基于流域概化模型的感潮河口水闸设计

2019-02-12黄森军俞演名王礼兵徐建强

水电与抽水蓄能 2019年5期

黄森军，魏俊，俞演名，王礼兵，徐建强

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

水环境污染问题严重影响经济发展和居民生活水平［1，2］，已受到社会各界广泛重视。有关水环境治理的理论技术日趋成熟，尤其是“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”的黑臭水体治理技术应用效果明显［3，4］。现有的水环境治理措施均针对降雨径流影响为主的河湖水体。然而，对于感潮河口区域，除了受降雨径流影响外，还受潮流的作用。闸坝是控制感潮河口双向作用力的有效措施，其主要功能是控制河口内外水位差，达到防汛抗潮和抑制咸水入侵的目的，如荷兰东斯海尔德挡潮闸［5］、福建九龙水闸［6］、海河挡潮闸［7］等。然而，对于受污染的海域，涨潮流携带污水进入河口，影响河口水环境，如深圳茅洲河。目前，针对感潮河口的海向污水仍缺乏有效地控制、治理方法。

本文通过建立茅洲河口径流-潮流概化模型，提出感潮河口水闸设计方案，实现高潮挡污、低潮结合流域内湖库水体治理改善水质的目的，从而解决潮流携污入河引起的水质恶化问题，为感潮河口的水污染控制提供参考。

1 研究区域概况

1.1 茅洲河口

茅洲河发源于深圳市境内的羊台山北麓，流经深圳、东莞两市，最终汇入珠江口，总流域面积388.2km2，如图1所示。流域内河流与小河涌发育，河流宽度差异大，在60～800m，河流江心洲较发育，河流呈“S”形。河口区域地势较平坦，属河漫滩地貌，下游平原区比降约0.6‰，易受潮水顶托。根据勘探结果，床质主要为第四系人工堆积素填土层、第四系海陆交互相沉积淤泥层、第四系河流冲积粉质黏土及第四系残积砂质黏性土层，下伏燕山三期花岗岩，总体稳定性较好。

茅洲河口属感潮河口，干流感潮河道13km，口外海域潮汐属不规则半日潮，历年平均潮差为2.32m，最大潮差为3.27m。

图1 茅洲河流域Figure 1 Maozhou river basin

1.2 河口水污染机理

茅洲河口为“凹”形海湾，口外潮流行进至该处时潮差减小，一般为1～2m。在潮流和径流相互作用下，该区域水动力较弱且易形成循环系统，导致排海污水、其他外源污染物汇集成污水团，离河口约1.5km，如图2所示。涨潮时，污水团随涌潮进入内河，并沿河上溯，影响内河水环境。

图2 茅洲河口污水团位置Figure 2 Location of Maozhou estuary sewage body

2 闸坝设计要点

河口闸坝工程规模拟订主要受到闸门宽度、闸底板高程、泵站规模等因素的影响，而由于流域特性复杂多变，这些参数往往难以根据规范选取。本文基于MIKE11建立流域概化水利模型，进行闸门宽度、闸底板高程、泵站规模等参数的多方案比选，确定最优方案。

2.1 闸坝设计要点

（1）控制方程。

水利模型通过概化流域干流水系（见图3），采用MIKE11非恒定流计算模块和SO（控制构筑物模块）对闸堰、桥梁进行模拟，按实际的位置和形式设置含有建筑物的断面，实现建筑物过流能力与水动力矩阵方程耦合。

图3 茅洲河干流水系概化图Figure 3 General drawing of Maozhou river main stream system

一维非恒定流数学模型采用圣维南明渠非恒定流偏微分方程组：

式中B——水面宽，m；

Z——水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁侧入流，m3/s；

v——断面平均流速，m/s；

g——重力加速度，一般取9.8N/kg；

A——过水断面面积，m2；

K——过水断面的流量模数；

s——位置，m；

t——时间，s。

本文在非恒定流水位计算的基础上，根据试算法得出下游桥涵壅高值，再通过水面线法向上游推算。该法系用上下游有效断面流速水头差，计算最大壅水高。

式中∆h3——最大壅水值，m；

V′3——除桥墩后过水断面的平均流速，V′3=V3B′/ε∑b，m/s；

V1——桥墩上游最大壅水处的断面平均流速，V1V3h1/h3+∆h3，m/s；

B′——无桥墩时的截面的宽度，m；

b——两桥墩间净宽，m；

h1——桥墩上游最大壅水处水深，m；

h3——桥墩下游正常水深，m；

V3——桥墩下游为正常水深时的断面平均流速，m/s；

a——动能修正系数；

ε——过水断面收缩系数。

（2）边界条件。

模型上游边界采用洋涌水闸各设计频率24h的洪水过程线；下游边界采用茅洲河口（舢板洲站）各设计频率24h的潮水过程线。洪潮遭遇组合采用多年平均年最大24 h设计暴雨产生的洪水与设计年最高潮水位，这是因为该组合已能包含历年出现过的年最高潮位与洪水的遭遇情况。

（3）模型率定。

由于缺乏洪痕调查资料，本文结合茅洲河界河的已有成果进行模型参数率定［8，9］，如图4所示。从图中可以看出，模型计算结果与已有成果基本一致，水位差基本在±5cm以内。因此，模型计算结果可信。

图4 模型计算结果与已有成果比较Figure 4 Comparisons between the calculated results of the model and the existing results

2.2 闸坝设计要点

（1）闸门宽度。

建闸后的泄流能力不应明显小于建闸前的天然河道过流能力，建闸后也不应造成上游的显著壅水。考虑现状河宽（260～270m），进行100、115、130、144m和160m五个方案的闸底净宽比选。各方案下的控制断面水面线如图5所示。当闸门宽度分别为100、115m和130m时，上游壅水分别为2～25cm、1～15cm和1～5cm；当闸门宽度为144m时，上游壅水为1～2cm；将闸门宽度进一步扩大至160m时，上游壅水仅比闸门宽度为144m时减小1cm，而投资则大幅增加。因此，闸门宽度选为144m较为合理。

图5 不同闸门宽度下干流水位Figure 5 Main stream water level under different gate widths

（2）闸门底板高程。

闸门底板高程对闸门泄流能力有较为密切的影响。根据现状-3.0～-1.0m的河底高程和通航水深要求，进行-3.0、-2.5、-1.5m和-0.5m四个闸门底板高程比选。各方案下的控制断面水面线如图6所示。当闸门底板高程分别为-0.5m和-1.5m时，建闸后会对上游产生4～69cm和1～13cm的壅水；当闸门底板高程为-2.5m时，壅水高度为1～2cm；当闸门底板高程为-3.0m时，壅水高度为0～1cm，闸门上游几乎不产生壅水，但疏浚量较大。综上分析，闸底板高程选取-2.5m较为合理，既保证泄洪能力，又满足通航水深。

图6 不同闸门底板高程下干流水位Figure 6 Main stream water level under different gate floor elevation

（3）泵站设置。

泵站的主要功能是在洪潮相遇时将闸内涝水排出。这是因为当闸外潮位大于洪水位时，闸门关闭挡潮，闸内涝水难以排出。本文进行无泵站和100m3/s泵站两个方案比选，分析各方案中20年一遇洪水、2年一遇潮水作用下的排涝效果，如图7所示。根据上文分析，此处闸门宽度为144m，闸门底板高程为-2.5m。在100m3/s的泵站影响下，闸内2km范围内水位可下降6～47cm，排涝效果较好。然而，对于干流水系而言，泵站排涝对上游的影响有限。因此，在20年一遇洪水、2年一遇潮水作用下，可不设泵站。

（4）闸门类型及闸孔数。

常用的闸门类型有平板提升闸门、升卧式闸门和下卧式闸门。由于河口区海水盐度高、泥沙含量大，闸门易受海水腐蚀，选用平板提升闸门，具有维护简便，冲淤快速等优势。通过混凝土量、钢筋、闸门总重、设备总重和总投资各方面的比选（见图8），发现设置12孔时，钢筋用量、闸门总重、设备总重和总投资为三方案中最小。因此，闸孔数选为12较合理。

图7 有泵站和无泵站下干流水位Figure 7 Water level of lower main stream with and without pumping stations

图8 闸孔数综合比选Figure 8 Comprehensive comparison and selection of the number of gate holes

另外，闸室、上/下游效能防冲段、水力设计、稳定性分析等参数可根据相应规范选取。

3 水闸功能

水闸主要实现两方面的功能：一是保证河道的通航功能，二是实现水闸高潮挡污功能，并通过建立“两湖一闸”联动系统，利用湖库补水改善茅洲河水质。

（1）保证通航。

水闸设计满足茅洲河Ⅳ级航道，过闸船舶吨级500t的要求，运行频率为日均过闸次数30次，即上行、下行两个方向各15次。

（2）控制水位。

平时闸外潮位较低，通过水闸控制，保持1.50m常水位，维持滨岸景观；当预报5年一遇以上暴雨时，提前2天预泄至0.50m，满足排涝需求；当遭遇大潮时，关闭闸门挡潮挡污；当遭遇大洪水和大潮同时出现时，若潮水位高于洪水位，关闭闸门，若潮水位低于洪水位时，开启闸门泄洪。通过上述调度，水闸能够阻挡高潮时污水团进入河口。

（3）改善水质。

小潮期间，若茅洲河水质较差（氨氮浓度较高），可通过上游光明湖和宝安湖补水，从而达到提高水环境容量，改善水质的目的。下游通过闸坝调度控制下泄流量，仍维持1.50m的常水位。