MIKE11模型在麻涌镇河网水动力调控方案的应用

祝紫玲

（东莞市水务工程建设运营中心,广东 东莞 523000）

1 工程概况

东莞市麻涌镇西邻狮子洋,东靠倒运海,北有东江北干流,内拥麻涌河,辖区内河网密布,内河涌有116 条,长约127 km,镇区以麻涌河为界分为河东片区和河西片区,两个片区受麻涌河相隔,水系相对独立。由于城镇快速发展和历史原因造成河道侵占,全镇河道保有量较20 世纪80 年代减少了超过20%,断头涌增加,瓶颈增加,水系连通受到严重威胁,水流减速,河床淤积加快,水体自净能力明显减弱。考虑到麻涌镇河涌河网复杂,选取河西片区作为研究对象,再根据其研究和实施效果,推广全镇。

麻涌镇河道纵横交错,河网极其复杂,在充分掌握详细的天然河网的水动力、水文资料的基础上,按照河网概化的基本原则,对河网进行合理概化。图1 为概化后的麻涌镇河西片区内河涌河网。

图1 河网概化图

本模型共概化河道22 条,根据河涌相对位置分为5 个水系,马滘涌、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,具体见表1。

表1 河网概化采用河涌水系基本情况表

模型涉及水闸13 座,麻涌镇河网水系复杂,目前,除麻涌河外其他河涌均受人工调控,麻涌河上下游均未设置水闸,属于完全受感潮影响的河涌,其他河涌均在两端设置水闸,控制麻涌镇内河涌水位。麻涌镇河西片区北部连接着东江北干流的河涌西向东依次设置沙洛涌水闸、马滘水闸、华阳街前涌水闸,第三滘北部连接麻涌河处设置四丫海水闸,南端连接麻涌河处设置第三滘水闸,第二涌北部设置第二涌水闸。

经调查,麻涌镇现有水闸无统一调度规律,水闸内外水位也无定时记录。目前麻涌北面区域通过水闸控制华阳湖保持水位在 0.4 m～0.5 m间 ,河网内平均 1 天～2 天换一次水,麻涌南面区域同样也通过水闸控制保证区域内河网中水位保持在0.5 m。

2 水动力调控方案设计

2.1 方案设计

在现状基础上,根据水系连通、综合调水和河道整治方案,总体设计模型方案。方案设计首先考虑充分利用现有水闸设施综合调水,未改善的断头涌考虑水系连通,局部需要增加工程的考虑河道整治,仍需进一步改善的再考虑规划泵站作为辅助设施,逐步拟定模型计算方案。

主要针对河西片区拟定现状和6 个定向引水方案,逐步设置改善措施,与现状河道相比较,最终确定最优水动力调控与水质改善方案。各方案设置说明如下：

（1）现状：考虑现状水利工程,现状各水闸全开,仅在达到警戒水位时关闸。

（2）方案1：由沙洛涌、马滘、华阳第二涌、街前涌、蕉站、四丫海、麻二涌、大盛口定向引水（均为只进不出）,滘刀、第二涌、第三滘、第五涌水闸定向排水（均为只出不进）,达到实际关闸水位时关闸,控制水体整体从北向南定向流动。

（3）方案2：在方案1 基础上,增加连通后涌与街前涌、第五涌和水干涌。

（4）方案3：在方案2 基础上,增加连通大基濠涌和滘刀涌。

（5）方案4：在方案3 基础上,对相关河道进行整治。

（6）方案5：在方案4 基础上,考虑大盛口水闸定向引水,而滘刀涌水闸规模有限,连涌滘刀涌和第二涌,引流部分水排入第二涌,第二涌水闸移至第二涌和麻涌河交汇处上游,并扩大水闸规模,增大示范区排水通道。

（7）方案6：在方案5 基础上,在华阳第二涌水闸处设置引水泵站,水闸关闭时,开启泵站,加快水体循环。

方案中的定向引排水是指：根据潮汐涨落规律,当闸外水位高于闸内且低于现状实际关闸水位时水闸全开,定向引水,反之则关闭；当闸外水位低于闸内水位或低于现状实际关闸水位时,定向排水,反之则关闭。水闸关闭时,当达到启泵水位时,泵站开启,反之刚关闭。定向控制麻涌镇围内河涌景观水位为0.5 m。

2.2 水闸规模估算

（1）水闸位置确定

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）4.1.2 规定：节制闸或泄洪闸上、下游河道直线段长度不宜小于5 倍水闸进口处水面宽度。第二涌下游段水面宽度约100 m,故第二涌水闸宜建在距离与麻涌河汇入口至少约500 m之外,拟定在距河口约550 m处。

（2）水闸初始计算规模

水闸总净宽暂按与河道宽度相适应的标准考虑,参考其他地区经验,闸室总宽度与河道总宽度比值约0.6～0.75,第二涌下游段出口处河道宽度约100 m,总净宽与河道宽度比值取为0.60,水闸处总净宽为60 m。水闸底高按所处河涌底部高程确定,定为-3.0 m,闸排水头差0.1 m～0.3 m。

根据华阳第二涌上河道断面大小,暂定泵站流量设计为15 m3/s～25 m3/s。

3 水动力调控模型边界及参数

3.1 边界的选取

3.2.1 水文边界

参考国外（如日本）及国内（如上海）等有关水环境规划经验,本次研究采用河涌补水保证率为90%。根据麻涌镇近三十年降雨量资料进行频率分析,计算降雨保证率。根据计算结果,保证率90%相对应的年降雨量为1206.5 mm,2015 年降雨量为1206.5 mm,保证率约为89.58%,因此取2015 年为补水保证率为90%的设计典型年,并根据麻涌镇2015 年降雨量分配比（见表2）,以2、5 月份分别代表全年枯水和丰水月。引水调度主要是为解决枯水期水体循环慢、水环境差的问题,因此模型计算时段选取枯水月（2 月）。水位边界为大盛2015 年2 月逐时潮水位,各水闸外水位相位差通过珠江三角洲网河区大范围一维数学模型计算成果推出,并根据大盛水位推出各水闸外水位。

表2 多项式公式

3.2.2 水质边界

计算统一采用污染物总量控制指标COD、NH3-N作为污染物控制因子。

3.2 主要计算参数的确定

①糙率的确定

比较规整的断面,其河涌糙率取0.025,其余现状的天然土渠河涌,拟定河涌综合粗糙系数为0.030。

②空间及时间步长

程序计算中,断面间距范围约150 m～300 m,模型计算时间步长为1 min。

4 水动力调控方案计算分析

4.1 水体更新速率分析

水体更新速率为水体整体置换一次的时间,水体更新频率为一定时期内水体更新的次数,等于净引水量除以水体体积。水体更新速率分析分河西片区整体河网和局部示范区两部分,局部示范区范围为第二涌和麻涌河之间的河网区。

（1）现状（水闸全开）：现状地形下,考虑现状水利工程,现状各水闸全开,仅在达到警戒水位时关闸。研究区域总引水平均流量为1.05 m3/s,总进水量为252.64 万m3,整体河网水体更新速率为31.78 天/次,局部示范区水体更新速率为36.28 天/次。

（2）方案1（水闸定向）：现状地形下,考虑现状水利工程,沙洛涌、马滘、华阳第二涌、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、第五涌水闸均定向排水,达到实际关闸水位时关闸。研究区域总引水平均流量为29.9 m3/s,总进水量为7231.62 万m3,整体河网水体更新速率为1.12 天/次,局部示范区水体更新速率为1.04天/次。

（3）方案2（水闸定向,连通后涌和街前涌、第五涌和水干涌）：在方案1基础上,连通后涌和街前涌、第五涌和水干涌,研究区域总引水平均流量为30.4 m3/s,总进水量为7338.44万m3,整体河网水体更新速率为1.11 天/次,局部示范区水体更新速率为1.04 天/次。

（4）方案3（水闸定向,增加连通大基濠涌和滘刀涌）：

在方案2 基础上,增加连通大基濠涌和滘刀涌,研究区域总引水平均流量为30.4 m3/s,总进水量为7350.71 万m3,整体河网水体更新速率为1.12 天/次,局部示范区水体更新速率为0.99 天/次。

（5）方案4（水闸定向,河道整治）：

在方案3 基础上,对局部示范区相关河道进行整治,研究区域总引水平均流量为34.7 m3/s,总进水量为8380.14 万m3,整体河网水体更新速率为1.22 天/次,局部示范区水体更新速率为1.11 天/次。

（6）方案5（水闸定向,增加连涌滘刀涌和第二涌,改建第二涌水闸）：

在方案4基础上,考虑大盛口水闸定向引水,而滘刀涌水闸规模有限,增加连通大基濠涌和滘刀涌,引流部分水排入第二涌,第二涌水闸移至第二涌和麻涌河交汇处,并扩大水闸规模,增大示范区排水通道。研究区域总引水平均流量为40.1 m3/s,总进水量为9687.83 万m3,整体河网水体更新速率为1.04 天/次,局部示范区水体更新速率为0.81 天/次。

（7）方案6（水闸定向,在华阳第二涌水闸处设置引水泵站）：

在方案5 基础上,在华阳第二涌水闸处设置引水泵站,水闸关闭时,开启泵站,加快水体循环。研究区域总引水平均流量为50.4 m3/s,总进水量为12168.22 万m3,整体河网水体更新速率为0.83 天/次,局部示范区水体更新速率为0.75 天/次。

（8）方案7（水闸定向,四丫海涌水闸改引水为排水）：

在方案6 基础上,四丫海涌水闸改引水为排水,增加示范区排水通道,研究区域总引水平均流量为65.6 m3/s,总进水量为15842.24 万m3,整体河网水体更新速率为0.60 天/次,示范区水体更新速率为0.16 天/次。

4.2 河网整体水质分析

工程建设前在东江北干流上共设置了2 个监测断面,分别为东江北干流的麻涌镇与中堂镇交界的沙丁围断面和下游的东江铁路大桥断面。入境的沙定围断面水质现状为劣Ⅴ类,主要污染指标为总氮、氨氮和COD,超标倍数分别为2.36、0.26、0.50；出境的东江铁路大桥断面水质现状为劣Ⅴ类,主要污染指标同为总氮、氨氮和COD,超标倍数为2.89、0.66、0.44。经过水动力方案的实施,从2020 年度水质监测数据可以看出,东江北干流水质良好,基本能稳定达到Ⅲ类,经过多年治理,麻涌镇内河涌水质也有了明显改善。

5 结论

为了改善水动力条件,恢复河道生态环境,采用MIKE11模型分析了7 种方案在工程区水动力调节中的应用效果。模拟结果表明：方案1～方案3,增加河网水系连通性,整体和示范区水体更新速率不断加快。方案4～方案6,通过采取河道治理、新建泵站等措施,增大了整体和示范区的引水量、水体体积。方案7 在方案6 的基础上将四丫海涌水闸改引水为排水,增加示范区排水通道,整体河网水体更新速率为0.60天/次,示范区水体更新速率为0.16 天/次,与方案6 相比,引水量、水体体积均增加30%。根据各方案的对比,方案7对研究区域水体更新速率、河网水质改善效果最优。