基于MIKE11模型的昆山市张浦镇张西联圩水系活水畅流方案研究

陈 晨，许珊珊

(河海大学设计研究院有限公司，南京 210003)

0 引 言

张浦镇位于江苏省东南部的昆山市新城南郊，太湖流域东部，地理位置十分优越。位于江南水乡的张浦镇，水环境的优劣直接影响到人民群众的生活品质和经济的可持续发展。

近年来，张浦镇积极响应“美丽昆山”建设，重视水环境治理，积极开展黑臭河道整治，推进生活、工业污水收集处理，取得了显著成效，圩内河道水质总体得到改善。但还应看到张浦镇在水环境治理与保护中存在的薄弱环节，尤其是河道水体动力方面，镇内河道存在水体动力不足，流动性不强，部分河段水不活、流不畅等问题。张浦镇境内水系发达，现状有13个联圩，村级以上河道429条。因此，研究加强张浦镇联圩水利工程联合调度方案，充分发挥现有水利工程综合效益，外引清水补给，内部加强水系畅通，对进一步改善圩内河道水环境具有重要意义。本次研究选取张浦镇主镇区所在地——张西联圩进行活水畅流方案研究[1]。

1 研究数据与方法

1.1 研究方法

采用MIKE11软件的水动力模块模拟张浦镇张西联圩水动力情况。MIKE11软件广泛应用于河口、河网的水位、流量、水量模拟。MIKE11模型河道一维非恒定流的水动力学模拟基于圣维南方程。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：A为河道过水面积；Q为流量；u为侧向来流在河道方向的流速；t为时间；x为沿水流方向的水平坐标；q为河道的侧向来流量；α为动量修正系数；g为重力加速度；y为水位；Sf为摩阻坡降，其计算方法如下：

(3)

在河道交汇处通过水量平衡关系连接各河段：

(4)

式中，L(m)为连接到节点m的河段数；M为节点总数；V为河道交汇点蓄水量；Qmn+1为n+1时段流入节点m的外加流量；Qm,ln+1为n+1时段河段l流入节点m的流量；河道恒定流的模拟可采用曼宁公式：

(5)

式中：A为断面过水面积；Q为流量；n为糙率；R为水力半径；i为底坡。

水量模型的建立需要大量的基础数据作为支撑，主要包括河道断面数据、水文数据以及主要泵站、水闸流量等，通过对这些数据的分析、处理，形成河网文件、断面文件、边界文件、参数文件。

1.2 研究数据

本次模型计算共概化河道55条，计算断面646个，闸站等控制建筑物11座。本次模型构建的河网文件为：在现状工况下，河网根据现状水系分布确定，规划工况下，根据《昆山市张浦镇水系规划》中规划的水系确定河网布局；断面文件：河道断面变化不大的河道，通过概化，保证河道过水能力一致，则该条河道采用相同河道断面；河道断面变化大的河道，对河道进行分段，各分段河道采用相应河道断面。边界文件及参数：本次模型计算中，圩内初始水位采用常水位2.8m，圩外河道水位采用2.8m，泵站流量根据方案给出泵站的实际引水流量；本次模型中，河道糙率的选择根据河道实际护面种类与状况，并参照项目区附近同类项目综合确定糙率，取0.023。

2 活水畅流方案与效果分析

2.1 活水畅流方案

张西联圩总面积17.21km2，联圩地形狭长，南北向长约6.0km，东西向宽约3.0km。根据《昆山市张浦镇水系规划》，张西联圩圩内水系格局为“三纵四横三湖面”，圩内河道55条，规划水面率9.5%。活水畅流是利用水利工程，通过动力引排，增加水体流动性，提升水体自净能力。根据张西联圩地形特点、规划水系和水利工程布局，采用不同活水方案进行比选，选择合理可行、流速分部最优的活水方案作为推荐方案。在比选的方案选择时，应先对联圩基本情况进行详细分析，根据联圩特点，有针对性地确定比选方案，避免盲目确定方案，导致比选方案过多、分析计算工作量过大[2]。

根据张西联圩地形特点和水利工程布局情况，初步确定活水畅流引排方向，张西联圩紧邻吴淞江，圩内有多条支流与吴淞江相连，引水水源可选择吴淞江。张西联圩地形呈南北长、东西窄，活水主流向考虑从北往南，以最大范围调动圩内水体。为兼顾东西向河道水体流动性，可考虑在东西向增加引水口或排水出口，增加东西向河道水体流动性。

张西联圩内水系发达，河道众多，仅依靠动力引排往往主要河道流动较快，支流河道、断头浜等流动性依然较差，难以让圩内所有水体流动起来，因此，制定方案时，考虑先采用泵站排水或引水，降低或升高圩内水位后，再开闸引水或排水，实现圩内所有水体均有一个水位先降后升或先升后降的过程，以使圩内所有水体均能产生一定流动，但应注意水位差不宜过大，以防在开闸引水时，局部流速过快或水位骤降深度过大，对水利工程和河道边坡安全造成不利影响[3-4]。

本次研究拟采用以下3种活水方案进行比选。

方案一：“南排北引”方案：

“南排北引”方案确定张西联圩活水方式为：利用联圩南部现有的排涝泵站，向圩外河道支浦江排水，同时开启联圩北侧位于吴淞江沿线的防洪闸，向圩内引水。并通过先开启泵站预降圩内水位，再开闸引水，实现圩内所有水体均有流动。

方案一拟先开启大直江站、张浦江南站向圩外排水，排水总流量14m3/s，排水1h，抽排水量约5.04万m3，圩内水位降低约3cm，再开启吴淞江沿线防洪闸引水，活水时间结束后，先关闭排水泵站，等圩内水位平稳后，再关闭引水闸。每天活水时间为12h，每天活水量约占圩区总水量12.6%。张西联圩活水方案1示意图见图1。

图1 张西联圩活水方案一示意图

方案二：“北引东南排”方案：

“北引东南排”方案确定张西联圩活水方式为：北引吴淞江水，向南排入支浦江，活水主流方向为由北向南，同时增加东西向支流动力，在联圩东侧利用泵站排水入支天浦江。并在水系相对独立区域，利用现状河道和排涝泵站构造局部小循环。

方案二拟先开启大直江站、张浦江南站、西横灌泾站向圩外排水，总流量19.5m3/s，排水1h，抽排水量约7.02万m3，将圩内水位降低约4cm，再开启吴淞江沿线防洪闸引水，活水结束后，先关闭排水泵站，圩内水位平稳后，再关闭引水闸。在联圩北部，由于水系相对独立，利用现有的林家潭灌排站和月如江闸，构造局部水系小循环。每天开机时间为12h，每天活水量约占圩区总水量17.6%。张西联圩活水方案二示意图见图2。

图2 张西联圩活水方案二示意图

方案三：“北西引南排”方案：

“北西引南排”方案确定张西联圩活水方式为：北引吴淞江，南排支浦江，并在联圩西侧增加补水泵站，增加东西向河道流动性。同时利用现有水利工程，构造局部小循环。为提高方案运行保证率，新建补水泵站向圩内引水，通过联圩南侧防洪闸向圩外排水。方案运行时，先开启补水泵站向圩内引水，提高圩内水位后，再开闸排水，以实现联圩全部水体流动。

方案三规划新建4座活水泵站，北引吴淞江水，向南排入支浦江。拟错开引排水时间，先开启月如江、顾仙江、林家潭、吴千斤浜活水泵站，引水总流量17m3/s，引水时间1h，引水量约6.12万m3，圩内水位升高约3.5cm，再开启支浦江沿线水闸排水，活水结束后，先关闭泵站，圩内水位平稳后，再关闸。每天开机时间为12h，每天活水量约占圩区总水量15.3%。张西联圩活水方案3示意图见图3。

图3 张西联圩活水方案三示意图

2.2 方案效果分析

方案一、方案二均为结合现有闸站进行活水，方案三拟新建引水泵站，采用动力向圩内引水。各方案的模型计算结果见表1。

表1 张西联圩不同方案流速成果统计表

根据模型计算结果可知：现状工况下，联圩东南侧由于河道联通性较差，断头河浜较多；根据流速成果可知，现状现状工况下流速v<0.01m/s的河段占比41%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比30%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比29%。

方案一(“北引南排”方案)中，红星新开河、西横灌泾等横向河道流速极小，基本不流动。根据流速成果可知，方案一中v<0.01m/s的河段占比39%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比46%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比15%。

方案二(“北引东南排”方案)中，开启了横向泵站西横灌泾站以及北侧的林家潭引排站后，红星新开河、西横灌泾等横向河道流速加快，流动性明显增强，但在联圩东南侧，庙湾江与支天浦江之间横向河道流速依然很小，基本不流动。根据流速成果可知，方案二中v<0.01m/s的河段占比31%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比45%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比24%。可见，同为结合现有与规划的排涝泵站进行活水，方案二流速分布优于方案一。

方案三(“北西引南排”方案)规划活水泵站补水工况下，联圩内河道流速分布最优。根据流速成果可知，方案三中v<0.01m/s的河段占比23%，0.01≤v<0.05m/s的河段占比24%，0.05≤v<0.2m/s的河段占比53%。根据模型流速分布图可知，在联圩东北庙湾江、亿城河、宝觉河、花园河河道流速均>0.01m/s；亿城新开河、古仙江等河段流速达到0.08m/s。结合流速成果及流速分布平面图可知，新建引水泵站、采用动力向圩内引水的方案三优于方案一、方案二。

3 结 论

张西联圩地形狭长，与东侧支天浦江相通的河道较多，给圩内河道活水带来一定难度。本次研究基于Mike11模型建立张西联圩一维河网水动力模型，模拟圩内河网流速分布。根据对各方案计算结果分析，张西联圩活水方案推荐采用方案三，即新建引水泵站，从吴淞江引水对圩内河道进行活水。推荐方案下，每日活水时间为12h，一次活水量约占联圩总水量15.3%。但方案三需新建活水泵站，在活水泵站建成之前，可采用方案二对张西联圩进行活水。

通过活水畅流方案研究，为张浦镇张西联圩水环境治理与提升提供了依据。根据联圩地形特点，充分发挥现有水利工程综合效益，局部增加活水工程，在经济合理的基础上实现联圩活水畅流、改善水质的目的，从而为提高群众生活品质、实现经济的可持续发展提供条件。