溫祖國

（中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610）

1 引言

杭州市蕭山區(qū)錢江世紀(jì)城核心區(qū)域位于利民河兩岸，主要包括體育競技場館功能的杭州奧體中心和會展服務(wù)場館功能的杭州國際博覽中心。區(qū)域河流水系發(fā)達(dá)，但河道水體水質(zhì)整體較差。主要存在以下現(xiàn)狀問題：引水水源含沙量較高，增加了河道水體透明度保障的難度；城區(qū)水質(zhì)較差，部分河流水質(zhì)屬于Ⅴ類、劣Ⅴ類；城區(qū)河網(wǎng)暢通性差；部分河道淤積嚴(yán)重，河道工況復(fù)雜，底泥含砂量高。對核心區(qū)河道水質(zhì)進(jìn)行綜合治理，實(shí)現(xiàn)河道水體有序流動和水質(zhì)提升。

從錢塘江引水并凈化注入河道，清理河道淤泥，利用水閘控制河道水位，加強(qiáng)水體流動，提升錢江世紀(jì)城河網(wǎng)水質(zhì)，使主要指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，透明度達(dá)到1 m。在后解放河、先鋒河興建水閘，利用錢江樞紐與兩閘之間的河道，對錢江樞紐引水進(jìn)行水質(zhì)絮凝沉淀處理。對解放河、五堡直河和利民河的部分河段進(jìn)行清淤。重新規(guī)劃河網(wǎng)區(qū)河道水流流向，確定活水方案，利用閘調(diào)控水位，達(dá)到水體流動及水質(zhì)改善的目的。

2 引水水源水質(zhì)凈化措施

因錢塘江原水存在懸浮物過高的問題，故需對引水進(jìn)行凈化處理。

2.1 混凝劑

根據(jù)錢塘江實(shí)測水質(zhì)資料，錢塘江2015年7月至2016年1月，各月平均濃度基本在81.7 NTU-151.8 NTU，根據(jù)此類水質(zhì)特點(diǎn)，擬采用聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑，陰離子聚丙烯酰胺（PAM）作為助凝劑。根據(jù)試驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場中試及類似工程實(shí)際應(yīng)用等多方面成果，PAC 投加量為7.50～30 mg/L（具體投加量根據(jù)進(jìn)水濁度進(jìn)行調(diào)整），PAM投加濃度0.10 mg/L。

2.2 引水水質(zhì)混合工藝

混合是將藥劑充分、均勻地擴(kuò)散于水體的工藝過程，藥劑混合效果對混凝沉淀效果具有重要的作用。影響混合效果的因素很多，如混合方式、采用藥劑的品種、濃度、水溫以及顆粒性質(zhì)等，而采用的混合方式是最主要的因素之一。

利用錢江水利樞紐的雙向引水功能，在引水水泵進(jìn)水端投加混凝劑，通過水泵葉輪高速轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)混凝劑與原水的快速混合；然后利用內(nèi)河側(cè)消力池促進(jìn)礬花碰撞長大，完成反應(yīng)過程。

2.3 絮凝工藝

投加混凝劑并經(jīng)充分混合后的原水，在水流作用下，使微絮顆?；ハ嘟佑|碰撞，以形成更大粒徑絮體的過程稱作絮凝。完成絮凝過程的構(gòu)筑物為絮凝池，習(xí)慣上也稱作反應(yīng)池。

絮凝時間錢江樞紐內(nèi)河側(cè)消力池長長31.50 m，寬33.40 m，池底高程-2.70 m。攔污柵橋底板高程為1 m，寬與消力池一致，橋面寬8 m。內(nèi)河水位按4.30 m考慮，絮凝池總體積W根據(jù)前述相關(guān)參數(shù)，W為9 566 m3。

絮凝時間t可按下式計算：

式中：Q—設(shè)計規(guī)模，按20 m3/s；

2.4 沉淀區(qū)

沉淀時間按80 min考慮，在后解放河沉淀河段末端和錢江樞紐消力池兩側(cè)約80 m 先鋒河設(shè)置一座翻板閘作為沉淀區(qū)。沉淀區(qū)中，后解放河河道長度約需500 m，先鋒河河道長度約160 m，河道總面積約25 000 m2。沉淀區(qū)的后解放河和先鋒河河段，兩岸10 m 區(qū)域的設(shè)計底高程為1 m，中間區(qū)域設(shè)計河底高程為0 m，緩坡銜接。在內(nèi)河上完成沉淀過程，巧妙地將傳統(tǒng)水利工程變身為水質(zhì)提升工程。

2.5 原水含氯度處理措施

含氯度高，說明水體中無機(jī)鹽類物質(zhì)含量高，如果引入內(nèi)河涌，對內(nèi)河涌的生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響。因?yàn)橐髁看?，現(xiàn)狀無合適的技術(shù)解決含氯度高的問題，因此只能預(yù)防。由于錢塘江江水懸浮物和含氯度有密切的關(guān)聯(lián)性，水體濁度高，含氯度也高，濁度低，含氯度也低，建議引水錢塘江水體濁度超過250 NTU 時，錢江樞紐停止引水，避免含氯度過高的江水進(jìn)入內(nèi)河涌，影響內(nèi)河涌的自然生態(tài)系統(tǒng)。

3 河道水動力調(diào)控活水措施

主要技術(shù)內(nèi)容包括現(xiàn)場觀測、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、方案制定等。選擇優(yōu)質(zhì)水源，計算項(xiàng)目區(qū)所需換水量，確定換水頻次，合理安排引排水路線，精細(xì)調(diào)控水位差，優(yōu)化活水方案等。

3.1 河網(wǎng)水動力水質(zhì)原型觀測

在水質(zhì)凈化運(yùn)行過程中，對區(qū)域內(nèi)進(jìn)行水動力、水質(zhì)觀測，為模型率定、調(diào)度方案優(yōu)化、運(yùn)行調(diào)試提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用人工觀測和電子水尺相結(jié)合，進(jìn)行原型觀測。

3.2 換水頻次

計算河道槽蓄量，見表1。

表1 河道槽蓄量表

在此基礎(chǔ)上，以4.30 m水位，173萬m3槽蓄量為例，若區(qū)域范圍內(nèi)的河水更換一遍，需要24 h。每抬高水位10 cm，約需要5萬m3，用20 m3/s泵引，需40 min。按引水規(guī)模10 m3/s考慮，開啟一臺引水泵進(jìn)行引水，注滿河道所需時間約為2 d；平時運(yùn)行時，按每天引水8 h考慮，能實(shí)現(xiàn)規(guī)劃范圍內(nèi)河道換水周期為6 d，能有效保證河道水體的水質(zhì)。遠(yuǎn)期考慮滿足蕭山城區(qū)其他河段的引水需求，按引水規(guī)模20 m3/s考慮，開啟兩臺引水泵。

3.3 引排水路線及水位控制

從錢江樞紐引水，進(jìn)入先鋒河、后解放河，經(jīng)過四座節(jié)制閘從順壩排澇站排出。先鋒河南段通過三號橋閘站泵抽，從一號橋水閘溢流進(jìn)入利民河。①1區(qū)水位控制。通過對先鋒河一號橋閘、三號橋泵閘的控制，保障先鋒河水位維持5 m。②2區(qū)水位控制。通過對五堡直河節(jié)制閘、利民河節(jié)制閘、先鋒河節(jié)制閘、后解放河節(jié)制閘聯(lián)控聯(lián)調(diào)控制水位4.30 m。③3區(qū)水位控制。蕭山區(qū)常水位約3.95 m，一般3區(qū)水位不需特別控制。

圖1 引排水路線圖

當(dāng)降雨期間或汛期外圍水位較高時，調(diào)節(jié)五堡直河節(jié)制閘和利民河節(jié)制閘關(guān)閉，先鋒河節(jié)制閘和后解放河節(jié)制閘控制開度，通過順壩排澇閘站向錢塘江排水，控制3 區(qū)內(nèi)水位。利用數(shù)學(xué)模型對不同工況進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表2，當(dāng)堰頂高程調(diào)節(jié)為4.50 m，外圍水位不高于5 m時，3區(qū)內(nèi)水位有望控制在4 m 以下。當(dāng)堰頂高程調(diào)節(jié)為5 m，外圍水位5.50 m 甚至更高時，3區(qū)內(nèi)水位能控制在4 m以下。通過對堰高的控制，提高了水位保證率。水位調(diào)控基本不影響區(qū)域防洪。

表2 水位驗(yàn)證表 單位：m

3.5 活水?dāng)?shù)學(xué)模型

3.5.1 模型原理

3.5.1.1 水文模型

此次計算水文模型采用直接徑流法，流域產(chǎn)流量通過以下公式計算：

式中：Q為流域產(chǎn)流量，A為流域面積，P為流域降雨，Rc為綜合徑流系數(shù)（與流域用地分類、土壤類型和流域坡度相關(guān)）。

此方法的匯流計算采用雙線性水庫的離散一致傳遞函數(shù)模型進(jìn)行計算。

3.5.1.2 一維水力學(xué)模型

城區(qū)河道采用1D模型描述，并應(yīng)用St.Vennant方程組進(jìn)行求解：

3.5.2 模型構(gòu)建

根據(jù)城區(qū)閘壩工程對河道水系實(shí)際控制情況，河道斷面實(shí)測情況采用Infoworks RS軟件構(gòu)建城區(qū)河網(wǎng)水量-水流數(shù)值模型。模型構(gòu)建從無到有，依次創(chuàng)建斷面、河道連接、閘泵工程、集水區(qū)、邊界，最終整合為一個統(tǒng)一模型。①斷面。本方案研究模型中共計斷面367 個，將實(shí)測的斷面數(shù)據(jù)整理，包括起點(diǎn)距、相應(yīng)點(diǎn)高程、糙率以及斷面間距等信息整理成ISIS文件格式，然后直接導(dǎo)入到軟件中，自動生成斷面及其之間的河道連接。然后根據(jù)實(shí)測斷面位置，將斷面放置到正確的位置。河流交匯的地方，創(chuàng)建交叉點(diǎn)，并按照河流走向依次將斷面與交叉點(diǎn)相連。②閘泵工程。閘泵工程采用線型對象處理，在斷面和斷面之間構(gòu)建相應(yīng)的建筑物，輸入建筑物尺寸信息以及相應(yīng)的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則。本次研究范圍內(nèi)所有管的閘站（溢流堰）10處，泵站（排灌站）9處。③集水區(qū)。根據(jù)河道范圍確定集水區(qū)范圍，采用子流域集水區(qū)對象概化集水區(qū)，并使用旁側(cè)流對象將集水區(qū)與河道斷面相關(guān)聯(lián)。④計算網(wǎng)絡(luò)。將創(chuàng)建好的單一對象相互連接，就完成了整個模型的構(gòu)建。

3.5.3 模型率定

采用原型觀測獲得的實(shí)測水位、流量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定?，F(xiàn)場試驗(yàn)時，對閘門開度、泵站開關(guān)等進(jìn)行控制調(diào)試，記錄水位、流量、流速、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，為率定驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)。

利用模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，計算不同工況下，最高水位。利用模型制定活水方案，在城區(qū)某些主干河道，合理選擇位置，擬建溢流堰、擋水閘、潛壩等多種“活水”方案，重點(diǎn)考慮各方案的景觀、礙航、防洪安全影響，設(shè)計各方案效果圖；對規(guī)劃區(qū)內(nèi)合理分配流量，精細(xì)調(diào)控水位差，制定合理調(diào)度方案，并通過城市景觀等因素綜合比較分析，提出推薦阻水建筑物工程方案，對比不同的方案的效果，得到最優(yōu)方案。

在后期將水質(zhì)、管網(wǎng)等數(shù)據(jù)加入水力學(xué)模型中，構(gòu)建更完善的水力學(xué)-水質(zhì)模型，河網(wǎng)-管網(wǎng)一體化模型。

3.6 河網(wǎng)活水方案

活水方案共分三種工況。

3.6.1 工況1

該方案從錢江樞紐泵引20 m3/s，先鋒河1#和3#水閘開啟，水位同研究范圍內(nèi)其他河一致，4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關(guān)閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。①當(dāng)四個閘同時開啟，上下游形成約5～10 cm水位差，所有河道都有流速，流速約0.05 m/s，但五堡直河北段、東風(fēng)河流速較差。②當(dāng)四個閘單獨(dú)分時段開啟時，所有河道均能活水，活水效果好，流速能達(dá)到0.10 m/s以上。

先鋒河節(jié)制閘開啟時，先鋒河北段、五堡直河北段流速優(yōu)秀，達(dá)0.15 m/s。后解放河節(jié)制閘開啟時，先鋒河北段、五堡直河北段流速優(yōu)秀，達(dá)0.21 m/s。五堡直河節(jié)制閘開啟時，先鋒河南段、五堡直河南段流速優(yōu)秀，達(dá)0.13～0.37 m/s。利民河節(jié)制閘開啟時，先鋒河南段、利民河、五堡直河南段流速優(yōu)秀，達(dá)0.15～0.27 m/s。

3.6.2 工況2

該方案從錢江樞紐泵引20 m3/s，先鋒河1#和3#水閘豎起控制先鋒河水位約5 m，研究范圍內(nèi)其他河控制4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關(guān)閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。通過先鋒河3#水泵向先鋒河引水，通過先鋒河1#水閘向利民河溢流。當(dāng)四個閘同時開啟，或每個閘門分別開啟時，活水效果與第1種工況類似。

3.6.3 工況3

該方案從錢江樞紐泵引10 m3/s，先鋒河1#和3#水閘豎起控制先鋒河水位約5 m，研究范圍內(nèi)其他河控制4.30 m。研究范圍外河水位控制低于4.30 m。五堡排澇閘泵站、七甲船閘關(guān)閉。調(diào)控先鋒河、利民河、后解放河、五堡直河四處節(jié)制閘。當(dāng)四個閘同時開啟，或每個閘門分別開啟時，活水效果比以上兩種工況明顯降低。當(dāng)四個閘同時開啟時，大部分河道平均流速基本約0.03 m/s，流速略低。

4 結(jié)語

①以運(yùn)行效果來看，已實(shí)施的工程設(shè)施完全發(fā)揮了功能，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期的效果。工程調(diào)試運(yùn)行期間，核心區(qū)內(nèi)各河道水質(zhì)主要指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，透明度均達(dá)到1 m。工程凈化了河道水質(zhì)，創(chuàng)造出多樣性的河流生境，對生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展起到了重要作用。②工程建設(shè)在充分利用現(xiàn)有條件下，節(jié)省了時間和投資。同時當(dāng)水質(zhì)較好時，可選擇同時控制四個節(jié)制閘，所有河道同時活水；當(dāng)水質(zhì)較差時，分別控制每個節(jié)制閘，對不同河道強(qiáng)化活水，這樣可節(jié)約，運(yùn)行成本較低。