基于水动力数学模型的中顺大围群闸联动调度模拟研究

王 妍,卢真建

(1.中山市堤围管理中心 ，广东 中山 528400；(2.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 概述

中顺大围位于珠江三角洲河网区南部，属珠江三角洲重要的五大堤围之一[1]，内有岐江河、凫洲河、中部排水渠至狮滘河等平原区河道，麻子涌等山区溪流、沟渠140条，长度为878.2 km。岐江河横贯中山市中部，向东北经港口、火炬区从东河水利枢纽处汇入横门水道，向西南经南区、板芙从西河水闸处汇入磨刀门水道，河长为39 km，平均河宽为150 m，低潮时水深为2～3 m，属典型的感潮河网区，河流流向往复不定水流，围内河流河床均比较浅、河道比较窄。

由于中顺大围围内属感潮网河区[2-3]，水闸调度状况复杂，本文通过建立一维水动力数学模型，对比计算中顺大围围内不同水闸调度状态下的河涌平均流量及水体更换时间，为中顺大围水闸调度提供支撑。

2 数学模型的建立

2.1 珠江三角洲网河一维模型

珠江三角洲是复杂河网地区，汊道多，互相连通，某一水道的水位或流量的改变将导致其他河道水位或分流比的变化，牵一发而动全身。只有采用整体的珠江三角洲河网水动力模型，才能反映工程前后水位、流速和流量等变化[4-5]。

模型采用1998—1999年实测河道地形图，包括东江博罗、新家埔、流溪河、老鸦岗、北江三水、西江马口、灯笼、小榄、南头和潭江的石咀以下至河口，在西江干流高明段则采用2010年测量的河道地形图加密断面。概化出计算河段217条，共布置759个断面，平均约2 km布置1断面，对于项目所在河段加密断面力求反映方案间的差异，一维计算域示意见图1。

图1 珠江三角洲一维模型计算域示意

2.2 中顺大围河涌概化一维模型

为模拟中顺大围主要河涌凫洲河、横琴海、中部排水渠、狮滘河以及岐江河河道受洪潮影响的水动力变化情况，将以上河道概化成一维模型嵌套入珠江三角洲大模型中联合求解(见图2)[6-7]。

图2 中顺大围主要河涌一维模型示意

2.3 模型率定

考虑地形及水文资料的实际条件，选取丰﹑平﹑枯3种典型代表水文条件对珠江三角洲一维数学模型进行率定和验证计算。采用同步水文资料(1999年7月，平水年)的部分系列进行模型的率定计算，同时结合枯水代表年(2005年1月)、丰水代表年(1998年6月)进行模型的验证计算。

率定结果见图3～5所示，模型计算结果与实测基本吻合，模型可反映实际情况。

图3 “99.7”中水各测站水位流量率定结果示意

图4 “98.6”大水各测站水位流量验证结果示意

图5 “05.1”枯水各测站水位流量验证结果示意

2.4 水文组次的选取

由于洪水大潮的水文条件下，外江水位高于开关闸控制水位，内河涌均关闸防洪，不利于比较水体更换时间，因此本文中顺大围水闸调度计算选取平﹑枯两种典型代表水文条件对模型进行计算。

1)中水大潮水文条件

采用1999年7月7日7:00—7月10日7:00珠江三角洲网河64个大断面的同步水位(潮位)、流量测验资料。

2)枯水大潮水文条件

采用2005年1月21日23:00—1月24日23:00珠江三角洲网河逐时水位(潮位)测验资料及流量资料。

2.5 计算范围的选取

本次模型计算范围为中顺大围岐江河片区，并将凫洲河、横琴海、拱北河、中部排灌渠及狮滘河作为一级河道进行计算，与岐江河的更换涌容按河涌水位1 m以下对应涌容来计算。

本次模型选取水闸主要有凫洲水闸、东河水闸、西河水闸，其中凫洲水闸位于岐江河北端，总净宽为24 m，设计过闸流量为130 m3/s；东河水闸位于岐江河东端与横门水道交界处，总净宽为150 m，设计过闸流量为1 020 m3/s，将水排向横门水道。西河水闸位于岐江河西端与西江水道交界处，总净宽为 150 m，最大过闸流量为1 414 m3/s，将水排向磨刀门水道。

3 计算工况的确定

3.1 内河涌控制水位

河涌控制水位对排涝及水环境均有影响，设置太高不利于排涝，设置太低又减少了河涌环境水生态涌容[8]。经过模型比较，河涌最低控制水位下降到0 m(珠基，下同)，有利于增加河涌与外江水体交换容量，再调低最低控制水位对加快河涌水体交换的贡献不明显。因此，本次研究将内河涌最低控制水位定为0 m及0.5 m两种不同工况，最高控制水位分别为1.5 m以及1.8 m等4种组合进行分析计算。

3.2 闸门调度工况

本次研究设计天然河道状态、双向引排水闸调度及西引东排3种调度工况。

1)天然河道状态

即凫洲水闸、西河水闸、东河水闸全时段全开启。

2)双向引排水闸调度原则

凫洲水闸、西河水闸、东河水闸按照内外水位差控制开闸、关闸，当闸外水位高于闸内河涌水位，且闸外水位未超过防洪水位，河涌内水位未超过最高低于闸内水位，并且闸内河涌水位不低于最低控制水位时，闸门全开，河涌水体由内河涌排入外江；其他情况控制水位时[9-11]，3水闸闸门全开，引外江水入内河涌；其他水位情况均关闸。

3)西引东排闸调度原则

凫洲水闸、西河水闸定向引水，东河水闸定向排水，当凫洲水闸、西河水闸的闸外水位高于闸内河涌水位，并且闸外水位低于防洪水位，河涌水位未超过最高控制水位时，水闸全开引外江水入河涌，其余情况关闸；当东河水闸的闸外水位低于闸内河涌水位，并且河涌水位不低于最低控制水位时，东河水闸全开，定向排水到外江，其余情况均关闸。

4 方案计算结果分析

不同闸门调度方式下，对凫洲河—狮滘河河段及岐江河河涌平均流量水体更新速度、河涌控制水位进行比较。

4.1 枯水大潮“05.1”水文条件下计算结果

对于天然河道的工况，凫洲河—狮滘河河段平均流量为0.31 m3/s，水体更换1次的时间达469.11 d，水体流向总体上从凫洲河流入狮滘河方向，但来回振荡，以致流量非常小；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为30.93 m3/s，水体更换1次需4.06 d，水体流向从东往西；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为11.95 m3/s，水体更换1次需11.64 d，水体流向是从东往西。

对于双向引排的工况，当河涌最低控制水位为0 m，最高控制水位为1.5 m时，凫洲河—狮滘河河段平均流量为1.74 m3/s，水体更换1次的时间达84.09 d，水体流向总体上从狮滘河流向凫洲河的方向；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为22.28 m3/s，水体更换1次需5.63 d，水体流向从东往西；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为7.15 m3/s，水体更换1次需19.45 d，水体流向是从东往西。

对于西引东排的工况，凫洲河—狮滘河河段平均流量为13.18 m3/s，水体更换1次的时间为11.1 d，水体流向总体上从凫洲河流向狮滘河的方向；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为41.74 m3/s，水体更换1次需3.01 d，水体流向从西往东；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为33.01 m3/s，水体更换1次需4.22 d，水体流向是从西往东。

枯水时不同控制水位条件下水体交换时间如图6所示。

4.2 中水大潮“99.7”的水文条件下计算结果

对于天然河道的工况，凫洲河—狮滘河河段平均流量为149.28 m3/s，水体更换1次的时间为0.98 d，水体流向从凫洲河流入狮滘河方向；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为186.66 m3/s，水体更换1次需0.67 d，水体流向从西往东；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为45.65 m3/s，水体更换一次需3.05 d，水体流向是从东往西，即外江水从凫洲河入流后流入狮滘河与岐江河汊口后再向岐江河两边分流，分别在东西两侧流出外江。

对于双向引排的工况，当河涌控制水位在0～1.5 m时，凫洲河—狮滘河河段平均流量为88.82 m3/s，水体更换1次的时间要1.65 d，水体流向从凫洲河流向狮滘河的方向；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为37.89 m3/s，水体更换1次需3.31 d，水体流向从西往东；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为40.41 m3/s，水体更换1次需3.44 d，水体流向是从东往西，即外江水从凫洲河入流后流入狮滘河与岐江河汊口后再向岐江河两边分流，分别在东西两侧流出外江。

对于西引东排的工况，凫洲河—狮滘河河段平均流量为90.87 m3/s，水体更换1次的时间需1.61 d，水体流向从凫洲河流向狮滘河的方向；岐江河东河水闸—狮滘河分汊段平均流量为111.06 m3/s，水体更换1次仅需1.13 d，水体流向从西往东；岐江河狮滘河分汊—西河水闸段平均流量为27.89 m3/s，水体更换1次需4.99 d，水体流向是从西往东。

中水时不同控制水位条件下水体交换时间如图7所示。

4.3 结果分析

4.3.1不同闸门控制方式的影响

在遭遇枯水大潮的时候，对于不同的河涌控制水位的情况，天然河道、双向引排与西引东排三种不同控制方式，对河涌平均流量与水体更换时间的变化规律基本是一致的，由于上游径流与下游潮水相互作用，天然河道水体来回往复流动，形成一潭死水，水体基本上难以更换；双向引排的调度方式，虽然能在一定程度上缩短河涌水体更换时间，但总体而言，水体更换的时间还是比较长；西引东排的调度方式则能更大程度上缩短水体更换时间，更有利于河流之间的水体交换[12]，是3种工况下中水体更换时间最短的。

在遭遇中水大潮的时候，对于不同的河涌控制水位的情况，由于强径流原因，天然河道、双向引排与西引东排3种不同控制方式，河涌中水体更换时间差不多，而且都有大幅度的缩短，最长不超过8 d。虽然西引东排的水体更换时候并非3种工况中最短的，但通过调节河涌最低、最高控制水位可加快水体更换时间，分析结果表明将河涌控制水位调整为0～1.5 m或0～1.8 m时，西引东排的闸门调度方式河涌水体更换时间均不超过5 d。

4.3.2不同河涌控制水位的影响

河涌最低、最高控制水位的设置关乎河涌纳污及河涌防洪排涝，最低控制水位定得越低，最高控制水位定得越高，可利用的纳污涌容越大，引入的外江清水越多，水体更新的速度越快，但最低水位越低，则在枯水期可能因引水不足造成河涌水少，不利于水体交换，最高水位越高，造成的排涝压力也越大。通过计算表明，河涌最低控制水位从0.5 m下降到0 m，水体更新速度增加明显，河涌最高控制水位从1.5 m提高到1.8 m，水体更新的速度增加不明显，最高控制水位设置太高对防洪排涝造成压力，所以将最低控制水位0 m，最高控制水位为1.5 m时，综合考虑最优。

5 结语

本文选取了3条河段、4组水位组合，建立水动力数学模型对中顺大围岐江河片区开展计算，分析了凫洲水闸、西河水闸、东河水闸在不同闸门控制方案下河道水体流量及更换时间，得出结论如下：无论是遭遇枯水大潮还是中水大潮，中顺大围水闸采用西引东排的方案，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，可使水体更换时间控制在12 d之内，在中水大潮时水体更换时间可缩短至0.96 d，能够可在引入西江水质较优的水同时，迅速改善内河涌水质。