基于一维河网模型广昌水闸改扩建工程参数分析

莫达明

（珠海汇炬项目管理有限公司，广东 珠海 519075）

1 工程概况

广昌水闸改扩建工程位于珠海市香洲区南屏镇广昌涌河口处，原闸建成于2000 年，地处中珠联围中部，是中珠联围七个外江水闸之一。原工程工程等别为Ⅲ等，属于中型工程，原主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级。

2 一维河网模型建立

2.1 基本原理

水利模型计算范围为前山河干流、洪湾涌、沙心涌及广昌涌。平原河网水利计算采用河网非恒定流方法。

根据萧山区河道纵横、水利设施形式多样的特点，计算中考虑了山区河流、桥梁、闸泵等工程对洪流演进的影响，逐时计算河网的洪水过程。平原河道交错纵横，水流流向复杂，计算采用一维非恒定流方法，计算公式如下：

式中：B 为水面宽，Z 为水位，Q 为流量，q 为旁测流量，v 为断面平均流速，g 为重力加速度，F 为过水断面面积，K 为单位过水断面面积流量模数。此数学模型考虑了堰、闸、阻水桥梁、区间水量交换，以及河网、田面等调蓄作用等因素。

中珠联围的排水主要依靠大涌口、石角咀、洪湾和广昌四个水闸，故此次排洪复核采用以上四座水闸联合排洪，进行调洪演算。此次河道水利计算模型采用MIKE11 水力学计算软件，将整个计算范围看为整体，在1/10 000 航测图通过对各河涌进行涌容量算，相加后得到整个围内总的涌容曲线。根据水位库容曲线进行河网概化。

2.2 水利计算边界条件

①上边界前山河流域内河设计洪水过程。②下边界为典型潮位过程。③洪潮组合情况潮洪组合情况：此次计算洪潮的遭遇时间为最高潮遭遇洪峰出现。④根据广昌水闸防洪防潮标准，设计洪水标准为50年一遇，校核标准为100年一遇，防潮标准为100年一遇，此次计算工况组合：

组合1：上游50 年一遇洪水遭遇下游2 年一遇设计潮位过程。

组合2：上游2 年一遇洪水遭遇下游100 年一遇设计潮位过程。两种洪潮组合取外包线，即为此次水面线成果。

2.3 一维水质模型

2.3.1 计算范围

此次前山河流域一维水质计算数学模型范围包括前山河流域（共计60条河涌）以及其外江的磨刀门水道河段。其中外边界位于磨刀门水道及马溜洲水道，上边界为磨刀门水道竹银附近，下边界分别为磨刀门水道横琴及马溜洲水道末端。

2.3.2 地形数据

前山河流域各河涌地形将以此项目2016年12月测量的河涌地形断面资料为主，局部没有新测地形的河道则采用2010年以来河涌断面进行插补，磨刀门水道及马溜洲水道则采用2015年的河道地形测量资料进行河道断面提取。

3 一维河网模型计算结果分析

3.1 防洪排涝调度原则

汛期暴雨阶段，广昌水闸、洪湾水闸和石角咀水闸共同承担防洪排涝任务，闸内控制水位为0.60 m。当闸上水位高于控制水位0.60 m且闸上水位大于闸下水位，通过调控开闸孔数及闸门开度来泄洪，来多少泄多少；上游来水较大且水位上涨时，逐步加大闸门开度至闸门全开，下泄各种频率的洪水。当闸上水位高于控制水位0.60 m且闸上水位低于闸下水位时，需关闭广昌水闸。

3.2 区域现状防洪排涝能力分析

前山河流域：“一河两涌”采用100 年一遇洪水设计，通过一维河网模型对不同洪潮遭遇情况时围内水位进行分析，当以外江洪潮水位为主时，遭遇围堤内相应日最大降雨为92.40 mm产生的洪水，经模型计算，其围内相应水位为1.64 m。

当以围内洪水为主时，经模型计算，百年一遇及200 年一遇洪水位超过2 m，现状内河涌两岸堤防高程部分仅为1～2.20 m，以洪为主工况下洪水位超过两岸部分堤顶高程，对河涌两岸围内防洪造成威胁，各频率最高内河水位见表1。

表1 各频率以洪为主调洪演算成果表

3.3 工程规模计算

由于前山河流域内集雨面积较小，天然径流量小，遇到小潮、中潮时，围内水闸关闭挡潮，水体动力不足，流动性差，水质富营养化严重，导致前山河国考断面达标压力较大。

自广昌水闸引水，经广昌涌、沙心涌、前山河水道珠海段至石角咀水闸排出，河道长达14.86 km，河底平缓，水流缓慢，仅利用广昌水闸涨潮时引水（受两岸堤围限制，最高引水水位0.80 m），石角咀水闸落潮时排水，受潮差较小及涨落潮时间较短等限制条件，造成河道上下游水头差小，水流动力不足，水体交换率较低。因此仅利用广昌水闸进水和石角咀水闸排水双闸联合调度进行生态补水的效果有限。

广昌水闸重建工程，一个重要功能就是增设引水泵站。结合石角咀水闸改扩建工程（增设排水泵站）、广昌涌沙心涌内堤加高工程等一起，形成前山河珠海境内统一的调度体系。在涨潮时关闭石角咀水闸同时同步开启石角咀排水泵站，开启广昌水闸引水（至围内水位0.80 m关闸）；在落潮时关闭广昌水闸同时开启广昌抽水泵站，开启石角咀水闸排水，从而形成单向水体流动，增加水动力，提高前山河水体交换能力，增加前山河流域水环境容量，提高前山河生态流量保障水平。

根据《前山河生态补水专题》按两种情形对计算组次进行设定，第一种是水闸和泵站共同调度，即当进水闸由于退潮无法引水、排水闸由于涨潮无法排水关闭的时候才启用泵站进行抽和排调度，以增加补水时间；第二种情形针对的是特枯水文条件时，外江咸潮比较严重，水闸都保持关闭状态，仅依靠广昌泵站和石角咀泵站分别抽和排进行调度。将前山河流域内氨氮浓度作为重点分析对象，得到泵站建设对石角咀水闸国考断面水质影响，从而确定泵站设计流量和装机规模。

引水方案设计是结合石角咀水闸重建工程新建排水泵站，规模20～50 m3/s；广昌水闸改建为双向进、排水闸，新建双向泵规模20～50 m3/s，新建蜘洲涌水闸、加高广昌涌洪湾涌沙心涌内堤等工程进行配套。

闸泵综合调度条件下，不同泵站流量下石角咀断面氨氮浓度变化可看出，流域内各闸门实行分别只进不出的调度策略后，已经形成了单向流，水体交换速度相对较快。河道内V类水质基本经过60 h即可达到Ⅱ类水质。

在此期间，水质峰值出现在33小时左右，水质达到了劣V。根据水闸调度规程，这主要是由于石角咀水闸开闸，导致上游各内河涌污染物大量排出，导致断面水质明显恶化。在各水闸因外江水位过高无法进水和排水时，通过广昌泵站和石角咀泵站调度至广昌涌、沙心涌和前山河珠海段形成闭合的循环回路对石角咀断面污染物浓度有一定的降低效果，峰值浓度随泵站流量的增大表现为递减的趋势，氨氮浓度峰值从3.14 mg/L 降低至2.82 mg/L，降低幅度分别为10.60%和9.28%。当泵站流量为50 m3/s 为泵站增强流量对水质影响效率的一个拐点，此时峰值降幅为8.84%，再继续增加泵站流量后，水质改善效率会相对较小，从而总体效益不高。

在特枯水期，为防止咸潮上溯对内河涌水质的影响，会将各闸门进行关闭。在此情况下，仅靠泵站进行同时抽排，对河涌水质也具有较为明显的改善效果。CASE1-0 m3表示闸门全部关闭且不进行泵的运用，此时石角咀断面氨氮浓度基本保持为Ⅴ类水质的一条直线，仅在氨氮自身衰减的作用下略有降低。当采用泵站引排水10个流量后，水质即有较明显的变化，在360 h后，水质基本能达到Ⅳ类水的标准。当泵站引排水流量以此增大到100 个流量后，水质最终能维持Ⅲ类水的标准。同样在泵站50 m3/s处，存在一个效率拐点，在此情况下水质55 h后基本能维持Ⅲ类水的标准，而继续增大流量，对水质改善的效率的提高就很有限了。

综上所述，泵站设计流量采用50 m3/s，以达到最佳的投入产出比。

4 结论

根据珠海市广昌水闸工程的实际情况，通过收集流域河网参数，建立一维河网模型。通过模拟分析计算，闸泵综合调度条件下，河道内V类水质基本经过60 小时，即3 天半左右即可达到Ⅱ类水质。综合分析确定，广昌水闸泵站设计流量采用50 m3/s，具有最佳的投入产出比。