（船舶与海洋工程专业论文）深圳凤塘河河口生态恢复工程水动力学试验研究.pdf

华毒理王丈学工程骥士擘整论支 摘要 城露水污染越来越受到社会关注。城市游流污染物捧放量大，承俸交换髓力弱，铡 约了城区河流水环境质量提升。如何提高受污水体的自然净化能力照水动力学与环境治 理的交义学科，是耳前水污染治理的一个重要研究内容。水污染的综食整治措施包括物 理、傻擘、生凌等方法，箕巾，凌理方法是袋藏零夔，透过截污、萼| 窳狰淤等工程接藏 可有效政酱水污染状况。由于河道所处环境不同，需要因地制宣，采取适当的工程措施。 本文基于对深圳市凤塘河现状条件分析及河口生态恢复工程水动力学试验，对滨海河口 承污染浚溪戆工程撞施送纷了磅究。研究豹圭燮内容有： l 、避彳亍风塘河河口形态及水流、永质状况调查，分析风塘河水流条件及污染耪遴 动规律。 蔻。 2 、分析凤塘河生态恢爱正程实施的约束条件，设计改善凤塘河水质状况的工程攒 3 、建立凤塘河河口物理模型，进行凤塘河擞态恢复治理工程物理模型试验研究， 论证治瑷工程的合理性。 关键词：风塘河；永体交换；水动力学；潮汐；i e 态物理模型； 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i do nw a t e rp o l l u t i o ni nc i t y t h ew e a ke x c h a n g ec a p a c i t y o fw a t e rr e s t r i c t si m p r o v e m e n to fu r b a nw a t e re n v i r o n m e n tq u a n t i t y h o wt or a i s et h e d e c o n t a m i n a t i o nc a p a c i t yo fn a t u r a lr i v e ra st h es a n l er e s e a r c hs u b j e c to fh y d r o d y n a m i e sa n d e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ei sa ni m p o r t a n c er e s e a r c hc o n t e n t si nw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la r e a c u r r e n t l y a m o n gt r e a t m e n tm e t h o d so fc i t yr i v e rp o l l u t i o ns u c ha sp h y s i c s ，c h e m i s t r ya n d b i o l o g ye t c t h ep h ) r s i c sm e t h o d s ( i n c l u d e ds e w a g ei n t e r c e p t i n g ，s l u d g er e m o v i n g ，w a t e r s u p p l y i n ga n ds e t t l i n gd a me t c ) a r et h em o s tb a s i c ，w h i c hc a ni m p r o v ew a t e rc o n d i t i o n e f f e c t i v e l y r i g h tt r e a t m e n tm e t h o d so fc i t yr i v e ra r ed e r i v e df r o mi t su n i q u ee n v i r o n m e n ta n d t a k ea c t i o n st h a ts u i tl o c a lc i r c u m s t a n c e s b a s e do nt h ew a t e rq u a l i t ys u r v e ya n dm o d e lt e s to f f e n g t a n gr i v e r ，t h et r e a t m e n tm e t h o d so fs e a s i d ew a t e rp o l l u t i o na r ep r o p o s e d t h em a i n c o n t e n t so fs t u d yh a v e ： ( 1 ) f e n g t a n gr i v e rp r e s e n te s t u a x y p a t t e r na n d w a t e rq u a l i t ys u r v e y ，c u r r e n tc o n d i t i o na n d p o l l u t a n tt r a n s p o r tr e g u l a t i o no f f e n g t a n gr i v e ra r ea n a l y z e d ( 2 ) a n a l y z i n g t h e s t i p u l a t i o nc o n d i t i o no fe c o s y s t e m i n s t a u r a t i o n e n g i n e e r i n go f f e n g t a n gr i v e r , d e s i g n i n gt h et r e a t m e n tp r o j e c to f w a t e rp o l l u t i o n ( 3 ) e s t a b l i s hf e n g t a n ge s t u a r yp h y s i c sm o d e la n dt e s to nt h et r e a t m e n tp r o j e c tl a y o u to f f e n g t a n gr i v e rt ov a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo f t h ee n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f e n g t a n gr i v e r ，w a t e re x c h a n g e ，h y d r o d y n a n l i c s ，t i d e ，n o r m a lp h y s i c a lm o d e l 华南理工大学工程硕士学位论文 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：h 移l日期：年，2 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权 保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被 查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 臼不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议 的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：扣材红 指导教师签名触 日期：护。6 ，； 日期：厶唧；1 z 4 - 第一章绪论 第一章绪论 我国是一个水资源相对短缺的国家，水资源人均占有量只有2 5 0 0 m 3 ，约为世界人 均水平的1 4 ，被联合国列为1 3 个贫水国之一在水资源极度短缺的情况下，由于目前 国际上防污、治污技术及行动的严重滞后，已经不可避免地造成了水污染问题，尤其是 城市水污染问题，造成的损失引入注目。应社会经济发展的要求，水动力学已发展为一 种多学科交叉的应用科学，在水动力学研究的基础上，溶入了泥沙、水质、热量、波浪 等多种学科的内容。 1 1 我国城市河流治理现状 文献【1 】详细介绍了我国城市水污染的现状，河流水污染治理经历了一个从浓度控制 到总量控制的过程，治理的方法和手段也在不断更新和改进。但中国当前流域水环境规 划经常出现污染配额总量控制与环境容量不符，地区间存在上游污染下游，相互推卸， 环境纠纷不断等问题。在城市河道的治理过程中，由于比较片面地强调防洪、排水，忽 略了河道的其他功能，致使城市河道成了“露天阴沟”或“盲肠河道”。同时，水系不 够活，局部地段截污不力，制约了城区河流水环境质量提升。 目前，我国的大多数城市段河流的自我净化及自我恢复能力已严重下降、河流水体 污染严重。我国河道护岸工程仍然只是考虑河道的安全性问题，而没有考虑工程建筑对 河流环境和生态系统的影响。既不利于提高水体的自净能力，也不能满足亲水理念的景 观河道，实现人与自然和谐共处。河流系统功能健康的恶化主要表现为水中的养分、水 的化学性质、水文特性和河流生态系统动力学特性等的改变，以及因此对原水生生态系 统和原物种造成的巨大压力口d 】。从2 0 世纪7 0 年代始，对河流生态系统进行综合修复 成为一种先进的治河理念。生态修复旨在使受损生态系统的结构和功能恢复到受干扰前 华南理工大学工程硕士学位论文 的自然状况1 6 1 。河流生态修复有多种方法1 7 - 9 1 ，生态系统修复是使受损河流恢复其功能健 康的根本途径。河流综合整治的措旄利用物理方法、化学、生物等方法【1 0 】： ( 1 ) 物理方法治理污染 开展河道清淤、引江水入城，实施配水工程，带动市区河道水网循环，变静态的水 为动态的水，增强河道自净能力，增加河道保洁的可操作性； 疏浚河床，清除底泥，底泥中的有机物在细菌作用下易发生好氧和厌氧性分解，不 仅使水中溶解氧水平降低，而且产生二氧化碳、甲烷、硫化氢等气体，使水体变黑发臭， 疏浚底泥是一种被认为整治河流最常用的方法，快速有效。 ( 2 ) 化学治水方法 化学治理方法主要是采用各种化学药剂，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的 沉淀、加入石灰脱氮等。常用化学除藻剂主要有易溶性的铜化合物，或者螯合铜类物质， 这些化合物对鱼类、水草等生物会产生危害甚至导致死亡，具有致癌作用，而且还可产 生不可预测的不良后遗症。用化学药剂或絮凝剂，杀灭浮游藻类，并絮凝沉淀，虽可一 时降低水中浮游藻类密度，提高水体透明度，但残存水体中的藻类残骸未移出，加速了 淤积与分解矿化，又形成无机营养盐促进水体中浮游藻类繁殖。化学治理方法虽可使水 质暂时得到改善，但是易造成二次污染。 ( 3 ) 生物处理技术 生物处理技术如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被，开发水体生物修复技 术，是当前水环境治理研究与开发的热点。 凤塘河拟采用河岸改造、物理、生物等综合措施进行水污染治理。 1 2 课题来源 2 0 0 5 年至今，珠江水利科学研究院将珠江1 ：3 整体物理模型和珠江口一二维联解模型 2 第一章绪论 先后应用到众多水质治理工程中，具有明显社会效益的工程有： ( 1 ) 2 0 0 5 年初珠江口压咸补淡应急调水工型1 1 1 由于珠江流域2 0 0 4 年末2 0 0 5 年初长时间干旱，导致珠三角地区咸潮上涌，造成澳 门、珠海、中山、广州等地1 5 0 0 万居民饮水困难，没有水灌溉农作物，这也是1 9 6 3 年 以来最大的一次咸潮。党中央国务院领导对此十分关注，为使澳门、珠海、中山等地的 居民吃上淡水，欢度春节，经与沿线各省区协商，决定实施“压咸补淡”应急调水工程， 保障珠江三角洲地区供水安全。珠科院采用数学模型和物理模型等多种研究手段研究珠 江口咸水运动规律以及调水方案可行性，为应急调水方案出谋划策。 ( 2 ) 深圳河水质治理工程 随着深圳经济的飞速发展，人口急剧集中，城市化进程加速，环境压力增加，深圳 市的环境保护工作已引起了深圳市市委、市政府的高度重视，并制定了把深圳建设成为 珠江三角洲地区乃至全国环境和生态保护示范城市的环境发展目标，严格控制全市各类 污染源，全面整治水土流失，有效控制新的土地开发，切实加强大气、水土、动植物、 自然保护区、风景名胜区和有代表性的古迹的保护，开展深圳i 可【12 1 、福田河【1 3 】、新洲河 0 4 1 多项治理研究。 在建设生态城市的过程中，首要任务是恢复水体生态，福田区政府及其主管部门针 对凤塘河明渠段及河口的黑臭、淤积现象与城市建设的不协调状况，提出深圳凤塘河 河口生态恢复工程建设项目，要求该项工程建设能够适应当前环境形势，给市民提供 一个原生态的、优美的滨河空间。受深圳市福田区水环境综合整治办公室委托，珠江水 利科学研究院承担深圳凤塘河河口生态恢复工程水动力学试验研究，本报告为上述研究 成果之总结。 3 华南理工大学工程硕士学位论文 1 3 研究内容及研究方法 根据凤塘河河口目前存在问题及生态恢复工程工程设计目标，研究采取适当工程治 理措施，提高凤塘河口的潮流动力，增强河口的水环境自净能力，达到改善河口水质状 况及水体景观的目的。 ( 1 ) 分析风塘河现状水流、水质状况及地貌特征。 ( 2 ) 在分析深圳凤塘河水流、水质环境现状的基础上，提出促进河道内水体单向循环 能力的工程措施。 ( 3 ) 进行风塘河治理工程物理模型试验研究。 针对上述研究内容，采用原型资料分析、数学及物理模型综合方法进行研究。原型 资料分析为工程设计及工程目标的实现提供基础资料；数学模型由于低成本、周期短等 优点，在进行大范围水流动力模拟中具有优势；物理模型可以复演实际水流的三维流态， 在研究流态复杂的水工建筑物( 例如水闸过流) ，需要采用实体模型。由于风塘河河口 没有实测水文资料，因此需要利用深圳湾数学模型推导河口附近水文条件。风塘河生态 恢复工程中涉及水闸等过水建筑物的过流能力，需要采用物理模型进行研究，然后利用 凤塘河物理模型模拟凤塘河河内水流动力环境及工程措施的可行性。 4 第章最耱浮海拜生态羧簸王箨撬嚣 第二章凤塘河河口生态恢复工程概况 羰壤海穿过深绸繁华的深藏丈遭后委达河翻段，海口段水瘊黑炱，娃子透防地带， 人烟稀少。河口外边滩湿地鼹国家级的湿地保护睡，具有大片的红树林，为防止红树林 植被系统邂受破坏，限制居民自由进入，任何建设工程都不允许伤害现有湿地系统。风 辖潺海翻蹩态壤复工程位予涎翔毅，零掌主要分绥风塘潺潺日生态羧复工程箨关揍嚣。 2 1 地理位置 凤塘河位于深圳市福田隧，发源于安托山以东、梅林水库以茜、j e 环大道以北的高 丘由羹羹魏嚣，毒至滚绸枣经瓣拣囊然镰护嚣揍入深绸湾，鞭务范围嚣爨! | 至广涤毫速公爨、 东侧至番梅路，地理位置见圈2 一l 。全流域汇水灏积f = 1 4 4 5k m 2 。 图2 1 风塘河地爨位置 s 华南理工大学工程硕士学位论文 2 2 工程范围 深圳凤塘河河口生态恢复工程涉及的范围为深圳湾流域的支流之一凤塘河的 河口明渠段及与其周围相关联的基围湿地区域，即国务院批复的福田国家级自然保护区 总体规划中划定的保护区核心区以北的实验区及缓冲区( 总面积约为：1 2 0 h m 2 ) ，不包 括南部滩涂实验区，具体范围见图2 2 r ”】。 图2 - 2 工程规划范围 2 3 工程建设的必要性 我国东部沿海地区经济高速发展、人口急剧集中，整个珠江河口沿岸已经城市化， 城市用地日趋紧张，环境压力急剧增加，在此情况下如何解决合理利用滨海湿地和保护 湿地生态就是我们无法避免的问题。 现状凤塘河干流基本全部黑臭，目前深圳湾内水污染状况严重，环境问题小容忽视， 见图2 3 。红树林和基围鱼塘水质和生态环境受到破坏会引起鸟类物种和数量减少，随 6 第二章凤塘河河口生态恢复工程概况 之带来的红树林病虫害导致成片的红树林作物枯死，濒危红树林受到生存威胁。红树林 的高生产力对n 、p 的吸收和转化对维护海湾生态平衡具有特别重要的意义，如果红树 林持续遭到破坏，势必导致平衡失调，引起赤潮等生态灾害，后果不堪设想。 为了避免河口湿地环境的继续恶化，必须采取措施减少向河口湿地及深圳湾的排污 量，这是控制河口及深圳湾水污染的前提。河口水动力不足是水体交换量小、污染物长 期滞留河口的一个重要原因，因此在恢复河口生态环境建设中，有必要通过水动力研究， 最好能够建立直观的水动力模型，找到不违背生态保护理念的、有效的水力控导措施， 促进生态系统的恢复进程。生态系统的恢复必需依靠重建“海陆交错带”的大格局，通 过景观格局和景观生态过程分析与评价，提出有效方案，进行植物和水体的恢复，最终 形成完整的水生生态系统，使深圳湾南北两侧湿地环境的差异彻底消失。 2 4 规划设计总目标 图2 3 风塘河水质现状 ( 1 ) 近期福田污水处理厂建成之前，利用闸门的设置，最大程度的保证河道明渠段清 洁，并考虑合理设置闸门实现河口及暗渠段的冲淤和引入深圳湾海水冲污； ( 2 ) 远期福田污水处理厂建成后，利用深度处理的尾水作为河道和河口湿地补给淡 水，并根据湿地生态恢复的要求，确定补给水的水量和水质； 7 华南理工大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 通过河口湿地的生态恢复，最终在凤塘河河口建立一个植物、动物、微生物以及 无机环境和谐发展的湿地生态系统，使进入深圳湾的淡水中污染物质实现最大程度的去 除率； ( 4 ) 在允许范围内进行景观建设，使之形成以红树林、湿地为主体，充分体现海陆交 错带特色的生态教育示范园，充分发挥工程建设的社会效益。 2 5 小结 本章主要介绍凤塘河河口生态恢复工程相关情况。由于凤塘河水质恶化与深圳市创 建国家卫生城市目标不相称，为创建绿色的亲水空间，需要进行凤塘河的生态恢复工程 建设，本研究主要论述治理过程中的水利工程措施。 8 第三章深圳湾二维水动力数学模型 第三章深圳湾二维水动力数学模型 深圳湾地处深圳经济特区的西南面，为珠江口伶仃洋东侧中部的一个半封闭海湾， 里东北西南走向，整个湾的面积大约为8 3 k i n 2 ，海湾湾长1 7 5 k m ，平均宽度为5 7 k i n 。 深圳湾口门外与伶仃洋东槽相接，水深自西向东逐渐变浅，最深大约为1 6 m ，最浅大约 为l m 。深圳湾湾顶为深圳河下游的冲积和海积平原，河口附近滩地高程约为0 4 9 0 3 4 m ( 珠基，下同1 ；深圳湾北岸后海湾的大沙口形成了向海突出的扇形浅滩，河口附 近滩地高程为2 m 1 m 。 由图2 - 1 可见，凤塘河河口位于深圳湾湾顶浅滩。由于风塘河河口没有实测水文资 料，因此需要利用深圳湾数学模型推导凤塘河河口水文条件。 3 1 模型研究范围 河口区二维潮流数学模型研究范围为：上边界取至深圳河口，下边界取至深圳湾口， 模型研究区域宽约5 k m ，长约1 5 k m ，控制水域面积约8 3 k i n 2 ，模型研究范围见图3 1 。 图3 - 1 数学模型范围 9 华南理工大学工程硕士学位论文 3 2 数学模型的建立 ( 1 ) 基本控制方程 模型基本控制方程采用贴体正交曲线坐标系下二维潮流数学模型方程的表达式【1 6 】： 水流连续方程o 西h + 1 a ( c 目h u ) + 销= 。 ( 3 - ，) 水流运动方程 掣+ 壶高蜘毋南川+ 畴一肼刳 ：近一型垦( 3 - 2 ) p q 西 + 壶降脚吆) + 南心) + h c r 。，一嘲。割 掣+ 者 寿( c 。胁) + 苦( c ，砌) + 胁鲁一m2 割 ：旦匝一盟丝 ( 3 。3 ) c 2 c 。a 口 + 去 专( c 加钾) + 嘉r l ( c 渺。+ h c r t q 等一茹百8 c 1 式中u 、v 为f 、，7 方向流速分量，h 为水位，h 为水深，g 为重力加速度，系数q 、 c 如下： 巴= 石；+ ) ，；q = + 巧 、盯 、盯k 为应力项，其值为： 咄隐+ 亳割 叫持峙割 一一陆葡c t8 丽( u 其中，e 为紊动粘性系数，即 l o 第三章深圳湾二维水动力数学模型 v t = a u f h ( 2 ) 基本方程离散 本模型采用曲线网格模拟研究区域，并利用坐标变换技术将计算区域变换成新坐标 系下的规则区域，同时借助a d i 法”曰离散基本方程。 a d i 法的主要技术路线是：设at ，a x ，a y 分别为时间步长和x ，y 方向空间步长， i 1 、f ，j 分别为时层数和善，y 的步长数；在x 岁平面上采用交错网格，并给定各变量口， u ，v ，坊的计算点；在时间上采用将业分成两个半步长，计算采用隐、显格式交替 隐、显进行，在行4 卜( n + l 2 ) a t 半步长上用隐格式离散连续方程和x 方向上的动量方 程，并用追赶法求得( n + l 2 ) a t 时层上的z 和u ，对y 方向上的动量方程则用显格式离 散，并求得( n + l 2 ) a t 时层上的v ，然后在( n + l 2 ) 4 寸( n + 1 ) a t 半步长上用隐格式离散连 续方程和y 方向上的动量方程，并用追赶法求得( n + 1 ) a t 时层上的z 和v ，对x 方向上 的动量方程则用显格式离散，并求得( n + 1 ) a t 时层上的“。 经推导，方程( 3 1 h 3 3 ) 在n 层上x 向的离散格式整理如下： 水流连续方程： a u i - i d + 瑟u + o 。，2 ，( 3 - 4 ) 水流运动方程： a i z h 。+ b l u i j + c l z , + i , j 2 萌 ( 3 5 ) 式中：a 、b 、c 、f 、a 1 、b 1 、c 1 、z 等为离散系数。 在n 层上y 向的离散格式可类推。 区域的离散是根据区域边界及河e l 主槽走势生成疏密大小不等的正交曲线网格，网 格布置见图3 1 。 ( 3 ) 基本方程组的求解 方程组( 3 4 ) 、( 3 - 5 ) 可以变为： 华南理工大学工程硕士学位论文 且c 1 4 + 1 ，2 垦“，2c l + 2 ab ，c t 4 + 1 ，2 口+ l ，2 o 以 0 c f 2 b nc n a n n | 2 b n h | 2 其中：研= d 1 - 4 u o ；珥。：= 巩+ ，：一g 州2 + 上式采用追赶法【1 研进行求解。 ( 4 ) 边界条件的确定 珥 d | + 1 1 2 ； 口 d i + 1 ，2 1 d n 珥。 i = 1 , 2 ，一，n 模型上边界取至深圳河口，由于深圳湾属于弱径流强潮流性海湾，因此本次模拟仅 考虑深圳河径流。 为了正确模拟浅海区浅滩在涨、落潮期间淹没及出露的不同状况，模型采用动边界 技术对计算水域内浅滩进行模拟，将落潮期间出露的区域转化为滩地，同时形成新边界； 反之将涨潮期间淹没的滩地转化成计算水域。 ( 5 ) 计算网格及步长的选取 总计算范围约为5 0 0 0 m x1 5 0 0 0 m ，共布网格约4 8 8x 3 5 7 个；最大网格尺寸约 8 m x 2 2 m ，最小网格尺寸约2 8 x 3 8 m ，见图3 1 ；时间步长根据计算的收敛性和稳定性 确定为o 2 s 3 3 数学模型的验证 ( 1 ) 地形资料 离工程较远的大范围采用2 0 0 1 年及2 0 0 2 年1 ：1 5 0 0 0 实测水下地形图，工程附近采 用2 0 0 5 年1 ：2 0 0 0 实测水下地形图。 1 2 第三章深圳湾二维水动力数学模型 ( 2 ) 水文条件 深圳湾模型下边界采用深圳湾口赤湾水文过程，模型验证采用实测组合”2 0 0 5 4 ， 计算时段为2 0 0 5 年4 月2 0 日1 4 ：0 0 至4 月2 1 日1 5 ：0 0 。 ( 3 ) 模型验证成果 验证潮位站、流速点位置见图3 2 ，二维水流模型验证项包括潮位、流速、流向三 项。水位验证结果见图3 3 ，流速及流向的验证结果见图3 - 4 。由图可见，2 个潮位站潮 位过程及8 个验证点的流速、流向计算值与实测值符合良好，相位基本一致。模型糙率 为0 0 1 2 0 0 2 0 ，处于海区正常糙率范围。计算结果表明该数学模型满足规程”7 1 规定的 精度要求，可用于目标水文组合的选取。 图3 - 2 验证点位置图 图3 3 潮位过程验证图 1 3 华南理工大学工程硕士学位论文 o 4 0 o 3 0 ：嘏厣叩 o 2 0 o 1 0 00 0 引。吉 铲秽曼鼎 - 0 2 0 - 0 3 0 - 0 4 0 o 4 0 o 3 0 o 2 0 01 0 、n 胯呻， 0 0 0 - 0 l o 吉 ? 2 0 憎4 - 勰铲4 - 2 1 。1 4 二- 2 1 - 0 2 0 - 03 0 - 0 4 0 o 4 0 薯 3 # o 3 0 ：i 八孙， o 2 0 o 1 0 0 0 0 妒磊影勰量 _ 0 l o 老 - o 2 0 却3 0 - 0 4 0 o 4 0 o 3 0 ； 。? # o 2 0 ：二八。狲 m l o 0 一噎- 憾x 。4 - 啪2 14 - 2 1 黝勰 - o 2 0 - 0 3 0 。 。x 计算值 - 0 4 0 6x 一宴铡值 3 0 0 d e g r e e ( ) 3 # 2 5 0 。r x x x x 毯降 2 0 0 ；uu 二? 1 5 0 l 5 0 u 4 2 04 2 04 2 l4 - 2 l4 2 l4 2 1 1 2 0 0 1 80 0 0 0 0 6 0 01 20 0 1 8 0 0 图3 - 4 a 流速过程验证图 第三章深圳湾二维水动力数学模型 05 0 04 0 ：众一删 0 3 0 02 0 0 1 0 0 0 0 - 0 1 04 一 10 0 盈4 - 2 1 蕊三4 - 2 1 - 0 2 0 1 2 - 0 3 0 - 0 4 0 o5 0 - 0 6 0 06 0 0 4 0 ：a 艮 0 2 0 仉 静4 ) v 1 8 - 一实潮值三4 - 2 1 4 ” _ o 2 0 1 2 _ 0 蚰 _ o 6 0 006 004 k x 膨呻， 蔷岛降4。0矗00乒2热 4 一 _ 0 0 4 _ o x 计算值 一窦铡值-o08 0，20 至 。脯 0 -，a胁协， 0 1 0 0 0 0 掣勰w 蕊点 4 一 n1012- o 2 0 0 3 0 _ o 4 0 一宴铡值 4 - 2 04 2 04 。2 14 。2 14 。2 14 - 2 1 1 2 ：0 01 8 0 0o ：0 06 ：0 01 2 0 01 8 ：0 0 4 一 1 20 0 4 - 2 0 1 8 ：0 0 4 - 2 l 0 0 0 4 2 l 6 ：0 0 4 - 2 i 1 2 0 0 4 2 i 1 80 0 图3 - 4 b 流速过程验证图 渤 m 唧 言啪 m o 渤 瑚 啪 啪 o 华南理工大学工程硕士学位论文 3 4 物理模型水文条件 工程比选需要采用长系列、具有大中小潮不同潮型的水文组合进行试验，而物理模 型研究区域水文资料缺乏，而深圳湾口赤湾站潮位资料较为丰富，因此，采用上述数学 模型计算出物理模型控制水文条件。9 8 0 1 组合实测时间为1 9 9 8 年1 月1 1 日至1 月2 1 日，计算结果见图3 5 ，可见，深圳湾湾顶潮位过程与湾口过程基本一致，相位相差不 大。从中选取1 9 9 8 0 1 1 2 、1 9 9 8 0 1 1 6 、1 9 9 8 0 1 1 9 三组，分别代表大中小潮，赤湾潮位站 潮型特征见表3 - 1 ，选定潮型过程线见图3 - 6 。 3 - 1 潮型特征表 潮型高潮位( m )低潮位( m )潮差( m ) 9 8 0 1 1 2 1 8 1 6- 0 8 3 22 6 4 8 9 8 0 1 1 6 1 4 4 4- 0 9 3 22 3 7 6 9 8 0 1 1 9 0 8 5 6- 0 3 2 41 1 8 2i 八一1 1 5 1 o 5 歹飞夕， 5 ” ”v ” o 图3 - 6选定潮型 1 6 第三章深圳湾二维水动力教学模型 3 5 小结 本章主要介绍深圳湾二维水动力数学模型的建立与验证，验证结果表明该数学模型 设计合理，计算结果能够满足规程要求。利用深圳湾口赤湾站潮位资料丰富的特点，采 用深圳湾二维水动力数学模型计算出湾项处的水位过程，为物理模型提供控制水文条 件。计算结果表明，深圳湾湾口与湾项潮位过程基本一致。 1 7 华南理工大学工程硕士学位论文 第四章物理模型建立 在我国，物理模型广泛应用于水利、通航等多种领域，具有直观、准确、理论成熟 的优点。在风塘河河口生态恢复工程研究中，涉及到污染物的扩散及相关水工建筑物的 过流等问题。由于物理模型可以复演实际水流的三维流态，在研究流态复杂的水工建筑 物水动力学问题时，一般采用物理模型。 4 1 模型设计 ( 1 ) 模型范围 物理模型试验研究的主要内容为工程区域内水体交换，确定主要研究区域为凤塘河 部分暗渠、明渠段、风塘河口以及基围鱼塘。为了正确模拟模型河v i 流态，上、下游需 要适当的过渡段。模型上游边界采用流量过程控制，下游边界采用水位控制。模型范围 见图禾l 。 1 8 第四章物理模型建立 ( 2 ) 相似条件 根据潮流运动方程【”l ，可以得出满足潮流运动相似的比尺关系为： 1a i ，z 重力相似条件： 2 勺2 1 2 ， 阻力相似条件： 2 等 水流运动时间相似条件：厶= 去 上述公式中，冯、 、乃、五、厶分别表示平面比尺、垂直比尺、流速比尺、糙 率比尺、水流时间比尺。另外，为了满足水流流态相似，根据紊动水流的基本规律，要 求模型各点水流的雷诺数( 即r e = 眩v ) 大于1 0 0 0 ，以使模型流态与原型流态同属阻 力平方区内，本模型采用李昌华模型水流处于紊流阻力平方区的水深比尺判据条件f l 卵： 如茎4 2 2 ( v e h e ) 2 五。冯”l 。 式中，咋为原型水流流速；日，为原型水域水深，以为原型的阻力系数；为模型 水流运动粘滞系数。 ( 3 ) 模型比尺 为提高模型试验观测精度，选择较小的模型几何比尺，为满足水体掺混的相似性， 选用正态模型。根据模型场地及供水条件，选择物理模型平面比尺为4 0 ，垂直比尺为 4 0 。 要使模型水流和原型相似，模型设计必须满足水流运动相似。根据重力相似条件， 得流速比尺为： 口，- - - - f 2 啦- - - - 6 3 2 根据阻力相似条件，得糙率比尺为： 口，= 口h 2 3k ，文8 5 华南理工大学工程硕士学位论文 水流时间比尺为 口= 口口 啦= 6 3 2 流量比尺为 = o r 非= 1 0 1 1 9 潮量比尺为 口，= o t l 2 口 = 6 4 0 0 0 模型的主要比尺如下表： 表4 - 1 模型比尺 平面比尺4 0 垂直比尺 4 0 流速比尺6 3 2 糙率比尺 1 8 5 水流时间比尺6 3 2 流量比尺 1 0 1 1 9 ( 4 ) 模型采用地形条件 为了正确模拟凤塘河附近地形地貌，采用2 0 0 2 年工程附近实测地形图进行模型制 作，凤塘河河道则采用设计河道断面及高程进行制作。 ( 5 ) 模型控制系统及测量设备 潮汐水流的控制要求流场、潮位等的相似。本模型的潮汐控制系统采用本所研制的 分布式工业控制系统，具有国际先进水平，被列为国家科技成果重点推广计划见图4 - 2 其主要原理是用变频器直接控制潜水泵的电机，通过调节加在电机上的交流电压频率来 改变电机的运行速度，从而调节水泵的进出水流量，达到产生涨潮落潮的目的，并通过 采集实时水位和流速，计算潮位和流速误差，修改变频器输出频率，使得潮位曲线以及 流速过程线和实际保持一致。这种生潮系统性能可靠，可昼夜连续运行，模拟潮汐的重 复性和稳定性效果好。 第四章物理模型建立 中央监控机主要存储模型试验的各种参数、发布命令、显示实时监控图表、过程曲 线、历史试验数据、打印相关参数等；通过串行通信线与现场机联接。现场机依据中央 监控机的命令，自动完成数据采集和生潮设备的控制等任务 模型潮位的量测采用珠江水利科学研究院研制的g s 一3 b 光栅式跟踪水位仪，精度可 达到0 i m m 。流速的量测采用l s 一3 c 光电流速仪。浓度测量以罗丹明作为示踪剂，采用 上海棱光技术有限公司生产的f 9 5 荧光分光光度计量测试验取样的浓度。该仪器的灵敏 度s 险5 0 ( 用l c m 石英荧光比色皿检测水道拉曼峰信号噪声比) ，线性误差3 o ( 1 0 m i n 内) ，示值变化1 0 ( 2 2 0 2 2 v l 。 图4 - 2 潮汐控制系统原理 4 2 模型验证 模型采用3 4 节水文条件进行验证，模型下边界水位过程线见图4 - 3 ，由图可见， 两者吻合很好。模型验证主要考虑的是模型糙率，因此在模型比尺选择时选择正态模型， 有利于提高模型可靠性。由模型的糙率比尺为1 8 5 可知，模型的糙率应小于原型的糙率。 原型凤塘河干渠暗渠段糟率约为o 0 1 6 ，模型采用玻璃制作，糙率约为0 0 1 0 ，与模型设 计要求的0 0 0 9 相差不远；在明渠段进行光滑处理，减小模型糙率，使得模型糙率满足 模型设计需要。在进行上述处理后，进行模型试验，试验的精度可满足要求。 2 l 华南理工大学工程硕士学位论文 矗一警竺a f 1anl 气f1 f 冉八af1 厶ll v1f l 八，、，vj i ji 、】f 、fir t m ， 可1t f ”v ”v 心忡t 竹 u v v 。 vi f 图4 3 水位控制点原型与模型过程线比较 4 3 小结 本章主要介绍凤塘河物理模型的模拟范围及相似条件，物理模型主要研究凤塘河部 分暗渠、明渠段、凤塘河口以及基围鱼塘。根据相似理论设计的小比尺、正态物理模型， 能够正确模拟凤塘河河口段的污染物输移状况。 2 5 1 5 o 5 1 5 l 仉 吨 一 叱 第五章现状水动力条件调查及研究 第五章现状水动力条件调查及研究 掌握凤塘河河口地形地貌以及水流动力特征，是进行凤塘河治理工程设计的基础。 为此，2 0 0 6 年初，试验组多次与深圳有关部门座谈，并进行实地考察，了解河口地形地 貌、水流水质概况。 s 1 风塘河形态概况 ( 1 ) 河道形态 凤塘河由三道渠、龙颈溪、莲塘溪及香茅水四条支流汇集而成，这四条支流均处于 城市建设区，河道均已暗渠化。其中三道渠位于农林路下，龙颈溪位于农园路下，莲塘 溪位于香蜜湖路下，香茅水位于香蜜湖旅游区内。香茅水、莲塘溪自东向西汇流为风塘 河东支流，三道渠、龙颈溪自西向东汇流为凤塘河西支流，东西两支流位于深南大道北 侧绿化带内与深南大道平行，两支流在深南大道一农园路口汇合成为风塘河干流，汇合 后向南穿越深南大道，沿车工庙工业区泰然九路东侧绿化带向南穿越滨海大道后沿滨海 大道南侧绿化带向西穿越福荣路、高速公路后向南穿过红树林自然保护区进入深圳湾。 凤塘河干支流基本上暗渠化，只有出口至滨河大道与高速公路交叉处为明渠，长度仅 9 0 0 m 左右，由北向南流入深圳湾。河道的主要功能为防洪泄洪、排污，明渠段兼顾景 观要求。 风塘河干流及支流的横断面及各项参数见下裂”】： 表5 - 1 凤塘河干流 干流区间名称横断面形式横断面尺寸( m )长度( m ) 深圳湾明渠部分砼梯形明渠 b = 1 5 。0 。m = 2 ，h = 4 58 9 4 7 5 暗渠出水口至深南 大道北侧分支部分 双孔钢筋砼箱涵 2 x 7 0 x 4 01 5 8 8 华南理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 河口形态 凤塘河口位于深圳湾顶，其出口形态受到深圳湾地貌变化的影响。深圳湾地处深圳 经济特区的西南面，为珠江口伶仃洋东侧中部的一个半封闭海湾，呈东北西南走向， 整个湾的面积大约为8 3 k n l 2 ，水深自西向东逐渐变浅。深圳湾湾顶为深圳河下游的冲积 和海积平原，河口附近滩地高程约为0 2 0 m ( 黄海基面，下同) ；深圳湾北岸后海湾的大 沙口形成了向海突出的扇形浅滩，河口附近滩地高程约为1 5 0 m 。图5 1 为深圳湾项2 0 0 3 年低潮位时刻遥感图，由图可见，凤塘河口明显受到湾顶浅滩地形格局的影响。 风塘河明渠段已渠道化，设计的河道形态及沿程高程见图5 2 。按照设计图【1 9 1 ，凤 塘河出口河段形成1 ：3 0 0 的倒坡，明渠段沿程高程变化先由暗渠出口- 1 1 8 m 降低至 1 4 9 m ，再至抬高至出口处0 2 6 m ，河道底部宽度由1 5 m 增加到3 5 m 由于凤塘河河口 位于深圳河出口浅滩，出口不畅、动力不足，导致风塘河明渠段淤积严重，根据2 0 0 1 年实测地形图，绘制成地形地貌图见图5 - 3 。 距离风塘河出口1 5 0 m 处为凤塘河一支汉，淤积高程略高于风塘河，一般高程为 0 4 m 。目前，该支汉为横沙的污水排放口，由于上游无径流、又没有水体交换，支汉内 生活污水浓度极高。 风塘河两侧现有大片鱼塘，其面积、高程特征见表5 - 2 。靠近深圳湾的鱼塘为咸水 鱼塘，放养咸水鱼，远离海岸的鱼塘为淡水鱼塘，放养淡水鱼。鱼塘内高程不等，西侧 鱼塘面积2 3 万m 2 ，高程整体表现为东低西高，由0 3 1 1 m 变化。东侧鱼塘面积6 万 m 2 ，高程为1 3 m 。 表5 - 2 地貌高程统计表 位置风塘河明渠段西侧鱼塘东侧鱼塘 堤台地 面积( 万一) 2 62 1 15 8 平均高程( m ) 1 1 0 7 1 3 4 04 0 器霉漤簧&窝褰骜匾n9匾 攥菪婪簧毫宴擎匿v曲圃 铁器蟋黼辫戡雄心臀*葵群秘瓣瓣 华南理工大学工程硕士学位论文 5 2 风塘河淤泥情况2 0 i 凤塘河淤泥情况经勘查单位的调查，凤塘河从深南大道南汇合干渠至出海口淤积严 重，淤泥厚0 6 5 n o 8 4 m 截污之后，河道内的主要污染源将来自淤积已久的淤泥，该淤泥易于发生厌氧反应 使暗渠内径流或雨水水质受到严重污染，故清除淤泥是保持水质的一项重要措施；同时 堆积已久的淤泥对雨季的洪水有阻滞作用、不利于泄洪，故清除淤泥也是防洪工程的一 项重要内容。风塘河清淤工程已由南昌有色冶金设计研究院完成施工图设计和施工图准 备阶段的工作，计划清除明渠敞开段( o 8 4 k m ) 和暗渠段( 1 5 8 8 k m ) 的淤泥，预计在 2 0 0 6 年内竣工。根据清淤工程时间安排，本项研究地形条件需要按照河道清淤后的状况 进行考虑。 5 3 凤塘河水质概况 ( 1 ) 凤塘河污水量及水质概况 目前风塘河污染较重、水质较差，河面漂浮物较多，河水呈黑色，散发阵阵恶臭。 受海水顶托影响，河道出口段水流速度均较小，造成河水中污染物大量沉积，长期处于 厌氧环j 毙而发酵，产生大量的沼气，使河水变得发黑发臭。据凤塘河河道管理所人员介 绍，凤塘河暗渠段出d i e 常每日清除垃圾七、八袋左右，下雨时清除垃圾量为五十至六 十袋。 风塘河流域未截污前污水总量为1 3 9 7 5 l s ，目前截污管道已全线竣工投产，根据截 污管道设计单位竣工后回访调查可知截污率可达9 0 左右。截污完工后，水务集团在凤 塘河暗渠出口断面进行了风塘河河水流量的测量，测得平均流量为o 5 3 m 3 s ，测量成果 如下： 第五章现状水动力条件调查及研究 表5 3 凤塘河流量测算表 测鼍断面尺寸充满度流速 测量时间水流截面( m s )流量( m 3 s ) ( r n r n x m m )( n u n )( m s ) 2 0 0 5 1 1 3 0l o ：3 02 1 0 0 1 0 0 02 2 52 1 o 2 2 50 9 20 4 3 4 7 2 0 0 5 1 l ，3 01 2 ：0 02 l o o 1 0 0 0 2 3 l 2 1 x o 2 3 1 0 8 50 ，4 1 2 3 2 0 0 5 1 1 3 01 5 ：4 02 1 0 0 1 0 0 02 3 22 1 x o 2 3 20 9 60 4 6 7 7 2 0 0 5 1 2 o l1 8 ：4 52 6 0 l o 1 0 0 03 7 02 6 x o 3 7o 8 20 7 8 8 8 平均值 0 5 2 5 9 风塘河2 0 0 4 年水质资料统计图见图5 4 ”l 。 图5 42 0 0 4 年水质资料统计 ( 2 ) 污染来源 点源污染 凤塘河流域共有污水排放口6 7 个，污水总量1 3 9 7 5 l s ，污染点2 3 4 个。其中可通 过内部整改实现雨污分流的点有2 0 9 个，整改流量为4 8 1 l s ，需要进行截流的污染点有 2 5 个，通过截流的污水量为9 1 6 5 l s 。所有污染分别来源于流域内的9 个自然村，1 3 9 个住宅小区，3 个工业区以及1 3 个其它性质单位的共计1 6 4 个不同责任部门。 2 7 华南理工大学工程硕士学位论文 面源污染 风塘河的各支流及干流都不同程度的存在面源污染，部分地区存在着水土流失现 象。三道渠上游箱涵进水口处位于竹子林片区东北角，该处植被覆盖少，生活垃圾较多， 且有三无人员居住，生活污水夹带泥沙由该处进入渠道，引起污染。风塘河干流在车工 庙泰然九路东侧的河道内有大量污水，且发出异味，严重污染周边环境。风塘河在穿越 高速公路向南的明渠段内亦有大量污水，水体显黑色。同时在全流域范围内存在着酒楼、 食肆污水及洗车场污水以管道形式甚至通过地面直接漫流形式进入雨水口，造成雨水口 被油污堵塞，雨季行洪不畅。从而对城市景观及城市环境造成恶劣影响。