基于MIKE11模型的昆山市張浦鎮(zhèn)張西聯(lián)圩水系活水暢流方案研究

陳 晨，許珊珊

(河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210003)

0 引 言

張浦鎮(zhèn)位于江蘇省東南部的昆山市新城南郊，太湖流域東部，地理位置十分優(yōu)越。位于江南水鄉(xiāng)的張浦鎮(zhèn)，水環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到人民群眾的生活品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，張浦鎮(zhèn)積極響應(yīng)“美麗昆山”建設(shè)，重視水環(huán)境治理，積極開展黑臭河道整治，推進(jìn)生活、工業(yè)污水收集處理，取得了顯著成效，圩內(nèi)河道水質(zhì)總體得到改善。但還應(yīng)看到張浦鎮(zhèn)在水環(huán)境治理與保護(hù)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是河道水體動(dòng)力方面，鎮(zhèn)內(nèi)河道存在水體動(dòng)力不足，流動(dòng)性不強(qiáng)，部分河段水不活、流不暢等問題。張浦鎮(zhèn)境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，現(xiàn)狀有13個(gè)聯(lián)圩，村級(jí)以上河道429條。因此，研究加強(qiáng)張浦鎮(zhèn)聯(lián)圩水利工程聯(lián)合調(diào)度方案，充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程綜合效益，外引清水補(bǔ)給，內(nèi)部加強(qiáng)水系暢通，對(duì)進(jìn)一步改善圩內(nèi)河道水環(huán)境具有重要意義。本次研究選取張浦鎮(zhèn)主鎮(zhèn)區(qū)所在地——張西聯(lián)圩進(jìn)行活水暢流方案研究[1]。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究方法

采用MIKE11軟件的水動(dòng)力模塊模擬張浦鎮(zhèn)張西聯(lián)圩水動(dòng)力情況。MIKE11軟件廣泛應(yīng)用于河口、河網(wǎng)的水位、流量、水量模擬。MIKE11模型河道一維非恒定流的水動(dòng)力學(xué)模擬基于圣維南方程。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：A為河道過水面積；Q為流量；u為側(cè)向來流在河道方向的流速；t為時(shí)間；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)；q為河道的側(cè)向來流量；α為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度；y為水位；Sf為摩阻坡降，其計(jì)算方法如下：

(3)

在河道交匯處通過水量平衡關(guān)系連接各河段：

(4)

式中，L(m)為連接到節(jié)點(diǎn)m的河段數(shù)；M為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；V為河道交匯點(diǎn)蓄水量；Qmn+1為n+1時(shí)段流入節(jié)點(diǎn)m的外加流量；Qm,ln+1為n+1時(shí)段河段l流入節(jié)點(diǎn)m的流量；河道恒定流的模擬可采用曼寧公式：

(5)

式中：A為斷面過水面積；Q為流量；n為糙率；R為水力半徑；i為底坡。

水量模型的建立需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為支撐，主要包括河道斷面數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)以及主要泵站、水閘流量等，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析、處理，形成河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件、參數(shù)文件。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本次模型計(jì)算共概化河道55條，計(jì)算斷面646個(gè)，閘站等控制建筑物11座。本次模型構(gòu)建的河網(wǎng)文件為：在現(xiàn)狀工況下，河網(wǎng)根據(jù)現(xiàn)狀水系分布確定，規(guī)劃工況下，根據(jù)《昆山市張浦鎮(zhèn)水系規(guī)劃》中規(guī)劃的水系確定河網(wǎng)布局；斷面文件：河道斷面變化不大的河道，通過概化，保證河道過水能力一致，則該條河道采用相同河道斷面；河道斷面變化大的河道，對(duì)河道進(jìn)行分段，各分段河道采用相應(yīng)河道斷面。邊界文件及參數(shù)：本次模型計(jì)算中，圩內(nèi)初始水位采用常水位2.8m，圩外河道水位采用2.8m，泵站流量根據(jù)方案給出泵站的實(shí)際引水流量；本次模型中，河道糙率的選擇根據(jù)河道實(shí)際護(hù)面種類與狀況，并參照項(xiàng)目區(qū)附近同類項(xiàng)目綜合確定糙率，取0.023。

2 活水暢流方案與效果分析

2.1 活水暢流方案

張西聯(lián)圩總面積17.21km2，聯(lián)圩地形狹長，南北向長約6.0km，東西向?qū)捈s3.0km。根據(jù)《昆山市張浦鎮(zhèn)水系規(guī)劃》，張西聯(lián)圩圩內(nèi)水系格局為“三縱四橫三湖面”，圩內(nèi)河道55條，規(guī)劃水面率9.5%?；钏畷沉魇抢盟こ蹋ㄟ^動(dòng)力引排，增加水體流動(dòng)性，提升水體自凈能力。根據(jù)張西聯(lián)圩地形特點(diǎn)、規(guī)劃水系和水利工程布局，采用不同活水方案進(jìn)行比選，選擇合理可行、流速分部最優(yōu)的活水方案作為推薦方案。在比選的方案選擇時(shí)，應(yīng)先對(duì)聯(lián)圩基本情況進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)聯(lián)圩特點(diǎn)，有針對(duì)性地確定比選方案，避免盲目確定方案，導(dǎo)致比選方案過多、分析計(jì)算工作量過大[2]。

根據(jù)張西聯(lián)圩地形特點(diǎn)和水利工程布局情況，初步確定活水暢流引排方向，張西聯(lián)圩緊鄰吳淞江，圩內(nèi)有多條支流與吳淞江相連，引水水源可選擇吳淞江。張西聯(lián)圩地形呈南北長、東西窄，活水主流向考慮從北往南，以最大范圍調(diào)動(dòng)圩內(nèi)水體。為兼顧東西向河道水體流動(dòng)性，可考慮在東西向增加引水口或排水出口，增加?xùn)|西向河道水體流動(dòng)性。

張西聯(lián)圩內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河道眾多，僅依靠動(dòng)力引排往往主要河道流動(dòng)較快，支流河道、斷頭浜等流動(dòng)性依然較差，難以讓圩內(nèi)所有水體流動(dòng)起來，因此，制定方案時(shí)，考慮先采用泵站排水或引水，降低或升高圩內(nèi)水位后，再開閘引水或排水，實(shí)現(xiàn)圩內(nèi)所有水體均有一個(gè)水位先降后升或先升后降的過程，以使圩內(nèi)所有水體均能產(chǎn)生一定流動(dòng)，但應(yīng)注意水位差不宜過大，以防在開閘引水時(shí)，局部流速過快或水位驟降深度過大，對(duì)水利工程和河道邊坡安全造成不利影響[3-4]。

本次研究擬采用以下3種活水方案進(jìn)行比選。

方案一：“南排北引”方案：

“南排北引”方案確定張西聯(lián)圩活水方式為：利用聯(lián)圩南部現(xiàn)有的排澇泵站，向圩外河道支浦江排水，同時(shí)開啟聯(lián)圩北側(cè)位于吳淞江沿線的防洪閘，向圩內(nèi)引水。并通過先開啟泵站預(yù)降圩內(nèi)水位，再開閘引水，實(shí)現(xiàn)圩內(nèi)所有水體均有流動(dòng)。

方案一擬先開啟大直江站、張浦江南站向圩外排水，排水總流量14m3/s，排水1h，抽排水量約5.04萬m3，圩內(nèi)水位降低約3cm，再開啟吳淞江沿線防洪閘引水，活水時(shí)間結(jié)束后，先關(guān)閉排水泵站，等圩內(nèi)水位平穩(wěn)后，再關(guān)閉引水閘。每天活水時(shí)間為12h，每天活水量約占圩區(qū)總水量12.6%。張西聯(lián)圩活水方案1示意圖見圖1。

圖1 張西聯(lián)圩活水方案一示意圖

方案二：“北引東南排”方案：

“北引東南排”方案確定張西聯(lián)圩活水方式為：北引吳淞江水，向南排入支浦江，活水主流方向?yàn)橛杀毕蚰?，同時(shí)增加?xùn)|西向支流動(dòng)力，在聯(lián)圩東側(cè)利用泵站排水入支天浦江。并在水系相對(duì)獨(dú)立區(qū)域，利用現(xiàn)狀河道和排澇泵站構(gòu)造局部小循環(huán)。

方案二擬先開啟大直江站、張浦江南站、西橫灌涇站向圩外排水，總流量19.5m3/s，排水1h，抽排水量約7.02萬m3，將圩內(nèi)水位降低約4cm，再開啟吳淞江沿線防洪閘引水，活水結(jié)束后，先關(guān)閉排水泵站，圩內(nèi)水位平穩(wěn)后，再關(guān)閉引水閘。在聯(lián)圩北部，由于水系相對(duì)獨(dú)立，利用現(xiàn)有的林家潭灌排站和月如江閘，構(gòu)造局部水系小循環(huán)。每天開機(jī)時(shí)間為12h，每天活水量約占圩區(qū)總水量17.6%。張西聯(lián)圩活水方案二示意圖見圖2。

圖2 張西聯(lián)圩活水方案二示意圖

方案三：“北西引南排”方案：

“北西引南排”方案確定張西聯(lián)圩活水方式為：北引吳淞江，南排支浦江，并在聯(lián)圩西側(cè)增加補(bǔ)水泵站，增加?xùn)|西向河道流動(dòng)性。同時(shí)利用現(xiàn)有水利工程，構(gòu)造局部小循環(huán)。為提高方案運(yùn)行保證率，新建補(bǔ)水泵站向圩內(nèi)引水，通過聯(lián)圩南側(cè)防洪閘向圩外排水。方案運(yùn)行時(shí)，先開啟補(bǔ)水泵站向圩內(nèi)引水，提高圩內(nèi)水位后，再開閘排水，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)圩全部水體流動(dòng)。

方案三規(guī)劃新建4座活水泵站，北引吳淞江水，向南排入支浦江。擬錯(cuò)開引排水時(shí)間，先開啟月如江、顧仙江、林家潭、吳千斤浜活水泵站，引水總流量17m3/s，引水時(shí)間1h，引水量約6.12萬m3，圩內(nèi)水位升高約3.5cm，再開啟支浦江沿線水閘排水，活水結(jié)束后，先關(guān)閉泵站，圩內(nèi)水位平穩(wěn)后，再關(guān)閘。每天開機(jī)時(shí)間為12h，每天活水量約占圩區(qū)總水量15.3%。張西聯(lián)圩活水方案3示意圖見圖3。

圖3 張西聯(lián)圩活水方案三示意圖

2.2 方案效果分析

方案一、方案二均為結(jié)合現(xiàn)有閘站進(jìn)行活水，方案三擬新建引水泵站，采用動(dòng)力向圩內(nèi)引水。各方案的模型計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 張西聯(lián)圩不同方案流速成果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知：現(xiàn)狀工況下，聯(lián)圩東南側(cè)由于河道聯(lián)通性較差，斷頭河浜較多；根據(jù)流速成果可知，現(xiàn)狀現(xiàn)狀工況下流速v<0.01m/s的河段占比41%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比30%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比29%。

方案一(“北引南排”方案)中，紅星新開河、西橫灌涇等橫向河道流速極小，基本不流動(dòng)。根據(jù)流速成果可知，方案一中v<0.01m/s的河段占比39%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比46%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比15%。

方案二(“北引東南排”方案)中，開啟了橫向泵站西橫灌涇站以及北側(cè)的林家潭引排站后，紅星新開河、西橫灌涇等橫向河道流速加快，流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，但在聯(lián)圩東南側(cè)，廟灣江與支天浦江之間橫向河道流速依然很小，基本不流動(dòng)。根據(jù)流速成果可知，方案二中v<0.01m/s的河段占比31%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比45%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比24%?？梢?，同為結(jié)合現(xiàn)有與規(guī)劃的排澇泵站進(jìn)行活水，方案二流速分布優(yōu)于方案一。

方案三(“北西引南排”方案)規(guī)劃活水泵站補(bǔ)水工況下，聯(lián)圩內(nèi)河道流速分布最優(yōu)。根據(jù)流速成果可知，方案三中v<0.01m/s的河段占比23%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比24%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比53%。根據(jù)模型流速分布圖可知，在聯(lián)圩東北廟灣江、億城河、寶覺河、花園河河道流速均>0.01m/s；億城新開河、古仙江等河段流速達(dá)到0.08m/s。結(jié)合流速成果及流速分布平面圖可知，新建引水泵站、采用動(dòng)力向圩內(nèi)引水的方案三優(yōu)于方案一、方案二。

3 結(jié) 論

張西聯(lián)圩地形狹長，與東側(cè)支天浦江相通的河道較多，給圩內(nèi)河道活水帶來一定難度。本次研究基于Mike11模型建立張西聯(lián)圩一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，模擬圩內(nèi)河網(wǎng)流速分布。根據(jù)對(duì)各方案計(jì)算結(jié)果分析，張西聯(lián)圩活水方案推薦采用方案三，即新建引水泵站，從吳淞江引水對(duì)圩內(nèi)河道進(jìn)行活水。推薦方案下，每日活水時(shí)間為12h，一次活水量約占聯(lián)圩總水量15.3%。但方案三需新建活水泵站，在活水泵站建成之前，可采用方案二對(duì)張西聯(lián)圩進(jìn)行活水。

通過活水暢流方案研究，為張浦鎮(zhèn)張西聯(lián)圩水環(huán)境治理與提升提供了依據(jù)。根據(jù)聯(lián)圩地形特點(diǎn)，充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程綜合效益，局部增加活水工程，在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)聯(lián)圩活水暢流、改善水質(zhì)的目的，從而為提高群眾生活品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供條件。