浅析坝型对城市河道水流特征和溶解氧分布规律的影响

甘俊祥

(江西省源河工程有限责任公司，江西 南昌 330025)

进行综合治理河流和河流生态建设是我国城市河道整治过程中的发展方向，城市河流规划治理的好坏不仅制约着城市的经济建设，也关系着社会和生态的协调发展，当前，我国有超过50%的河流受到不同程度的污染，因此，在快速城镇化的今天，必须对城市河道的治理工作高度重视[1-3]。

城市河道的治理方法较多，包括物理、生态和景观措施，如：截污纳管、引清调水、清淤疏浚、绿色生态护岸、湿地景观、滨河景观、岛屿景观等[4-7]。其中，人工复氧技术是当前最为常用的改善城市河道水环境的方法之一，可分为压气复氧和利用过水建筑物复氧，特别是后者对水质的恢复效果较佳，且比较经济，因而近年来利用水工建筑物复氧这个手段逐渐引起了重视。不同的坝型和边界条件下，其水流特征是有比较大的差异的[8-10]，那么对城市河道的复氧效果肯定也是有区别的，文章在前人研究理论和经验的基础上，对全坝运行、开口坝运行、开口坝+闸门运行等五种橡胶坝型下的水流特性及溶解氧进行了室内模拟试验研究，以期能够为城市河道的整治工作提供科学依据。

1 模型试验概况

橡胶坝是最近几年出现的一种高分子合成材料水工建筑物，已逐渐被应用于防洪、挡潮、城市园林美化等各个方面，具有造价低、工期短、管理维修方便、抗震性能好、地形适应强等诸多优点。文章拟开展不同橡胶坝型对城市河道水流特性和溶解氧变化规律进行室内模型试验研究，具体坝型及尺寸见表1。将总长为7m的试验水槽分为25个断面，每个断面布设7个测点，试验坡度设置为i=5‰，流量设置为3L/s(试验假定情况为平水期)。

表1 试验坝型及模型尺寸

2 试验结果及分析

2.1 水流特性分析

(1)水深分析

不同坝型情况下，试验测得的水深如图1所示。从图中可以看到，在橡胶坝前(过渡区河道)，水深呈逐渐升高的趋势，在坝址处水深达到最大值，而在坝后水深突然骤降，并在距离坝址5～10cm处水深最小，随后由于尾门的作用水深再次呈阶梯式增大状态，只是水深阶梯分布要远小于坝前的阶梯式分布；开口坝(K1,K2)由于左侧开口，整体而言右侧水深大于左侧水深，且坝体的壅水现象不如全坝明显，坝后的水深则略大于全坝，并随着坝体长度的减小(或者说开口尺寸的增加)，坝后的水越深，在K2情况下，坝后出口处的水深基本与坝前的水深一致；开口坝+闸门情况下(KZ1，KZ2)，坝体长度越短，闸门越高，其坝前水深越深，而坝后水深相差不大，但KZ2坝体左后方的水深较大值区域的面积要略大于KZ1，由于闸门设置于左侧，因而左侧水深大于右侧水深。

图1 水深变化特征

(2)流速分析

试验得到的河道流速变化特征如图2所示。从图2中可以看到，全坝运行条件下，坝前流速较为稳定，并由于坝体作用，流速有减小趋势，并在坝前5～10cm处达到最小值，坝后10cm处，流速达到最大值，随后趋于稳定值，但在同一断面上流速分布不太均匀，流速较为紊乱。开口坝K1情况下，坝前的流速较为稳定，但其同一断面的流速值要大于全坝运行情况下的流速值，坝址附近由于左侧开口，因而左侧的流速值大于右侧流速值，并呈阶梯式递减；开口坝K2情况下，由于其开口尺寸较大，因而流速分布较为紊乱，整体上要大于K1，流速最大值区域出现在坝体的左后方，最小值区域则出现在坝体的右后方；开口坝+闸门(KZ1,KZ2)情况下，上游到下游的流速逐渐减小，坝体附近左岸的流速小于右岸流速，坝后流速流向与坝体呈一夹角并顺延这一夹角呈阶梯式递增(由左至右)，开口尺寸越大，闸门高度越高，坝后流速最大值的面积越小。

图2 流速变化特征

2.2 溶解氧特性分析

试验分析得到的各坝型条件下溶解氧沿程变化情况如图3所示。从图中可以看出，Q1和K1运行情况下，坝前的溶解氧浓度经历了相同的变化趋势，即均由大变小，全坝运行时，其同一断面的溶解氧分布相对均匀，沿程整体呈“减小-增大-减小-平缓”的变化特征，而K1情况下，沿程的分布虽然没有Q1时那么复杂，但在坝体前后同一断面情况下，其呈由左至右的阶梯式递减特征，坝体右侧的溶解氧浓度最低，远离坝体后又逐渐趋于平缓；由于K2的开口尺寸较大，其溶解氧的浓度沿程分布较K1平稳，且相同段面的溶解氧浓度明显大于K1，K2溶解氧浓度最小值区域在坝体右侧；开口坝+闸门(KZ1,KZ2)情况下，由于左侧布置了不过水闸门，因此，其左岸的溶解氧浓度值要小于右岸，且开口尺寸越大，闸门越高，其坝体后方溶解氧的最小值区域面积越大，且溶解氧沿同一断面的分布越不均匀。

图3 溶解氧分布变化特征

3 讨论

文章以室内模型试验为基础，探讨了不同坝型对河道水流特征和溶解氧特性的影响研究，随着橡胶坝在城市河道治理工程中的普及使用，能够为兼顾生态的城市河道治理提供试验数据和理论支撑，为不同环境河道的整治工作提供不同的治理方式；但由于试验条件和精力有限，作者仅对单坝型情况下的水流和溶解氧特征进行了分析，将来做进一步试验，以便分析复合坝、不同流量、不同比降河道等复杂情况下的水流特征和溶解氧分布规律，提供更加符合实际情况的河道生态治理建设方式。

4 结论

文章采用室内模型试验方法，对全坝运行、开口坝运行、开口坝+闸门运行等五种形式下的水流特性及溶解氧分布规律进行了分析，得到了不同坝型下水流和溶解氧沿程和断面分布的异同点，能够为橡胶坝在城市河道治理工程中的推广使用提供科学依据。