行河道斷面提取。

3 一維河網模型計算結果分析

3.1 防洪排澇調度原則

汛期暴雨階段，廣昌水閘、洪灣水閘和石角咀水閘共同承擔防洪排澇任務，閘內控制水位為0.60 m。當閘上水位高于控制水位0.60 m且閘上水位大于閘下水位，通過調控開閘孔數及閘門開度來泄洪，來多少泄多少；上游來水較大且水位上漲時，逐步加大閘門開度至閘門全開，下泄各種頻率的洪水。當閘上水位高于控制水位0.60 m且閘上水位低于閘下水位時，需關閉廣昌水閘。

3.2 區域現狀防洪排澇能力分析

前山河流域：“一河兩涌”采用100 年一遇洪水設計，通過一維河網模型對不同洪潮遭遇情況時圍內水位進行分析，當以外江洪潮水位為主時，遭遇圍堤內相應日最大降雨為92.40 mm產生的洪水，經模型計算，其圍內相應水位為1.64 m。

當以圍內洪水為主時，經模型計算，百年一遇及200 年一遇洪水位超過2 m，現狀內河涌兩岸堤防高程部分僅為1～2.20 m，以洪為主工況下洪水位超過兩岸部分堤頂高程，對河涌兩岸圍內防洪造成威脅，各頻率最高內河水位見表1。

表1 各頻率以洪為主調洪演算成果表

3.3 工程規模計算

由于前山河流域內集雨面積較小，天然徑流量小，遇到小潮、中潮時，圍內水閘關閉擋潮，水體動力不足，流動性差，水質富營養化嚴重，導致前山河國考斷面達標壓力較大。

自廣昌水閘引水，經廣昌涌、沙心涌、前山河水道珠海段至石角咀水閘排出，河道長達14.86 km，河底平緩，水流緩慢，僅利用廣昌水閘漲潮時引水（受兩岸堤圍限制，最高引水水位0.80 m），石角咀水閘落潮時排水，受潮差較小及漲落潮時間較短等限制條件，造成河道上下游水頭差小，水流動力不足，水體交換率較低。因此僅利用廣昌水閘進水和石角咀水閘排水雙閘聯合調度進行生態補水的效果有限。

廣昌水閘重建工程，一個重要功能就是增設引水泵站。結合石角咀水閘改擴建工程（增設排水泵站）、廣昌涌沙心涌內堤加高工程等一起，形成前山河珠海境內統一的調度體系。在漲潮時關閉石角咀水閘同時同步開啟石角咀排水泵站，開啟廣昌水閘引水（至圍內水位0.80 m關閘）；在落潮時關閉廣昌水閘同時開啟廣昌抽水泵站，開啟石角咀水閘排水，從而形成單向水體流動，增加水動力，提高前山河水體交換能力，增加前山河流域水環境容量，提高前山河生態流量保障水平。

根據《前山河生態補水專題》按兩種情形對計算組次進行設定，第一種是水閘和泵站共同調度，即當進水閘由于退潮無法引水、排水閘由于漲潮無法排水關閉的時候才啟用泵站進行抽和排調度，以增加補水時間；第二種情形針對的是特枯水文條件時，外江咸潮比較嚴重，水閘都保持關閉狀態，僅依靠廣昌泵站和石角咀泵站分別抽和排進行調度。將前山河流域內氨氮濃度作為重點分析對象，得到泵站建設對石角咀水閘國考斷面水質影響，從而確定泵站設計流量和裝機規模。

引水方案設計是結合石角咀水閘重建工程新建排水泵站，規模20～50 m3/s；廣昌水閘改建為雙向進、排水閘，新建雙向泵規模20～50 m3/s，新建蜘洲涌水閘、加高廣昌涌洪灣涌沙心涌內堤等工程進行配套。

閘泵綜合調度條件下，不同泵站流量下石角咀斷面氨氮濃度變化可看出，流域內各閘門實行分別只進不出的調度策略后，已經形成了單向流，水體交換速度相對較快。河道內V類水質基本經過60 h即可達到Ⅱ類水質。

在此期間，水質峰值出現在33小時左右，水質達到了劣V。根據水閘調度規程，這主要是由于石角咀水閘開閘，導致上游各內河涌污染物大量排出，導致斷面水質明顯惡化。在各水閘因外江水位過高無法進水和排水時，通過廣昌泵站和石角咀泵站調度至廣昌涌、沙心涌和前山河珠海段形成閉合的循環回路對石角咀斷面污染物濃度有一定的降低效果，峰值濃度隨泵站流量的增大表現為遞減的趨勢，氨氮濃度峰值從3.14 mg/L 降低至2.82 mg/L，降低幅度分別為10.60%和9.28%。當泵站流量為50 m3/s 為泵站增強流量對水質影響效率的一個拐點，此時峰值降幅為8.84%，再繼續增加泵站流量后，水質改善效率會相對較小，從而總體效益不高。

在特枯水期，為防止咸潮上溯對內河涌水質的影響，會將各閘門進行關閉。在此情況下，僅靠泵站進行同時抽排，對河涌水質也具有較為明顯的改善效果。CASE1-0 m3表示閘門全部關閉且不進行泵的運用，此時石角咀斷面氨氮濃度基本保持為Ⅴ類水質的一條直線，僅在氨氮自身衰減的作用下略有降低。當采用泵站引排水10個流量后，水質即有較明顯的變化，在360 h后，水質基本能達到Ⅳ類水的標準。當泵站引排水流量以此增大到100 個流量后，水質最終能維持Ⅲ類水的標準。同樣在泵站50 m3/s處，存在一個效率拐點，在此情況下水質55 h后基本能維持Ⅲ類水的標準，而繼續增大流量，對水質改善的效率的提高就很有限了。

綜上所述，泵站設計流量采用50 m3/s，以達到最佳的投入產出比。

4 結論

根據珠海市廣昌水閘工程的實際情況，通過收集流域河網參數，建立一維河網模型。通過模擬分析計算，閘泵綜合調度條件下，河道內V類水質基本經過60 小時，即3 天半左右即可達到Ⅱ類水質。綜合分析確定，廣昌水閘泵站設計流量采用50 m3/s，具有最佳的投入產出比。