临桂新区防洪排涝及湖塘水系工程闸坝联合调度研究

冯娟 湖南建工集团有限公司

1.临桂水系连通工程现状分析

1.1 区域水系现状

桂林市临桂新区防洪排涝及湖塘水系工程（以下称“临桂水系工程”）是一个典型的城市水系河湖连通工程，设计河道全长约20.5 km，用地面积62.7km2，水域面积1.64 km2。工程以桂林市临桂新区为核心，将区内原有三条河道进行扩宽连通，形成三个带状水域和一个中心环形水域，结合同步建设的四座闸坝，实现城市防洪排涝及城市景观的功能。其中，以中心环形水域为核心打造的水系景观与桂林市著名的“两江四湖”工程相对应，将开通游船旅游路线。

根据工程实施及运行情况，水系工程已基本形成完整的水面景观，结合周边园林工程以及夜景灯光工程的建设，工程完工后将大大提升周边居民生活居住环境。水系工程自2016年河道基本连通后，水系周边多个自然村以往雨季内涝的情形再未出现，初步达到了工程建设的目的。但水系河湖连通工程运行后，由于河道加宽，特别是工程规划的上游补水方案的取消，枯水季节水系河道出现严重供水不足情况，河道水流流速缓慢甚至停滞。加之城区截污工程尚未开始，城市污水直排河道，致使河道内水体浑浊，富营养化严重，部分河段水葫芦疯长，严重影响了水系景观面貌，也将对中心区水系后续通航旅游项目造成不利后果。因此，在水系后续附属工程未全面投入使用之前，现有河段特别是即将通航的中心环形水域河道水体亟待治理。

1.2 环形水系连通及水体污染情况分析

临桂新区水系内设中心环行水域、沙塘河水域、蔡塘河水域、兰塘河水域4个水域，水域面积1.64km²，河道总长约21.4km，设置4个壅水坝，其中中心环形水域设为水系景观工程游船游览线路，水道轴线总长约14.67km。

如图1，中心区各河道现状运行情况如下。

图1 中心区各河道现状运行情况

①沙塘河水域全长约2.6 km，水面宽度14～40 m，水域面积35.63万m²，沙塘河沿线两侧存在8处居民污水排放点。下游小太平河河道水质较差，基本为黄色不透明水体。2019年中心环形水域（153.5m）游船试运行期间，船只通行过程中河床有黑色淤泥泛起，气味较大。河道下游水面较宽处，中心航道外侧浅水区均有水葫芦疯长，岛屿外侧支流基本已被水葫芦全部侵占。河道内水流流动除闸坝闸门处有水流动外，其他区域水面基本静止。

②蔡塘河水域全长约3.3km，水面宽度15～208m，水域面积12.88万m²。蔡塘河沿线居民区较少，庄里钢闸坝以上河道有3处生活污水排污口。

③兰塘河水域全长约3.5km，设计水面宽度40～80m，水域面积12.88万m2。河道沿线有2个生活污水排污口，兰塘河补水渠有1个生活污水排水口。

④中心环形水域。中心环形水域位于兰塘钢闸坝、庄里钢闸坝及岩塘钢闸坝下游，大皇山闸坝上游，在蔡塘河及兰塘河水域下游开挖连通水道，形成环状水域。该水域是临桂新区规划核心发展区域，两岸沿线居民区、办公区分布密集，由于水系周边截污工程目前尚未实施，沿线居民生活污水约60处直排河道内。中心环形水域除汛期暴雨期间需要大皇山闸坝开闸泄水外，其他时间闸坝处于关闭状态；同时上游来水较小，水域各河道水流速度极慢，难以达到原设计换水周期。

2.闸坝联合调度线性优化与计算

2.1 基于水位调控的闸坝联合调度方案

以第一级三座闸坝上游正常水位时至全部放空库容，大皇山闸坝可开闸时间，作为限制条件建立模型，分别在各闸坝不同闸门开度的情况下，计算中心环形水域各河道内水流流速，选取最优流速组合，从而确定闸坝联合调度方案。

根据本工程岸线实测资料，目前上游三座闸坝以上河道及中心环形水域河道水面面积统计如表1。

表1 闸坝上游河道水域面积统计表

由于闸坝调度时间跨度为22：00至次日8：00，共计10小时，大皇山坝址以上集水面积为38.9km2，考虑流域内蒸发、渗漏损失，得出流域地表水多年平均流量为0.123m3/s，可得到上游三座闸坝河道枯水期该时段补水量为1549.76m³，占上游河道库容总量3‰，对库容影响极小，闸坝调度过程中仅考虑上游河道净库容水量在闸坝运行过程中泄水。

2.2 闸坝泄水计算

由于枯水期补水流量在闸坝调度时间段内，对库容影响极小，故而在闸坝闸门运行过程中，仅考虑常水位下河道净库容泄水。闸坝泄水计算采用闸孔出流基本公式，本工程四座闸坝闸底坎均为宽顶堰形式，闸门形式为露顶式平板闸门。

本此闸坝泄流的计算任务为：在一定闸前全水头H0下，计算不同闸门开度e时的闸坝泄流量。

根据本工程设计闸坝设计纵断面（图2），闸后出流为非淹没出流，可知闸坝泄流流量公式为：

图2 闸坝纵断面图

式中：Q—过坝流量，m3／s；

B—溢流宽度，m；

H0—计入行近流速水头的堰顶水头，m；

m，σ，ε—分别为流量系数、淹没系数和侧收缩系数。

同时，平板闸门的闸孔出流流量系数m值可按照以下经验公式计算：

式中：P1—堰顶高度；

如前文所述，由于闸坝上游忽略调度期间内补水量影响，仅为河道净库容通过水头差泄水，随着闸门泄水的影响，上游河道内水位逐渐下降，闸坝泄流量同样发生变化，假定水位下降dH时，此时闸坝泄流量 ′Q与上游水位有如下关系：

把微分方程写成差分方程，即认为在有限长的计算河段内，水能要素呈线性变化，则水位降低ΔH后：

同时，ΔH水位降低所需时间：

式中：

S—闸坝上游河道水面面积；

— tΔ时间内闸坝平均泄流量。

图3 岩塘坝水位与泄水间隔时间关系图

式 中：Δti—水位下 降 第i次ΔH 时，水位降低ΔH所需时间，i=1.2.3..n

则闸坝总泄水时间：

由此可得闸坝由常水位降低至限制水位过程中平均泄流量：

根据上述分析，取ΔH=0.05m计算闸坝泄流时间。

由于三座闸坝放水时流量参数仅水域面积有区别，根据式（6）、（8）可知，水域面积与时间间隔为线性关系，故兰塘坝与庄里坝泄流时间趋势应与岩塘坝相同。同时，由于两座闸坝为并联关系，共用闸坝以上库容，两座闸坝分别泄水与同时泄水仅溢流宽度不同Δt由式（1）可知，溢流宽度B与泄水流量Q同样为线性关系。因此，分别泄水时间应为同时泄水时间的2倍。

2.3 闸坝上游河道限制水位分析

由计算可得知，随着闸前水位前期水位下降较快，后期逐渐降低并趋于稳定，即闸坝泄水时间Δt间隔逐渐增大。

由上图中可以看出，当闸前水位降至154.2m后，泄水间隔时间明显延长。因此，闸坝调度时将最低限制水位维持在154.2m，仅利用闸前水位在154.2m～155m泄水效率最高范围作为调度用水。

2.4 闸坝联合调度的推荐方案分析

2.4.1 闸坝泄流时间分析

经计算可以得出，岩塘坝水位由155m降至限制水位154.2m累计用时21.22min（0.35h）；兰塘坝和庄里坝单独运行时水位由155m降至限制水位154.2m累计用时183.74min(3.06h)；经分析，两座闸坝同时运行时时间为单座闸坝运行时间的1/2，累计用时91.87min(1.53h)。

2.4.2 闸坝联合调度组合分析

本项目共有四座闸坝，为提高游船通航保证率，大皇山闸坝泄流量应当与上游三座闸坝泄流总量相同，上游闸坝放水后需在保证上游河道水面景观不完全消失的情况下，尽可能改善中心环形水域内水流条件。一般情况下，主要存在以下几种闸坝调度组合情形，见表2。

表2 一般情况下闸坝调度组合类型表

根据不同组合类型，由式（8）计算相应闸坝泄流期间平均泄水流量。可得，当水位由155m降低至154.2m过程中，三座闸坝泄水平均流量均为25.76m³/s。但由于岩塘坝与其它两座闸坝组合形式不同，其它两座闸坝泄水平均流量分开计算，即类型1情况下，岩塘坝泄水时间段内兰塘坝与庄里坝同时泄水平均流量为66.95m³/s，单座闸坝泄水时平均流量为41.34m³/s；岩塘坝关闭后两座闸坝同时泄水平均流量为30.47m³/s，单座闸坝泄水时平均流量为19.92m³/s。类型3情况下，岩塘坝开启前兰塘坝与庄里坝同时泄水平均流量为73.56m³/s，单座闸坝泄水时平均流量为29.85m³/s；岩塘坝泄水时间段内，两座闸坝泄水平均流量为34.36m³/s，单座闸坝泄水时平均流量为13.15m³/s。

2.4.3 闸坝联合调度的水动力数值模拟

为进一步分析闸坝调度对中心环形水域河道水流状况的改善作用，采用数值计算软件MIKE21针对不同闸坝组合的泄水情况在闸坝运行时间内对河道水流进行数值模拟。中心环形水域河道模型范围是以上游三座闸坝开始至下游大皇山闸坝截止。

此次研究根据水流域地形特点划分网格，对研究区域地形采用非结构三角形网格，最大控制网格边界为5m；河道以外的区域采用边长较大的三角形网格，最大控制网格边界为10m，最小角度为40°，地形文件共有261305个节点和519898个网格。网格根据地形数据进行插值计算，对网格进行局部分析调整，以便更加接近实际河道地形。

经模拟计算，闸坝联合调度方案采用先同时开启上游三座闸坝，当岩塘坝泄水至限制水位后，关闭岩塘坝，此时泄水时间为21.22 min。之后保持开启兰塘坝及庄里坝泄水至限制水位。兰塘坝及庄里坝总泄水时间为1.53 h。

3.结语

通过对临桂水系四闸联合调度分析研究得到以下结论：

（1）临桂水系项目设计采用了四座闸坝进行水面调控，形成两级水面景观及下游整治水面，具备了较天然的物理调节条件。通过对四座闸坝的运行采用合理的方式进行联合调度即可实现核心河道水体水质改善的目的，四闸联合调度的水体治理措施为非工程措施，该措施具备极大的经济性及实用价值。

（2）根据对临桂水系工程对现有河道及闸坝上游库容的数据收集，运用露顶式底轴翻板闸门的特点，采用溢流堰计算方法获得闸坝放水阶段流量与泄水时间的关系，并根据工程景观需求，确定闸坝调度上游河道最优限制水位154.2 m。

（3）根据闸坝泄水的流量初始条件利用数值分析软件对不同组合方案下河道水流情况进行了数值模拟，判断闸坝调度的最优组合为闸坝联合调度方案采用先同时开启上游三座闸坝，当岩塘坝泄水至限制水位后，关闭岩塘坝，此时泄水时间为21.22 min。之后保持开启兰塘坝及庄里坝泄水至限制水位，整个联合调度总泄水时间为1.53 h。

本文所研究的临桂水系四闸联合调度存在很多理想情况，而事实上，水系工程尚有大量不确定因素存在，包括现在正在进行的临桂新区建设，大量工程的建设都沿河道进行，特别是现有上游河道沿线也开始进行土地开发，加之现有桂林市城市污水管道改造尚未完成，新建项目排污也大量直排河道，极有可能造成上游水体恶化更快，与本文的研究结果存在更大偏差。因此，水系工程在补水工程未全面完成过程中的水体污染治理需要更深入的研究。

大型河道闸坝调度及河流水系大坝梯级调度目前已经研究较多且技术较为成熟，但研究投入较高，针对性较强。相对而言，城市河湖连通水系工程规模较小，目前尚无系统性研究，并且由于大量水系在设计阶段仅将水污染治理作为附加项进行考虑，在工程实施之初即存在缺陷，但由于城市河湖连通水系位于城市中心，与人们对水资源水环境的需求息息相关，公众要求往往更高。因此，进一步开发城市河湖连通水系调度系统是今后研究的重要方向之一。