臨桂新區(qū)防洪排澇及湖塘水系工程閘壩聯(lián)合調(diào)度研究

馮娟 湖南建工集團有限公司

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”）是一個典型的城市水系河湖連通工程，設(shè)計河道全長約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)原有三條河道進行擴寬連通，形成三個帶狀水域和一個中心環(huán)形水域，結(jié)合同步建設(shè)的四座閘壩，實現(xiàn)城市防洪排澇及城市景觀的功能。其中，以中心環(huán)形水域為核心打造的水系景觀與桂林市著名的“兩江四湖”工程相對應(yīng)，將開通游船旅游路線。

根據(jù)工程實施及運行情況，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，水系周邊多個自然村以往雨季內(nèi)澇的情形再未出現(xiàn)，初步達到了工程建設(shè)的目的。但水系河湖連通工程運行后，由于河道加寬，特別是工程規(guī)劃的上游補水方案的取消，枯水季節(jié)水系河道出現(xiàn)嚴重供水不足情況，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)化嚴重，部分河段水葫蘆瘋長，嚴重影響了水系景觀面貌，也將對中心區(qū)水系后續(xù)通航旅游項目造成不利后果。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個水域，水域面積1.64km2，河道總長約21.4km，設(shè)置4個壅水壩，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)狀運行情況如下。

圖1 中心區(qū)各河道現(xiàn)狀運行情況

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。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)水流流動除閘壩閘門處有水流動外，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)計水面寬度40～80m，水域面積12.88萬m2。河道沿線有2個生活污水排污口，蘭塘河補水渠有1個生活污水排水口。

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，其他時間閘壩處于關(guān)閉狀態(tài)；同時上游來水較小，水域各河道水流速度極慢，難以達到原設(shè)計換水周期。

2.閘壩聯(lián)合調(diào)度線性優(yōu)化與計算

2.1 基于水位調(diào)控的閘壩聯(lián)合調(diào)度方案

以第一級三座閘壩上游正常水位時至全部放空庫容，大皇山閘壩可開閘時間，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)計如表1。

表1 閘壩上游河道水域面積統(tǒng)計表

由于閘壩調(diào)度時間跨度為22：00至次日8：00，共計10小時，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段補水量為1549.76m3，占上游河道庫容總量3‰，對庫容影響極小，閘壩調(diào)度過程中僅考慮上游河道凈庫容水量在閘壩運行過程中泄水。

2.2 閘壩泄水計算

由于枯水期補水流量在閘壩調(diào)度時間段內(nèi)，對庫容影響極小，故而在閘壩閘門運行過程中，僅考慮常水位下河道凈庫容泄水。閘壩泄水計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。

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

根據(jù)本工程設(shè)計閘壩設(shè)計縱斷面（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，平板閘門的閘孔出流流量系數(shù)m值可按照以下經(jīng)驗公式計算：

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，此時閘壩泄流量 ′Q與上游水位有如下關(guān)系：

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

同時，ΔH水位降低所需時間：

式中：

S—閘壩上游河道水面面積；

— tΔ時間內(nèi)閘壩平均泄流量。

圖3 巖塘壩水位與泄水間隔時間關(guān)系圖

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

則閘壩總泄水時間：

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計算閘壩泄流時間。

由于三座閘壩放水時流量參數(shù)僅水域面積有區(qū)別，根據(jù)式（6）、（8）可知，水域面積與時間間隔為線性關(guān)系，故蘭塘壩與莊里壩泄流時間趨勢應(yīng)與巖塘壩相同。同時，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，分別泄水時間應(yīng)為同時泄水時間的2倍。

2.3 閘壩上游河道限制水位分析

由計算可得知，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，即閘壩泄水時間Δt間隔逐漸增大。

由上圖中可以看出，當閘前水位降至154.2m后，泄水間隔時間明顯延長。因此，閘壩調(diào)度時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 閘壩泄流時間分析

經(jīng)計算可以得出，巖塘壩水位由155m降至限制水位154.2m累計用時21.22min（0.35h）；蘭塘壩和莊里壩單獨運行時水位由155m降至限制水位154.2m累計用時183.74min(3.06h)；經(jīng)分析，兩座閘壩同時運行時時間為單座閘壩運行時間的1/2，累計用時91.87min(1.53h)。

2.4.2 閘壩聯(lián)合調(diào)度組合分析

本項目共有四座閘壩，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）計算相應(yīng)閘壩泄流期間平均泄水流量?？傻?，當水位由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算，即類型1情況下，巖塘壩泄水時間段內(nèi)蘭塘壩與莊里壩同時泄水平均流量為66.95m3/s，單座閘壩泄水時平均流量為41.34m3/s；巖塘壩關(guān)閉后兩座閘壩同時泄水平均流量為30.47m3/s，單座閘壩泄水時平均流量為19.92m3/s。類型3情況下，巖塘壩開啟前蘭塘壩與莊里壩同時泄水平均流量為73.56m3/s，單座閘壩泄水時平均流量為29.85m3/s；巖塘壩泄水時間段內(nèi)，兩座閘壩泄水平均流量為34.36m3/s，單座閘壩泄水時平均流量為13.15m3/s。

2.4.3 閘壩聯(lián)合調(diào)度的水動力數(shù)值模擬

為進一步分析閘壩調(diào)度對中心環(huán)形水域河道水流狀況的改善作用，采用數(shù)值計算軟件MIKE21針對不同閘壩組合的泄水情況在閘壩運行時間內(nèi)對河道水流進行數(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)水流域地形特點劃分網(wǎng)格，對研究區(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個節(jié)點和519898個網(wǎng)格。網(wǎng)格根據(jù)地形數(shù)據(jù)進行插值計算，對網(wǎng)格進行局部分析調(diào)整，以便更加接近實際河道地形。

經(jīng)模擬計算，閘壩聯(lián)合調(diào)度方案采用先同時開啟上游三座閘壩，當巖塘壩泄水至限制水位后，關(guān)閉巖塘壩，此時泄水時間為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間為1.53 h。

3.結(jié)語

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

（1）臨桂水系項目設(shè)計采用了四座閘壩進行水面調(diào)控，形成兩級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。通過對四座閘壩的運行采用合理的方式進行聯(lián)合調(diào)度即可實現(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)濟性及實用價值。

（2）根據(jù)對臨桂水系工程對現(xiàn)有河道及閘壩上游庫容的數(shù)據(jù)收集，運用露頂式底軸翻板閘門的特點，采用溢流堰計算方法獲得閘壩放水階段流量與泄水時間的關(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)值分析軟件對不同組合方案下河道水流情況進行了數(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)度方案采用先同時開啟上游三座閘壩，當巖塘壩泄水至限制水位后，關(guān)閉巖塘壩，此時泄水時間為21.22 min。之后保持開啟蘭塘壩及莊里壩泄水至限制水位，整個聯(lián)合調(diào)度總泄水時間為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，而事實上，水系工程尚有大量不確定因素存在，包括現(xiàn)在正在進行的臨桂新區(qū)建設(shè)，大量工程的建設(shè)都沿河道進行，特別是現(xiàn)有上游河道沿線也開始進行土地開發(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，針對性較強。相對而言，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)計階段僅將水污染治理作為附加項進行考慮，在工程實施之初即存在缺陷，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。