阜阳市颍西片区活水工程方案研究

董胜男， 张龙阳

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省水文局，安徽 合肥 230031)

1 项目概况

1.1 项目背景

阜阳市位于安徽省西北部，淮河以北，阜阳市区位于市域中部，淮河主要支流颍河自西北向东南流经市区，泉河自西向东注入颍河，将城市自然分割成颍西、颍东、泉北三大分区，城水相依。

近年来，随着阜阳经济的飞速发展，水环境问题也日趋恶化。根据检测资料，阜阳市颍西片区七里长沟、七渔河、西城河、东城河、南城河等河道水质均为劣Ⅴ类，被列为黑臭水体。河道污染严重，一方面由于城区河道的雨污合流，导致大量污水未经处理直排入河，另一方面由于地处平原河网区，河道水体流动性差，河道水源补充不足导致河道纳污能力下降[1]。随着雨污分流改造的同时，通过水系沟通，建设活水工程，加强水体流动，可以有效提高河道的纳污能力[2，3]，增强河流生态修复功能，从而改善颍西片区河道水质和人居水环境。

1.2 项目范围

根据颍西片区所在区域及水系情况，本次颍西片区活水工程研究范围北到泉河，东到颍河，南到芦桥沟、跃进沟，西到七渔河和人民河，研究面积为201 km2，范围如图1所示。

根据颍西片区蓄水工程规划，工程范围内划分了两个蓄水分区，其中颍西Ⅰ区面积为81 km2，正常蓄水位27.50 m；颍西Ⅱ区面积为120 km2，正常蓄水位27.00 m。

图1 项目范围图

1.3 活水现状及存在问题

阜阳市泉河、颍河穿城而过，阜阳闸枢纽位于阜阳市三里湾泉河入颍河口处，闸上设计正常蓄水位28.00～28.50 m，闸下最低蓄水位22.00 m，但由于上游农田片区排涝问题，阜阳闸上蓄水位一直未达到正常蓄水位，近年来随着上游片区河道治理，阜阳闸上正常蓄水位在逐渐抬高。阜阳闸上下游较明显的水位差为颍西区提供较为有利的自流活水条件。

目前颍西区主要利用西城河涵、七渔河涵自泉河引水，经内部河道，排入阜阳闸下。但由于现状引水补水点较少，补水水体主要沿流程较短的河道流出，部分河道形成死水区，水体流动性不足，活水效果较差。

2 生态需水量分析

目前，生态需水量计算还处于探索阶段，其计算方法众多，不同方法间计算成果差别较大[4,5]。根据《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712-2014)附录A[6]，生态环境需水量计算通常有Tennant法、Qp法(又称不同频率最枯月平均值法)、水量平衡法、7Q10法(又称最小流量法)等。本次河道生态水量的确定采用Tennant法、保证率分析法和水量平衡法[7]，并按照最基本的生态要求和生态效果非常好的两种工况进行分析，选取每种工况下不同方法的大值作为本次河道生态需水量(表1)。

表1 河道生态用水量成果分析(单位：万m3/d)

三种方法在两种工况下的生态条件需水量的计算成果：为保证河道能够维持最基本的生态需求，日生态需水量为26.94万m3，其中颍西Ⅰ区10.27万m3，颍西Ⅱ区16.67万m3；为保证生态效果非常好时目标生态环境需水量要求，最大日补水量为100.46万m3，其中颍西Ⅰ区44万m3，颍西Ⅱ区56.46万m3。

3 活水条件分析

3.1 外水水源条件分析

根据区域水系分析，颍西片区活水工程的外水水源为泉河水。根据阜阳闸水文站(1959～2017年)历年日平均水位资料分析，阜阳闸上历年日平均水位在27.50m以上天数占总天数的百分比为55%，其中汛期日平均水位在27.50m以上所占百分比为55%，非汛期日平均水位在27.50m以上所占百分比为54%。

但资料显示，2011年以来，阜阳闸上蓄水位明显抬高，蓄水位27.50m以上天数年均在300 d以上，其中2013年、2015年全年都在27.50m以上。根据阜阳闸上蓄水容量曲线，阜阳闸上蓄水位在27.50～28.00m间蓄水容积约为1 400万m3。在上游无来水情况下，可保障颍西区在基本生态环境需求下补水约50 d，在目标生态环境需求下补水约14 d。

3.2 引排水工程条件分析

(1)引水涵闸条件分析。根据调查，颍西片区可利用的现有引水涵闸4座，分别为永丰河闸、七渔河引水闸、西城河引水闸、东城河引水闸，根据现状涵闸规模计算不同内外水位条件下过流能力，当外河水位高于27.80m时，同时打开各引水闸是能够满足不同活水方案的引水规模要求。

(2)排水涵闸条件分析。颍西片区现状主要出口涵闸主要有6座，包括七里长沟出口闸、华桥沟出口闸、芦桥沟出口闸、东清河出口闸、中清河出口闸和七渔河出口闸。根据各排水闸现状涵闸规模计算不同内外水位条件下过流能力，现状出口闸的总规模能够满足活水方案的排水要求。

4 活水工程方案

工程区除引水、排水涵闸外，还有15座水位、流量控制闸，由于涉及河道及闸坝工程较多，调度复杂，本次活水工程方案论证采用MIKE11模型进行分析[8]。

4.1 MIKE11模型简介

MIKE11水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态。

式中：x、t分别为计算点空间和时间的坐标，A为过水断面面积，Q为过流流量，h为水位，q为旁侧入流流量，C为谢才系数，R为水力半径，α为动量校正系数，g为重力加速度。

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解。该格式在每一个网格点不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

4.2 模型参数的选取

MIKE11模型参数文件主要是定义模拟的初始条件和河床糙率。初始条件设定的一个很重要目的是让模型平稳启动，所以原则上初始水位和流量的设定应尽可能与模拟开始时刻的河网水动力条件一致，本次设置初始水位同各分区正常蓄水位。

河床糙率根据地质资料及护坡材料，查糙率表选定。根据河道不同断面及护坡型式，本次各河道糙率选择范围为0.017～0.028。

4.3 模型边界条件

入流边界：由于本次为活水工程，主要考虑通过泉河水引水，因此本次入流边界为设置固定流量。

出流边界：本次出流边界为对外水系，且为非汛期的自由出流，因此出流边界均为按照蓄水水位控制要求的自流溢流。

4.4 河网模型概化

MIKE模型的建立关键是河网模型的搭建，河网模型搭建合理则模型稳定性好，运算速度快。本次MIKE模型河网搭建过程中，充分考虑模型的稳定性及运算速度，适当对河道水系进行概化，在不影响总体活水方案的前提下，有效改善模型运行条件，概化后河网模型及各闸坝位置如图2所示。

图2 活水闸坝位置图

4.5 活水工程方案

由于区内涉及河道、闸坝较多，不同闸坝之间的调度组合方案多达上千种，本次活水工程提出优化条件下的活水方案，该方案主要利用已建成的闸坝，通过不同闸坝的控制调度，实现河道活水的有效控制。通过分区、各闸坝分功能组合后，将论证方案主要划分为11大类，51个方案依次进行分析，经过对河道在不同方案中的活水效果分析，确定河道活水的最佳调度方案，并通过调度方案的有效归集，形成可靠易行的调度方案。

本次活水工程分析河道33条，由于同一河道在不同河段受与其他河道交叉后形成的分流与汇流影响，同一河道又可分为多个河段，此次共分析河段102段。对所有河段分别在不同活水调度方案中的活水流量进行分析，由此确定在引水流量一定的前提下，各河段的最大活水流量。

根据MIKE11模型模拟结果(图3)，除断头河外，其他河段均能进行不同程度的活水，因此该优化条件下的河道活水方案基本是满足活水要求的，对于不能活水的断头河新建断头河水体自循环活水系统来改善该河段的活水效果。

图3 河道活水流量大小示意图

5 结论及建议

颍西片区水系活水工程通过利用阜阳闸上、闸下的水位差，形成较好的自流活水条件，利用现状已建涵闸、配套河道连通工程并结合片区水系内部的控制闸调度，实现不同河段的科学合理调度，有效改善河段活水效果，基本能满足颍西片区水系的活水要求。由于本次活水工程分析中涉及的活水工程调度方案较多，且在一种调度方案中有效活水河段是比较固定的，因此为确保颍西片区各条河道的活水效果，建议按照调度不同规则，进行定期调整。