基于MIKE11的闸坝操控与河流水质水量响应关系模拟

杨 洵，李 伟，张 勤，王志坤，赵 博

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

1 研究背景

辽宁省本溪辖区内太子河观音阁—参窝河段，起于观音阁水库坝下，止于参窝水库入库白石砬子断面，长约80 km，平均坡降0.126%。为了保持城市景观水位，河道上相继修建了12座闸坝。

在河段中下游，聚集了大量的沿河排污口，入河排污量大，加上闸坝的存在，使得河道水流不畅，水体稀释扩散作用降低，水体污染较为严重。参窝水库长期受该污废水影响，水库水体功能降低，仅能作为农业灌溉用水，养殖功能几乎丧失。为了改善河段的污染现状，需要对该河段上的闸坝进行积极有效的调控。

2 研究方法及闸坝调度操控

研究采用丹麦DHI公司研发的MIKE11商业软件水动力、水质模型作为模拟建模工具，其中水动力模型中的可控建筑物模块（SO）是MIKE11水动力模型（HD）的特色[1]，提供了丰富的闸门操作设计，可以模拟多种水工建筑物，包括堰、箱涵、桥梁和自定义建筑物。其计算模式有迭代、表格、关闭、全开等9种。模型中可设置不同的调度方案及其优先级，选择合适的控制点和目标点，细化调度目标和调度时机，模型自动计算闸门的开启高度，极大地提高了对各类实际工程情况的模拟能力。模拟研究进行的背景是在现状年（2008年）的水文水动力条件及排污情况下，以研究河段下游72 km处排污集中处的10号闸彩屯闸为研究对象。模拟实验设计了如下5种基本闸门操控方式：恒定闸门开度、恒定过闸流量、脉冲流量、开闸和关闸，模拟研究河段闸坝上下游水位流量和指示性污染物氨氮（NH3-N）对闸坝五种调度操控方式的响应关系。

2.1 恒定闸门开度

人工频繁启闭闸门费时劳力，闸门在实际运行中可能在一段相对较长的时间内保持开度不变，因此设计了闸门开度恒定的操控方式实验。为了获得闸门不同开度对其上下游水位流量和污染物浓度的影响，设计两种闸门开度，分别为0.1 m和0.25 m。在枯水期和丰水期分别进行了闸门不同开度工况的模拟实验，得到了相近的结论。下面以丰水期的模拟实验结果加以说明。

当上游来水量较小时，过流形式属堰流，闸门两种开度的过闸流量相同；当上游来水量加大，闸前水位高于闸门开度，呈闸孔出流，过闸流量随水头即上游水位而定[2]：闸门小开度工况，水流缓慢均匀通过，闸门大开度工况则呈现出集中水量的态势。在闸门小开度模拟工况下，来水量得不到及时下泄，由于河槽蓄水量小，使得闸前水位迅速抬高。由模拟实验结果可知，在过闸总水量相同的条件下，若水流过闸形式不同，上游也会呈现出迥异的水位状态。闸门大、小开度两种工况下水位相差不大，这是由闸下游宽浅的河槽断面状态所决定的。

不同闸门开度对闸上下游水质浓度的影响分析如下：

闸门小开度工况时，上游壅水，增大了可稀释可用水量，但是同时水体同时也在接纳新排放的污染物，因此闸前污染物浓度变化不大，水体流动缓慢，污染物在河道中主要靠水体自净作用降解；在闸门大开度工况下，下游污染物浓度与来水量是相呼应对应的，来水量较大时，来水对闸下游污染物的冲释作用大，水质状况情况也随之转好。可以看出，大、小闸门开度两种工况对闸前污染物浓度的影响不明显。不同开度工况对闸下污染物浓度的影响在，则是在枯水期较为变化明显，表明说明河道中污染物的稀释扩散作用在小流量时，对河道水量的变化较为比较敏感。

2.2 恒定过闸流量

当下游河道对流量有控制要求时，需要控制闸门开度，使上游来水均匀下泄，即恒定过闸流量，实验设计如图1所示。

图1 恒定过闸流量

控制闸门开度，以22 m3/s的流量均匀过流，多余的水量被闸坝拦蓄，闸前水位迅速上升，闸下水位恒定。在过闸流量大于河道原流量的时段能够有效降低下游污染物浓度，虽然削去了流量峰值，闸下污染物浓度略有升高。这种操作使水量均匀通过，闸门上下游的污染物浓度都有所降低，但是使上游水位波动较大，并且使得闸门开度变化频繁，不利于实际操作。

2.3 脉冲流量

图2 过闸流量

在枯水期和丰水期分别进行了脉冲流量的模拟实验，如图2所示，以枯水期的实验结果来说明。

下游闸门过闸流量呈现出脉冲的形式，闸下游污染物浓度和水位受脉冲流量影响而波动，但是对闸下游污染物浓度并没有明显的降低作用。分析其原因，是关闸断流以及开闸集蓄的污水团下泄的不利影响大过了脉冲流量这种高流速的扩散作用。在这种闸坝调度操控方式下，闸门启闭频繁，不利操作。该实验确定脉冲流量对河道水质改善并没有效果，但是对水生态是否起作用还需要另行研究。

2.4 开闸

闸门从小开度过流到完全开闸泄流，过闸流量增大，累积的水量下泄，闸下污染物浓度随之降低，在稀释扩散的同时，上游污水团冲向下游，污染物浓度峰值随时间向下游运移，造成对下游的污染。开闸时间愈长，水体得到稀释和扩散作用的时间也就愈长，从而扩散的范围也就愈大，混合的也就愈均匀，水体污染程度有所减轻。4 d后经过稀释降解，峰值消失。

2.5 关闸

关闸后，闸门上游水位迅速上升，上游污染物浓度由于水量累计的稀释作用而有所下降，但是下游断流，河流的稀释、扩散、棍合和净化能力逐渐减弱，以至于完全丧失，与此同时仍有大量污废水不断排入下游河道，污染物只能依靠自身的微小的衰减作用降解，此时造成闸下严重污染。

3 结论

分析闸门上述5种调度操控方式的模拟实验结果，得到以下结论：

1）闸门启闭对其上游水位影响较大，对其下游污染物浓度影响较大。

2）严禁河道断流现象发生，在维持景观水位的同时保证小流量下泄。

3）应对闸门进行均匀开启或关闭，小开度，多开孔。

4）脉冲流量对于污染物浓度降低作用不明显。

5）关闸对闸前污染物浓度的影响与蓄水容量和排污强度有关。

6）污染物衰减过程对水流低流量更为敏感，在大流量时，流量的增大对污染物浓度降低的改善效果并不明显。

[1]Danish Hydraulic Institute.MIKE11：A modeling systemfor rivers and channels reference manual[R].2004.

[2]吴持恭.水力学（上册）[M].北京:高等教育出版社，2003，11.