横琴岛中心沟规划水系水体交换效果模拟研究

横琴岛中心沟规划水系水体交换效果模拟研究
朱嵩;龙晓飞;王华;朱金和
【摘要】横琴岛中心沟规划水系为珠江三角洲感潮河网水系,水系内存在多个相互连通的环路,水动力条件差异较大.部分区域水体交换能力较差,容易导致局部的污染蓄积.为了掌握水系在外江潮汐影响条件下水动力水质变化规律,采用DELFrSOBEK 软件对水闸联合调度条件下的中心沟规划水系进行了水动力水质数值模拟,获得了非稳态浓度推移过程和水体半交换周期等指标,为水系规划提供了技术支撑.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2014(035)005
【总页数】3页(P20-22)
【关键词】感潮河网;数学模型;水体交换;半交换周期
【作者】朱嵩;龙晓飞;王华;朱金和
【作者单位】珠江水利科学研究院,广东广州510611;珠江水利科学研究院,广东广州510611;珠江水利科学研究院,广东广州510611;珠江水利科学研究院,广东广州510611
【正文语种】中文
【中图分类】TV212.5
0 前言
珠海横琴岛中心沟规划水系受东西两侧闸门的控制，在关闸条件下，区域内水体相
对封闭，缺乏流动性，容易引起污染物的蓄积，导致水质恶化;在开闸条件下，由
于水系内河道宽窄不一，同时存在多个相互连通的环路，水动力条件差异较大，部分区域水体交换能力较差，也容易导致局部的污染蓄积。

在该研究领域，王佳等运用一、二维耦合模型，考虑季节性风生海流和潮流的作用，以海水半交换周期和运河的净流量为衡量的主要指标，对开凿胶莱运河改善渤海水质的效果进行了初步研究［1］。

朱德军等利用汊点水位预测校正法处理缓流河网汊点处的回流效应，采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组，构建了非恒定流河网水动力模型，显著提高了稳定性和计算效率［2］。

童朝锋等建立了外秦淮河一维河网水动力水质模型，模拟不同时期不同水源补给，以及在不同闸控系统运行调控方式下，外秦淮河水质的相应变化［3］。

李䶮利用TRNM模型模拟了珠江三角洲市桥河上雁
州水闸建成前后不同调度方案对市桥河水动力过程的影响［4］。

本文利用DELFT SOBEK软件，建立了中心沟水系一维水流水质数学模型，利用该数学模型计算分析得到了河网非稳态浓度扩散过程以及水体半交换周期等指标，为下一阶段的水动力控导提供了数学模型支撑。

SOBEK是荷兰Delft水力研究所开
发的用来管理河流、城市、乡村的综合软件包，具有基于GIS的用户图形界面，
一维流、二维坡面漫流、降雨径流及一维地貌、一维水质和实时控制模拟等模型。

采用一体化方法提供的软件环境，可以模拟河道河口地区、灌溉排水系统以及排污、排雨系统的各种管理问题，及有效实现河流、河口以及岔状与环状的冲积河网的水量和水质模拟。

SOBEK软件目前已经应用于黄河流域、珠江流域的水动力水质计
算［5］。

1 数学模型
1.1 一维水动力水质数学模型
一维河网水动力控制方程为圣维南方程，水质控制方程为满足一级反应动力学反应的对流扩散方程，其基本假定是:物质在断面上完全混合;物质守恒或符合一级反应
动力学(即线性衰减)。

DELFT-Sobek中描述物质在水体中对流扩散的一维方程为:
式中 C——浓度;D——离散系数;A——断面面积;K——线性衰减系数;C2——源/汇浓度;q——横向入流;x——空间坐标;t——时间坐标。

在t=0时刻，给定污染物的初始浓度，在开边界处给定外海污染物浓度。

本项目不考虑自然蓄水产生的污染物以及近岸水体植物对污染物降解的影响，认为污染物为保守物质，即K=0。

1.2 模型概化与参数取值
a)水系概化及糙率取值。

根据规划要求，对中心沟水系进行了概化，河道断面尺寸均按设计要求。

河网水系糙率结合设计断面参考《水力学》相关经验取值，参考取值为0.014～0.025。

b)水闸调度方案。

水闸调度运行原则如下:①水体交换前，先利用外海落潮时刻开启滨海东路水闸使得天沐河水位降至1.0 m;②涨潮时通过环岛西堤水闸为天沐河蓄水，蓄水至1.5 m时关闭环岛西堤水闸，落潮时开启滨海东路水闸，通过滨海东路水闸进行排水，排水至1.0 m时关闭滨海东路水闸;③水体交换结束后，利用外海涨潮的时刻开启环岛西堤水闸使得天沐河水位升至1.5 m。

模型中通过内外江潮位来控制水闸开启，落潮时刻开启闸门泄水，内江水位降低至1 m时关闭闸门，涨潮时开启闸门引水，内江水位达到1.5 m时关闸，水闸最大开启度控制在2 m。

1.3 模型边界条件
模型计算的初始条件:初始水位为1.5 m。

为了便于中心沟各河段半交换周期及换水率的统计分析，假定中心沟污染物初始浓度为10 mg/L(污染物质假定为保守物质)。

潮位边界条件采用三灶站2006年1月26—31日，高高潮位为1.59 m的实
测大潮边界(图1)，外海污染物浓度取为0。

图1 实测大潮边界潮位过程线(单位:m)
1.4 评价指标
换水率可以反映河网水体被置换的程度，换水率的物理含义为:河涌水体与外江水
体在涨潮、落潮过程中，河涌水体与外江水体不断混合，混合后的水体在潮流的作用下向外江输运。

其定义式为:
式中 r——某条河涌;l——里程;t——时间;C(r，l，t0)——河涌某位置初始浓
度场;C(r，l，t)——河涌某位置瞬时浓度场;R(r，l，t)——河涌某位置瞬时换水率。

2 结果与分析
2.1 中心沟水系浓度变化过程
图2—3为换水过程中水体推移过程，其中图2为第1次换水末浓度分布，图3
为第4次换水末浓度分布。

由图2、3可以看出:①中心沟完成第1次水体交换后，天沐河靠近西闸约1.6 km河段保守物质浓度降到5.0 mg/L以下，中北1号排洪
渠由于与天沐河连接排洪渠距离较短(约450 m)，中北1号排洪渠西闸段约0.5 km河段保守物质浓度降到5.0 mg/L，中南1号排洪渠由于与天沐河连接排洪渠
距离较长(约800 m)，中南1号排洪渠整体保守物质浓度无明显变化;②完成4次
景观调度换水后(4次换水过程)，天沐河靠东闸约2.1 km河段保守物质浓度仍在5.0 mg/L以上，中北1号排洪渠靠近东闸约2.4 km河段及5条北排洪渠保守物
质浓度在5.0 mg/L以上，中南1号排洪渠靠东闸约3.0 km及12条南排洪渠保
守物质浓度在5.0 mg/L以上。

图2 实测大潮第1次换水末浓度分布
图3 实测大潮第4次换水末浓度分布
2.2 换水率
实测大潮中心沟水体置换情况见图4。

图4 实测潮位过程中心沟景观调度换水率
由图4可知，第一次蓄放水中心沟换水率为14.55%，即一次蓄放水中心沟保守物质总量为原来85.45%。

两次蓄放水完成一次中心沟换水率达到了28.9%，剩余保守物质占总量71.1%，4次蓄放水完成2次中心沟换水率达到了57.61%，剩余保守物质占总量42.39%。

单次蓄放水过程换水率随蓄放水次数增加而递减，第一次蓄放水中心沟换水率为最高14.55%，第二次蓄放水中心沟换水率为14.35%，第三次蓄放水中心沟换水率14.51%，第四次蓄放水中心沟换水率14.20%。

第三次蓄水过程对应外海高高潮位值最大、中心沟内外水位差较大导致蓄水过程更快，因此较第二次略有增加，但仍小于第一次蓄放水换水率。

总体而言一次蓄放水过程中心沟平均换水率约为14.4%，其换水率也基本符合随交换次数增加总的换水率呈现递增的规律。

3 结语
本文应用DELFT SOBEK软件建立了横琴岛中心沟规划水系水体交换数学模型，利用水闸联合调度，实现了中心沟与外江的水体交换，通过模型计算得到了感潮河段水体交换的效果，为中心沟水系规划及水质改善工程的开展提供了技术支撑。

致谢:本文在撰写过程中参考了珠江水利科学研究院编写的《珠海横琴岛中心沟规划水系水动力控导研究报告》，谨此致谢!
参考文献:
【相关文献】
［1］王佳，江毓武，万振文.一二维耦合模式在“胶莱运河”中的应用［J］. 海洋与湖沼，2009，40(2):145-151.
［2］朱德军，陈永灿，王智勇，等.复杂河网水动力数值模型［J］.水科学进展，2011，
22(2):203-207.
［3］童朝锋，岳亮亮，郝嘉凌，等.南京市外秦淮河水质模拟及引调水效果［J］. 水资源保护，2012，28(6):49-54.
［4］李䶮，曾凡棠，关洪林，等.水闸联合调度下河网水动力过程数值模拟研究［J］. 人民长江，2013，44(23):35-37，66.
［5］李亦芳，葛雷，王新功，等.基于SOBEK的黄河口一维水力学模型适用性研究［J］. 水文，2011，31(5):72-75.。