基于水动力模型的大洲围河网水体交换过程研究

2023-11-11梁锦钊

陕西水利 2023年11期

梁锦钊

（东莞市万江水务工程运营中心,广东东莞 523050）

平原河网水流流速缓,流量偏小,致使大量沉积物淤积在河床,降低水流动力,同时底泥中氮、磷和重金属等污染物含量较高,严重威胁着水环境[1]。“引淡冲污”作为改善平原河网水污染的重要手段,是一种经济可行的方法[2]。大洲围内河涌由于河床浅,河网流向复杂,难以流动交换,淤泥沉积深,特别是在关闸期间和秋冬季节,水环境容量变小,内河涌容易发黑、发臭。为了提高排涝能力,改善万江区水环境,同时充分发挥水利工程的整体作用,提高水利管理的现代化水平,研究大洲围内河涌水动力特性是十分必要的。

1 水动力数学模型研究

1.1 控制方程

河网水动力模型采用描述一维非恒定流运动的圣维南方程组,其控制方程为：

式中：x、t 分别为距离和时间的坐标；A 为过水断面面积；Q 为流量；h 为水位；q 为旁侧入流流量；C 为谢才系数；R为水力半径；为动量校正系数；g 为重力加速度。

河网水质模型的控制方程为物质输运方程：

式中：C 为物质浓度,mg/L；D 为纵向扩散系数,m2/s；C2为源/汇浓度,mg/L；K 为线性衰减系数,1/d。

模型利用Abbott 六点隐式格式离散上述控制方程组,该离散格式在每一个网格点不同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,分别称为h 点和Q 点。该格式无条件稳定,可以在相当大的Courant 数下保持计算稳定,节省计算时间。该模型还可根据不同地区的水流条件调整差分计算模式,以描述超临界水流条件及亚临界水流。水闸等水工构筑物处,根据其水力学特征作特殊处理。

1.2 水体交换指标

为建立水体交换指标,引入换水率的概念。设内河涌水体初始浓度场为C（r,l,t0）,瞬时浓度场为C（r,l,t）,则内河涌不同里程的断面在t 时刻被外江水体置换的比率R（r,l,t）,即换水率为：

式中：r 为内河涌；l 为内河涌特定位置里程标示；t0为初始时刻。

由于内河涌,则：

为丰富和完善水体交换评价指标体系,进一步引入换水周期的概念。定义河网特定位置浓度降为初始值一半（即50%）时的交换时间为半换水周期；定义河网特定位置浓度降为初始值25%时的交换时间为75%换水周期。

从上述定义可以看出,水体交换模型是在一维河网水流、水质模型的基础上,模拟水流运动、物质输运的物理过程,可用以研究和分析河网任意计算断面、任意时刻的水体交换情况,据此可对引水补水方案做出评判和优化。

1.3 模型范围

模型考虑纳潮运行时内河涌污水在内河涌与外江反复交换的影响,因此,数学模型计算范围包括大洲围内主要的11条河涌,分别为北中心涌、南中心涌、横一涌、横二涌、横三涌、横四涌、横五涌、石美涌一、石美涌二、老虎滘涌、油九涌。模型中内河涌上共布置了148个计算断面,断面间距约100 m。

1.4 生态补水思路及水流流向

大洲围生态补水思路为涨潮期由黄粘洲水闸、石美水闸开闸引水,落潮期由高基水闸、蓬庙水闸、油久水闸、老虎滘闸站排水。因此大洲围各水闸水环境调度规则为：（1）当外江水位高于内河涌水位时,黄粘洲水闸、石美水闸开闸引水；（2）当外江水位低于内河涌水位时,开闸排水。

2 水体交换能力分析

2.1 现状水体交换能力

为摸清大洲围内河涌现状水体交换能力,对内河涌预排水位为1.24 m 的水体交换情况进行模拟和分析,外江潮汐过程考虑中潮过程。计算工况见表1。

表1 现状水体交换计算工况

计算得出现状条件下大洲围内河涌预排水位为1.24 m,外江遭遇中潮过程时,经过一天换水后内河涌的换水率分布见图1。可见,现状条件下,内河涌初始水位为1.24 m 时,中潮期调水一天后,北中心涌、南中心涌、横二涌、横四涌及老虎滘涌换水效果较好,平均换水率在80%以上。横一涌、横三涌、横五涌、油九涌的换水率一般,换水率在49%～76%之间。

图1 现状条件下调水1 天后内河涌换水率分布

2.2 清淤清障后水体交换能力

初步分析,制约大洲围现状内河涌水体交换的因素主要为河道淤积。为此,考虑对内河涌进行整治,采取工程措施对内河涌进行清淤、清障,以提高内河涌的水流动力条件,加快内河涌的水体交换,达到改善水环境的目的。计算清淤清障后经过一天换水后内河涌的换水率分布见图2。

图2 清淤清障后调水1 天后内河涌换水率

计算结果显示,清淤、清障工程实施后,大洲围内河涌的水体交换能力得到明显改善,除了横一涌、横五涌、油九涌及北中心涌段水体交换效果稍差外,其余各河涌水体交换效果良好,经过换水一天后,水体交换率在80%以上。

2.3 拓宽河道后水体交换能力

在清淤、清障基础上,对水动力条件较差的横一涌局部拓宽,按矩形断面考虑,据计算分析,横一涌最小控制河宽4.0 m,本次计算按将河宽不足4.0 m 河段拓宽至4.0 m,其余河涌按现状河宽考虑。拓宽河道后,经过一天换水后内河涌的换水率分布见图3。横一涌扩宽后,横一涌的水体交换能力得到增强,经过一天换水后,横涌横一涌的水体交换率达到80%以上。

图3 拓宽河道后调水1 天后内河涌换水率

图4～图5 为外江遭遇大潮、小潮时,大洲围实施清淤、清障及横一涌局部拓宽,经过一天换水后内河涌的换水率分布图。比较图4、图5 可见,大洲围实施清淤、清障及横一涌局部扩宽后,内河涌总体换水效果与外江潮汐密切相关,遭遇大潮时换水效果最好,中潮期次之,小潮期最差。

图4 拓宽河道调水1 天内河涌换水率（大潮）

图5 拓宽河道调水1 天内河涌换水率（小潮）

2.4 内河涌换水率统计

大洲围实施清淤、清障及横一涌局部扩宽后,内河涌预排水位分别为1.24 m 和0.94 m 条件下,外江遭遇大、中、小潮时,经过1 天换水后内河涌的平均换水率统计见表2。

表2 不同预排水位下换水率计算成果统计表

分析表2 可以得出不同的内河涌初始水位,不同的外江潮汐条件下,经过1 天调水换水后的内河涌换水率规律。外江潮汐相同条件下,内河涌初始水位越低,换水率越高；内河涌初始水位相同条件下,大潮期的内河涌换水率最高,小潮期的内河涌换水率最低,中潮期的内河涌换水率介于大潮期和小潮期之间；相同的内河涌初始水位和外江潮型条件下,南中心涌、北中心涌、石美涌一、石美涌二、横一涌、横二涌、横三涌、横四涌的换水率相对较高,横五涌、油九涌、老虎滘涌的换水率相对较低。