馮娟 湖南建工集團(tuán)有限公司

1.臨桂水系連通工程現(xiàn)狀分析

1.1 區(qū)域水系現(xiàn)狀

桂林市臨桂新區(qū)防洪排澇及湖塘水系工程（以下稱“臨桂水系工程”）是一個(gè)典型的城市水系河湖連通工程，設(shè)計(jì)河道全長約20.5 km，用地面積62.7km2，水域面積1.64 km2。工程以桂林市臨桂新區(qū)為核心，將區(qū)內(nèi)原有三條河道進(jìn)行擴(kuò)寬連通，形成三個(gè)帶狀水域和一個(gè)中心環(huán)形水域，結(jié)合同步建設(shè)的四座閘壩，實(shí)現(xiàn)城市防洪排澇及城市景觀的功能。其中，以中心環(huán)形水域?yàn)楹诵拇蛟斓乃稻坝^與桂林市著名的“兩江四湖”工程相對(duì)應(yīng)，將開通游船旅游路線。

根據(jù)工程實(shí)施及運(yùn)行情況，水系工程已基本形成完整的水面景觀，結(jié)合周邊園林工程以及夜景燈光工程的建設(shè)，工程完工后將大大提升周邊居民生活居住環(huán)境。水系工程自2016年河道基本連通后，水系周邊多個(gè)自然村以往雨季內(nèi)澇的情形再未出現(xiàn)，初步達(dá)到了工程建設(shè)的目的。但水系河湖連通工程運(yùn)行后，由于河道加寬，特別是工程規(guī)劃的上游補(bǔ)水方案的取消，枯水季節(jié)水系河道出現(xiàn)嚴(yán)重供水不足情況，河道水流流速緩慢甚至停滯。加之城區(qū)截污工程尚未開始，城市污水直排河道，致使河道內(nèi)水體渾濁，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，部分河段水葫蘆瘋長，嚴(yán)重影響了水系景觀面貌，也將對(duì)中心區(qū)水系后續(xù)通航旅游項(xiàng)目造成不利后果。因此，在水系后續(xù)附屬工程未全面投入使用之前，現(xiàn)有河段特別是即將通航的中心環(huán)形水域河道水體亟待治理。

1.2 環(huán)形水系連通及水體污染情況分析

臨桂新區(qū)水系內(nèi)設(shè)中心環(huán)行水域、沙塘河水域、蔡塘河水域、蘭塘河水域4個(gè)水域，水域面積1.64km2，河道總長約21.4km，設(shè)置4個(gè)壅水壩，其中中心環(huán)形水域設(shè)為水系景觀工程游船游覽線路，水道軸線總長約14.67km。

如圖1，中心區(qū)各河道現(xiàn)狀運(yùn)行情況如下。

圖1 中心區(qū)各河道現(xiàn)狀運(yùn)行情況

①沙塘河水域全長約2.6 km，水面寬度14～40 m，水域面積35.63萬m2，沙塘河沿線兩側(cè)存在8處居民污水排放點(diǎn)。下游小太平河河道水質(zhì)較差，基本為黃色不透明水體。2019年中心環(huán)形水域（153.5m）游船試運(yùn)行期間，船只通行過程中河床有黑色淤泥泛起，氣味較大。河道下游水面較寬處，中心航道外側(cè)淺水區(qū)均有水葫蘆瘋長，島嶼外側(cè)支流基本已被水葫蘆全部侵占。河道內(nèi)水流流動(dòng)除閘壩閘門處有水流動(dòng)外，其他區(qū)域水面基本靜止。

②蔡塘河水域全長約3.3km，水面寬度15～208m，水域面積12.88萬m2。蔡塘河沿線居民區(qū)較少，莊里鋼閘壩以上河道有3處生活污水排污口。

③蘭塘河水域全長約3.5km，設(shè)計(jì)水面寬度40～80m，水域面積12.88萬m2。河道沿線有2個(gè)生活污水排污口，蘭塘河補(bǔ)水渠有1個(gè)生活污水排水口。

④中心環(huán)形水域。中心環(huán)形水域位于蘭塘鋼閘壩、莊里鋼閘壩及巖塘鋼閘壩下游，大皇山閘壩上游，在蔡塘河及蘭塘河水域下游開挖連通水道，形成環(huán)狀水域。該水域是臨桂新區(qū)規(guī)劃核心發(fā)展區(qū)域，兩岸沿線居民區(qū)、辦公區(qū)分布密集，由于水系周邊截污工程目前尚未實(shí)施，沿線居民生活污水約60處直排河道內(nèi)。中心環(huán)形水域除汛期暴雨期間需要大皇山閘壩開閘泄水外，其他時(shí)間閘壩處于關(guān)閉狀態(tài)；同時(shí)上游來水較小，水域各河道水流速度極慢，難以達(dá)到原設(shè)計(jì)換水周期。

2.閘壩聯(lián)合調(diào)度線性優(yōu)化與計(jì)算

2.1 基于水位調(diào)控的閘壩聯(lián)合調(diào)度方案

以第一級(jí)三座閘壩上游正常水位時(shí)至全部放空庫容，大皇山閘壩可開閘時(shí)間，作為限制條件建立模型，分別在各閘壩不同閘門開度的情況下，計(jì)算中心環(huán)形水域各河道內(nèi)水流流速，選取最優(yōu)流速組合，從而確定閘壩聯(lián)合調(diào)度方案。

根據(jù)本工程岸線實(shí)測資料，目前上游三座閘壩以上河道及中心環(huán)形水域河道水面面積統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 閘壩上游河道水域面積統(tǒng)計(jì)表

由于閘壩調(diào)度時(shí)間跨度為22：00至次日8：00，共計(jì)10小時(shí)，大皇山壩址以上集水面積為38.9km2，考慮流域內(nèi)蒸發(fā)、滲漏損失，得出流域地表水多年平均流量為0.123m3/s，可得到上游三座閘壩河道枯水期該時(shí)段補(bǔ)水量為1549.76m3，占上游河道庫容總量3‰，對(duì)庫容影響極小，閘壩調(diào)度過程中僅考慮上游河道凈庫容水量在閘壩運(yùn)行過程中泄水。

2.2 閘壩泄水計(jì)算

由于枯水期補(bǔ)水流量在閘壩調(diào)度時(shí)間段內(nèi)，對(duì)庫容影響極小，故而在閘壩閘門運(yùn)行過程中，僅考慮常水位下河道凈庫容泄水。閘壩泄水計(jì)算采用閘孔出流基本公式，本工程四座閘壩閘底坎均為寬頂堰形式，閘門形式為露頂式平板閘門。

本此閘壩泄流的計(jì)算任務(wù)為：在一定閘前全水頭H0下，計(jì)算不同閘門開度e時(shí)的閘壩泄流量。

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)閘壩設(shè)計(jì)縱斷面（圖2），閘后出流為非淹沒出流，可知閘壩泄流流量公式為：

圖2 閘壩縱斷面圖

式中：Q—過壩流量，m3／s；

B—溢流寬度，m；

H0—計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭，m；

m，σ，ε—分別為流量系數(shù)、淹沒系數(shù)和側(cè)收縮系數(shù)。

同時(shí)，平板閘門的閘孔出流流量系數(shù)m值可按照以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：P1—堰頂高度；

如前文所述，由于閘壩上游忽略調(diào)度期間內(nèi)補(bǔ)水量影響，僅為河道凈庫容通過水頭差泄水，隨著閘門泄水的影響，上游河道內(nèi)水位逐漸下降，閘壩泄流量同樣發(fā)生變化，假定水位下降dH時(shí)，此時(shí)閘壩泄流量 ′Q與上游水位有如下關(guān)系：

把微分方程寫成差分方程，即認(rèn)為在有限長的計(jì)算河段內(nèi)，水能要素呈線性變化，則水位降低ΔH后：

同時(shí)，ΔH水位降低所需時(shí)間：

式中：

S—閘壩上游河道水面面積；

— tΔ時(shí)間內(nèi)閘壩平均泄流量。

圖3 巖塘壩水位與泄水間隔時(shí)間關(guān)系圖

式 中：Δti—水位下 降 第i次ΔH 時(shí)，水位降低ΔH所需時(shí)間，i=1.2.3..n

則閘壩總泄水時(shí)間：

由此可得閘壩由常水位降低至限制水位過程中平均泄流量：

根據(jù)上述分析，取ΔH=0.05m計(jì)算閘壩泄流時(shí)間。

由于三座閘壩放水時(shí)流量參數(shù)僅水域面積有區(qū)別，根據(jù)式（6）、（8）可知，水域面積與時(shí)間間隔為線性關(guān)系，故蘭塘壩與莊里壩泄流時(shí)間趨勢應(yīng)與巖塘壩相同。同時(shí)，由于兩座閘壩為并聯(lián)關(guān)系，共用閘壩以上庫容，兩座閘壩分別泄水與同時(shí)泄水僅溢流寬度不同Δt由式（1）可知，溢流寬度B與泄水流量Q同樣為線性關(guān)系。因此，分別泄水時(shí)間應(yīng)為同時(shí)泄水時(shí)間的2倍。

2.3 閘壩上游河道限制水位分析

由計(jì)算可得知，隨著閘前水位前期水位下降較快，后期逐漸降低并趨于穩(wěn)定，即閘壩泄水時(shí)間Δt間隔逐漸增大。

由上圖中可以看出，當(dāng)閘前水位降至154.2m后，泄水間隔時(shí)間明顯延長。因此，閘壩調(diào)度時(shí)將最低限制水位維持在154.2m，僅利用閘前水位在154.2m～155m泄水效率最高范圍作為調(diào)度用水。

2.4 閘壩聯(lián)合調(diào)度的推薦方案分析

2.4.1 閘壩泄流時(shí)間分析

經(jīng)計(jì)算可以得出，巖塘壩水位由155m降至限制水位154.2m累計(jì)用時(shí)21.22min（0.35h）；蘭塘壩和莊里壩單獨(dú)運(yùn)行時(shí)水位由155m降至限制水位154.2m累計(jì)用時(shí)183.74min(3.06h)；經(jīng)分析，兩座閘壩同時(shí)運(yùn)行時(shí)時(shí)間為單座閘壩運(yùn)行時(shí)間的1/2，累計(jì)用時(shí)91.87min(1.53h)。

2.4.2 閘壩聯(lián)合調(diào)度組合分析

本項(xiàng)目共有四座閘壩，為提高游船通航保證率，大皇山閘壩泄流量應(yīng)當(dāng)與上游三座閘壩泄流總量相同，上游閘壩放水后需在保證上游河道水面景觀不完全消失的情況下，盡可能改善中心環(huán)形水域內(nèi)水流條件。一般情況下，主要存在以下幾種閘壩調(diào)度組合情形，見表2。

表2 一般情況下閘壩調(diào)度組合類型表

根據(jù)不同組合類型，由式（8）計(jì)算相應(yīng)閘壩泄流期間平均泄水流量?？傻?，當(dāng)水位由155m降低至154.2m過程中，三座閘壩泄水平均流量均為25.76m3/s。但由于巖塘壩與其它兩座閘壩組合形式不同，其它兩座閘壩泄水平均流量分開計(jì)算，即類型1情況下，巖塘壩泄水時(shí)間段內(nèi)蘭塘壩與莊里壩同時(shí)泄水平均流量為66.95m3/s，單座閘壩泄水時(shí)平均流量為41.34m3/s；巖塘壩關(guān)閉后兩座閘壩同時(shí)泄水平均流量為30.47m3/s，單座閘壩泄水時(shí)平均流量為19.92m3/s。類型3情況下，巖塘壩開啟前蘭塘壩與莊里壩同時(shí)泄水平均流量為73.56m3/s，單座閘壩泄水時(shí)平均流量為29.85m3/s；巖塘壩泄水時(shí)間段內(nèi)，兩座閘壩泄水平均流量為34.36m3/s，單座閘壩泄水時(shí)平均流量為13.15m3/s。

2.4.3 閘壩聯(lián)合調(diào)度的水動(dòng)力數(shù)值模擬

為進(jìn)一步分析閘壩調(diào)度對(duì)中心環(huán)形水域河道水流狀況的改善作用，采用數(shù)值計(jì)算軟件MIKE21針對(duì)不同閘壩組合的泄水情況在閘壩運(yùn)行時(shí)間內(nèi)對(duì)河道水流進(jìn)行數(shù)值模擬。中心環(huán)形水域河道模型范圍是以上游三座閘壩開始至下游大皇山閘壩截止。

此次研究根據(jù)水流域地形特點(diǎn)劃分網(wǎng)格，對(duì)研究區(qū)域地形采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，最大控制網(wǎng)格邊界為5m；河道以外的區(qū)域采用邊長較大的三角形網(wǎng)格，最大控制網(wǎng)格邊界為10m，最小角度為40°，地形文件共有261305個(gè)節(jié)點(diǎn)和519898個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格根據(jù)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部分析調(diào)整，以便更加接近實(shí)際河道地形。

經(jīng)模擬計(jì)算，閘壩聯(lián)合調(diào)度方案采用先同時(shí)開啟上游三座閘壩，當(dāng)巖塘壩泄水至限制水位后，關(guān)閉巖塘壩，此時(shí)泄水時(shí)間為21.22 min。之后保持開啟蘭塘壩及莊里壩泄水至限制水位。蘭塘壩及莊里壩總泄水時(shí)間為1.53 h。

3.結(jié)語

通過對(duì)臨桂水系四閘聯(lián)合調(diào)度分析研究得到以下結(jié)論：

（1）臨桂水系項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了四座閘壩進(jìn)行水面調(diào)控，形成兩級(jí)水面景觀及下游整治水面，具備了較天然的物理調(diào)節(jié)條件。通過對(duì)四座閘壩的運(yùn)行采用合理的方式進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度即可實(shí)現(xiàn)核心河道水體水質(zhì)改善的目的，四閘聯(lián)合調(diào)度的水體治理措施為非工程措施，該措施具備極大的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用價(jià)值。

（2）根據(jù)對(duì)臨桂水系工程對(duì)現(xiàn)有河道及閘壩上游庫容的數(shù)據(jù)收集，運(yùn)用露頂式底軸翻板閘門的特點(diǎn)，采用溢流堰計(jì)算方法獲得閘壩放水階段流量與泄水時(shí)間的關(guān)系，并根據(jù)工程景觀需求，確定閘壩調(diào)度上游河道最優(yōu)限制水位154.2 m。

（3）根據(jù)閘壩泄水的流量初始條件利用數(shù)值分析軟件對(duì)不同組合方案下河道水流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，判斷閘壩調(diào)度的最優(yōu)組合為閘壩聯(lián)合調(diào)度方案采用先同時(shí)開啟上游三座閘壩，當(dāng)巖塘壩泄水至限制水位后，關(guān)閉巖塘壩，此時(shí)泄水時(shí)間為21.22 min。之后保持開啟蘭塘壩及莊里壩泄水至限制水位，整個(gè)聯(lián)合調(diào)度總泄水時(shí)間為1.53 h。

本文所研究的臨桂水系四閘聯(lián)合調(diào)度存在很多理想情況，而事實(shí)上，水系工程尚有大量不確定因素存在，包括現(xiàn)在正在進(jìn)行的臨桂新區(qū)建設(shè)，大量工程的建設(shè)都沿河道進(jìn)行，特別是現(xiàn)有上游河道沿線也開始進(jìn)行土地開發(fā)，加之現(xiàn)有桂林市城市污水管道改造尚未完成，新建項(xiàng)目排污也大量直排河道，極有可能造成上游水體惡化更快，與本文的研究結(jié)果存在更大偏差。因此，水系工程在補(bǔ)水工程未全面完成過程中的水體污染治理需要更深入的研究。

大型河道閘壩調(diào)度及河流水系大壩梯級(jí)調(diào)度目前已經(jīng)研究較多且技術(shù)較為成熟，但研究投入較高，針對(duì)性較強(qiáng)。相對(duì)而言，城市河湖連通水系工程規(guī)模較小，目前尚無系統(tǒng)性研究，并且由于大量水系在設(shè)計(jì)階段僅將水污染治理作為附加項(xiàng)進(jìn)行考慮，在工程實(shí)施之初即存在缺陷，但由于城市河湖連通水系位于城市中心，與人們對(duì)水資源水環(huán)境的需求息息相關(guān)，公眾要求往往更高。因此，進(jìn)一步開發(fā)城市河湖連通水系調(diào)度系統(tǒng)是今后研究的重要方向之一。