（环境工程专业论文）mike11在盘锦双台子河口感潮段的应用研究.pdf

mik e l1 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 摘要 平原河网地区是城市发达 人口众多的地区 同时水系错综复杂 水流运动 复杂多变 感潮河段是河流与海洋的过渡段 在该河段上 一方面有来自上游径 流的影响 另一方面又受到下游潮汐的作用 是受径流和潮流共同作用的河段 水情多变 流态不稳 流向多变 由于自身条件的复杂性 大多数情况下只能采 用数值方法进行模拟 其核心问题是河网数学模型的建立及求解 而建立水动力 学模型是建立其它模型的基础 本文以科技部国家水体污染控制与治理科技重大专项辽河项目 2 0 0 8 z x 0 7 2 0 8 0 0 9 为依托 在综合分析双台子河口感潮河网水动力条件的基 础上 利用收集到的河道水文 气象 河道断面等资料 结合现场实测数据 基 于丹麦d h im i k e ll 模型系统 建立感潮河段水动力 水质耦合模型 利用实测水 位 盐度数据率定河道糙率系数 n 和河流纵向离散系数 b 并验证所建模 型的合理性 取得的研究成果如下 一 1 计算水位与实测值吻合较好 平均误差小于1 5 同时对影响张明甲 监测点水位的河道糙率参数进行了局部灵敏度分析 表明监测点处水位对双台子 河中游糙率改变最为敏感 下游次之 上游最低 对绕阳河上游的糙率不灵敏 绕阳河下游河道糙率比上游对张明甲站的计算水位影响大 模拟发现 糙率对潮 水传播周期及潮差受糙率影响较大 苇田三次灌溉期内绕阳河纳潮量在丰水年分 别为1 0 9 x 1 0 7 1 1 7 x 1 0 7 1 6 1 x 1 0 7m 3 平水年为1 3 5 x 1 0 7 1 3 x 1 0 7 2 5 4 x 1 0 7m 3 枯水年为0 9 8 x 1 0 7 1 2 4 x 1 0 7 1 9 9 9 x 1 0 7 m a 2 以苇田夏灌期为例 利用所建模型分析了在双台子河上游有汇流和无 汇流两种水文条件下橡胶坝对支流绕阳河纳潮的影响 研究表明 在两种水文情 景下 建橡胶坝后纳潮量分别增加1 8 3 和1 6 9 最大流量分别增加了3 2 7 和3 1 2 另外 双台子河下游修建拦河橡胶坝对绕阳河纳潮盐度变化影响不大 可满足灌溉苇田对盐度的要求 3 考虑上游1 0 年一遇 2 0 年一遇 5 0 年一遇等不同频率洪水位 下游 1 0 年一遇高潮位及区间强降雨遭遇的多种不同水文条件组合 以建立好的水动 力模型为基础 分析双台子河干流及支流绕阳河的最高防洪水位 同时 以建闸 以来最大洪水为例 模拟了现状河道在此不利条件下的洪水位 分析表明双台子 河和绕阳河的现状河道的防洪能力较低 不能抵御高位洪水 计算结果可作为双 台子河及绕阳河河堤洪水位的设计标准 并为河道整治 河堤修整提供科学依据 关键词 双台子河口 感潮河网 水动力 水质模型 m i k e l l i i s t u d yo na p p l i c a t i o no fm i k e l li nt i d a lr i v e rn e t w o r ko f p a n j i ns h u a n g t a i z ie s t u a r y a b s t r a c t t h ep l a i nf i v e rn e t w o r kr e g i o ni sd e v e l o p e dp l a c ea n dh a sal a r g ep o p u l a t i o n i n f i v e rn e t w o r k w a t e rs y s t e mi sv e r yc o m p l e x a n dt h ew a t e rf l o wi si n t r i c a t e t h et i d a l f i v e ri st r a n s i t i o ns e c t i o no ff i v e ra n do c e a n i nt h i ss e c t i o n w a t e ri sn o to n l y i n f l u e n c e db yu p s t r e a mr u n o f f b u ta l s oi n f l u e n c e db yd o w n s t r e a me s t u a r yt i d e t h e w a t e rr e g i m ei sc h a n g e a b l e f l o wr e g i m ei su n s t a b l e a n df l o wd i r e c t i o ni sc h a n g i n ga t a n yt i m e d u et oc o m p l e x i t yo fs e l f c o n d i t i o n s w ec o u l ds i m u l a t ew a t e rf l o wo n l y u s i n gn u m e r i c a lm e t h o di nm o s ts i t u a t i o n s t h ec o r ep r o b l e mi st h ee s t a b l i s h m e n ta n d s o l u t i o no fn u m e r i cm o d e lf o rf i v e rn e t w o r k m e a n w h i l e e s t a b l i s h i n gh y d r o d y n a m i c m o d e li st h eb a s eo fe s t a b l i s h i n go t h e rm o d e l s t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a j o rp r o j e c tf o r w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dt r e a t m e n t n o 2 0 0 8 z x 0 7 2 0 8 0 0 9 o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n so fs h u a n g t a i z ie s t u a r y t i d a lf i v e rh y d r o d y n a m i c a n dw a t e rq u a l i t ym o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nd h im i k el1m o d e ls y s t e mu s i n g c o l l e c t e df i v e rw a t e rr e g i m e w e a t h e rd a t aa n dm e a s u r e df i v e rs a l i n i t yd a t a t h er i v e r c h a n n e lr o u g h n e s sna n dl o n g i t u d i n a ld i s p e r s i o nc o e f f i c i e n te xa r ec a l i b r a t e dt h r o u g h m e a s u r e dw a t e rl e v e la n ds a l i n i t yd a t ar e s p e c t i v e l y a n dt h e nt h er a t i o n a l i t yo fm o d e l i sv a l i d a t e d t h em a j o rc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h ec o m p u t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e l e dl e v e la n dm e a s u r e dl e v e l c o i n c i d ew e l l t h em e a ne r r o ri sl e s st h a n15 t h el o c a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o r c h a n n e lr o u g h n e s sr e v e a lt h a tt h ew a t e rl e v e lo fz h a n g r n i n g j i am o n i t o r i n gs t a t i o nh a s t h eh i g h e s ts e n s i t i v i t yw h i l ec h a n g i n gm i d s t r e a mc h a n n e lr o u g h n e s s d o w n s t r e a m c h a n n e lr o u g h n e s st a k e st h es e c o n dp l a c e t h ec h a n n e lr o u g h n e s so fu p s t r e a mh a st h e l o w e s ts e n s i t i v i t y d o w n s t r e a mr o u g h n e s so fr a o y a n gr i v e ri sl a r g e rt h a nu p s t r e a m t h eu p s t r e a mc h a n n e lr o u g h n e s s s e n s i t i v i t y o fr a o y a n gr i v e rc o u l d n e g l e c t c o m p a r e d 诵t h o t h e rr e a c h e s m e a n w h i l e t h e r o u g h n e s s a f f e c t st i d e w a t e r i i i t r a n s m i s s i o np e r i o da n dt i d a lr a n g e t h ev o l u m eo ft i d a lp r i s mo fr a o y a n gr i v e r d u r i n gt h r e ei r r i g a t i o np e r i o d si nw e ty e a ri sr e s p e c t i v e l yt h ep r o p o r t i o no fu p s t r e a m t i d e w a t e ri nt h et o t a ld e m a n dw a t e ro fr e e df i e l di nt h r e ei r r i g a t i o np e r i o d sf o rw e t y e a ri sr e s p e c t i v e l y1 0 9 1 0 7 1 1 7 1 0 7 1 6 1 x 1 0 7 m 3 i t s1 3 5 x 1 0 7 1 3 1 0 7 2 5 4 1 0 7 m 3f o rn o r m a ly e a r a n d0 9 8 x1 0 7 1 2 4 x1 0 7 1 9 9 9 1 0 7 m 3f o rd r yy e a r 2 e f f e c t so fr u b b e rd a mi nt h ed o w n s t r e a mo fs h u a n g t a i z ir i v e ro nt h et i d a l p r i s mo fr a o y a n gr i v e rw e r es t u d i e du s i n gt h eh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t y m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t r u c t i o no fr u b b e rd a mc o u l di n c r e a s et h et i d a l p r i s ms i g n i f i c a n t l y u n d e rt h et w oh y d r o l o g i c a ls c e n a r i o s t h et i d a lp r i s m so ft r i b u t a r y i n c r e a s e db y18 3 a n d16 9 r e s p e c t i v e l y a n dt h em a x i m u mt i d a lq u a n t i t yi nt h e w a n j i n t a ng a t ei n c r e a s eb y3 2 7 a n d31 2 r e s p e c t i v e l y t h ec o n s t r u c t i o no fr u b b e r d a mh a sl i t t l ee f f e c to nt h es a l i n i t yo ft i d a lp r i s mw h i c hi sb e l o wt h es a l i n i t yl i m i t a t i o n i s i 双台子何下嚣 i s i 双台予河上游 l s k 阳河下嚣 i s 绕阳河上辩 根据l e n h a r t 对局部灵敏度的分级 双台子河中游糙率值为高灵敏度参数 上游和 下游是灵敏参数 绕阳河下游是中等灵敏参数 上游是不灵敏参数 表明其糙率 大小对监测点张明甲站的计算值没有影响 4 1 6 糙率对潮差和传播周期的影响 假定河道走势在短期内保持不变 固定其它条件 采用单因素分析法研究不 同河段糙率对水位和潮水传播周期的影响 8 9 计算结果表明 改变支流糙率对监 测点水位和流量影响微乎其微 而改变下游糙率较改变上游和中游糙率导致的监 测点水位变化较为明显 主河道糙率不仅影响监测点处的计算水位 对潮水周期 也有影响 为便于分析 以下游河1 2 为例 设定糙率n s m 3 分别为0 0 0 4 0 0 1 0 o 0 1 5 o 0 2 和0 0 2 5 时 分析糙率对潮差和传播周期的影响 从图4 8 看出 当河道糙率从0 0 0 4 0 0 2 5 渐增时 张明甲监测点处计算水位 涨幅逐渐减小 潮差递减 在模拟5 0 0 0 m i n 时 糙率为0 0 0 4 时的计算水位比糙率 为0 0 2 5 时高0 6 m 原因可能是随着下游糙率的增加 河道对水流的阻力增大 使潮水运动的能量消耗变大 当潮水上溯至张明甲时 因水能损耗过大 水位回 落 潮差减小 同时 计算表明糙率系数改变影响潮水传播周期 糙率增大时 由于水流受 阻力增大而导致能量损失增大 速度放缓 周期延滞 当糙率为0 0 0 4 时 监测点 最大潮位出现的时间为2 0 0 9 年7 月6 日1 8 5 4 最小潮位出现的时间为2 0 0 9 年7 月5 日1 2 4 5 当1 1 为0 0 2 5 时 最大潮位出现时间为2 0 0 9 年7 月6 日1 9 4 8 最 小潮位在2 0 0 9 年7 月5 日1 3 2 1 出现 最大潮位出现时间延迟5 4 分 最小潮位延 迟3 6 分 表明糙率对潮水传播周期影响显著 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 3 o 2 3 量1 6 趟 0 9 0 2 一o 5 2 0 0 9 7 22 0 0 9 7 32 0 0 9 7 42 0 0 9 7 62 0 0 9 7 7 4 4 81 2 0 01 9 1 22 2 49 3 6 图4 8 河道下游不同糙率时监测点水位变化过程线 4 1 7 绕阳河纳潮量分析 根据1 9 5 5 2 0 0 9 年盘锦地区5 5 年降雨资料分析可知 1 9 7 2 年盘锦地区降雨量 5 0 2 3 m m 比多年平均降雨量6 2 3 2 m m 少1 2 0 9 m m 1 9 9 4 年降雨量8 9 7 8 2 m m 比多年平均降雨量多2 7 4 6 2 m m 2 0 0 8 年降水量6 1 3 9 m m 接近多年平均降雨量 分别选取1 9 7 2 1 9 9 4 和2 0 0 8 年作为枯水年 丰水年和平水年分析 使用建立的 水动力模型分析苇田在丰 平 枯水文年下芦苇灌溉期上溯至绕阳河的潮水量 双台子河上游流量边界使用盘山闸实测流量数据 下游采用实测潮水位数据 其 它设置不变 从表4 9 可以看出 丰水年苇田三次灌溉期内绕阳河纳潮量分别为1 0 9 x l o7 1 1 7 x 1 0 7 1 6 1 1 0 7m 3 平水年为1 3 5 x 1 0 7 1 3 x 1 0 7 2 5 4 x 1 0 7 枯水年为0 9 8 x 1 0 7 1 2 4 x 1 0 7 1 9 9 9 x 1 0 7 m a 各灌溉期绕阳河纳潮量占苇田总需水量的比例大部分在 3 0 以下 说明苇田灌溉所需水主要来自河道本身蓄水或引自双台子河上游蓄水 而绕阳河纳潮可补充苇田灌溉需水量的不足 第一次灌溉期纳潮量所占比例较其 它灌溉期高 原因可能是灌溉期内上游无径流下泄 使潮水上溯的阻力减小 纳 潮量也就增大 2 0 0 8 年绕阳河纳潮量较1 9 7 2 年 枯水年 和1 9 9 4 年 丰水年 大 原因是2 0 0 8 年河口实测潮位较1 9 7 2 1 9 9 4 年大 潮水上溯的能量大 因而 绕阳河纳潮量也相应增多 4 l m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 表4 9 苇田灌溉期不同水文年绕阳河纳潮量 分析表明 绕阳河纳潮量的多少受双台子河上游径流下泄量的影响 并与河 口潮位有关 通过实地调查和监测发现 近些年绕阳河河水盐度为0 1 9 o o 左右 低 于苇田灌溉进水的盐度限值5 0 o o 9 0 这表明进入绕阳河的咸水与淡水经混合后 可 直接用于苇田灌溉 以缓解干旱年份大片苇田灌溉用水得不到满足的局面 4 2 水质模型的建立 m i k e l1 水质模型选用对流扩散模块 a d 模块 控制方程为一维对流扩散方 程 其基本假定是 物质在断面上完全混合 物质守恒或符合一级反应动力学 符合f i e k 扩散定律 即扩散与浓度梯度成正比 方程为 1 1 丝 孥一i 仙i0c 一akc c29 4 3 0t舐 缸 苏7 式中 x 为距离坐标 m t 为时间坐标 s c 为物质浓度 m g l d 为 纵向扩散系数 怕 k 为线性衰减系数 1 d g 为旁侧入流流量 m 3 s a 为横断面面积 m c 2 为源 汇浓度 m g l 4 2 1 纵向离散系数的选取 纵向离散系数是十分重要的水动力学参数 反映了污染物在河流中的纵向混合 特性 其量值决定了污染物浓度在时间和空间的分布结剁9 1 1 丘随水流条件而定 4 2 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 由于平原河网区河流众多 水系复杂 河道受上游径流和河口潮流的双重影响 确定河1 2 1 区河道纵向离散系数对构造水质模型至关重要 根据河道自身特点 选 取与河流特性相近的经验公式估算河段纵向离散系数 9 2 9 3 点 5 9 5 鲁 0 6 2 善 1 4 2 8 办甜 4 4 式中 为河宽 m h 为水深 m e x 为纵向离散系数 m 2 s 材为河 道断面平均流速 m s 为主流方向切应力流速 m s 4 2 2 初始条件和边界条件 水动力模拟结果为水质模拟提供水动力条件 a i d 模块中双台子河 绕阳河各 段初始盐度值采用实测值 实测发现双台子河上游拦河闸处盐度变化不大 取值 为0 2 6 0 下边界河1 2 道沟处采用同期实测盐度资料 绕阳河上游因被拦截 水质模拟中设置为闭边界 盐度不受上游的影响 4 2 3 参数率定和验证 考虑a d 模块计算稳定性和准确性的要求 a d 模拟时间步长设定为l m i n 数 据采集频率为l m i n 纵向离散系数b 率定和验证分别采用曙光桥处2 0 0 9 年5 月 7 日 8 日2 5 h 8 月5 日1 0 0 0 6 日1 2 0 0 计2 6 小时实测盐度数据 计算时先根据 式 4 4 计算河道各段的纵向离散系数 然后模拟时不断调整 使盐度实测值与 计算值充分吻合 双台子河干流纵向离散系数e 从上至下为1 0 4 5 0m 2 s 绕阳河 离散系数从上至下为1 0 15 0m 2 s 见表4 1 0 表4 1 0 河道纵向离散系数e 1 河道里程 m e x m 2 s 河道 里程 mg x m 2 s 双台子河0 1 0 双台子河6 1 8 7 4 5 0 双台子河 1 1 6 95 0绕阳河01 0 双台子河 2 1 3 11 5 0 绕阳河 2 4 5 8 5 0 双台子河 3 0 9 8 2 0 0 绕阳河 3 1 4 61 5 0 图4 9 和图4 1 0 给出了纵向离散系数的率定和验证结果 可以看出 盐度实 4 3 m i k e l l 在盘锦双台子河1 3 感潮段的应用研究 测值和计算值吻合较好 模拟曲线与实测值变化规律一致 表明采用的纵向离散 系数符合河口区河道盐度的变化特征 可以应用于河道盐度模拟 o 3 0 o 2 9 o 2 8 0 2 7 型0 2 6 旧 o 2 5 0 2 4 o 2 3 o 2 2 2 0 0 9 5 72 0 0 9 5 72 0 0 9 5 8 2 0 0 9 5 82 0 0 9 5 82 0 0 9 5 8 1 5 3 62 0 2 4 0 1 1 20 6 0 0 1 0 4 8 1 5 3 6 图4 9 纵向离散系数率定时曙光桥处盐度计算值与实测值对比 1 4 1 2 1 0 蜊0 8 矧0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 0 9 8 52 0 0 9 8 52 0 0 9 8 52 0 0 9 8 62 0 0 9 8 6 0 7 1 21 4 2 4 2 1 3 60 4 4 8 1 2 0 0 图4 1 0 纵向离散系数验证时曙光桥处盐度计算值与实测值对比 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 5 双台子河下游兴建l 临时蓄水橡胶坝对绕阳河纳潮的影响 5 1 背景简介 由于近年气候干旱 降水偏少 双台子河上游工农业用水急剧增多 下游水 量日渐减少 绕阳河上游经过重重拦截 造成下游可供水量严重不足 河口区6 月进入汛期 7 8 月是主汛期 汛期径流量占全年的7 2 本区苇田5 月份进入 夏灌期 这期间是芦苇生长的旺盛季节 生理和田间耗水量巨大 5 月苇田灌溉质 量的好坏直接影响芦苇后期的生长 进而影响芦苇产量 抓好夏灌期灌溉至关重 要 据盘锦市水利勘测设计院2 0 0 3 的报告统计 羊圈子 东郭苇场6 4 4 1 0 4 公 顷苇田灌溉需水合计达6 4 3 5 1 0 4 m 3 5 月通常是汛前的枯水期 河道有限水资源 优先用于农业生产 无多余水分配给苇田 5 月正值芦苇生长旺季 若苇田灌溉用 水得不到保证 则直接影响芦苇产量 近年来 为缓解苇田用水不足的局面 苇 场利用下游上溯潮水与绕阳河淡水混合成的 夹氯水 灌溉 因此 绕阳河纳潮 量的多少直接影响着可供苇田灌溉水的量 进而影响着苇田灌溉质量 近些年 随着盘锦城市的快速发展 盘锦河务管理处决定于2 0 1 0 年在双台子 河曙光桥下游4 0 5 m 处建造生态抗旱临时橡胶坝 根据设计 橡胶坝长2 0 0 m 坝 高5 m 坝顶高程2 4 m 橡胶坝的位置如图5 1 所示 非汛期时橡胶坝拦截河道上 游来水 在河内形成稳定的生态水面 有利于改善河道生态环境 缓解周边工农 业及生活用水的紧张现状 橡胶坝建成后 阻隔了上下游水力交换 下游上溯潮 水在橡胶坝受阻 水动力条件改变必然对绕阳河的纳潮产生影响 但目前国内还 没有对此进行专门研究 因此 研究拦河橡胶坝启用后对绕阳河纳潮的影响对苇 田生产十分必要 4 5 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 互 5 2 工程分析 x k m 图5 1 双台子河下游拦河橡胶坝位置图 针对河口区苇田灌溉情况和双台子河拦河橡胶坝的蓄水特点 设计两种来水 情景 即双台子河上游有汇流和无汇流 分析在5 月 枯水期 拦河橡胶坝对支 流绕阳河万金滩闸纳潮流量和盐度的影响 各河道初始条件采用实测水位 流量 数据 河道初始盐度采用同期c t d 实测数据 河口断面采用2 0 0 9 年5 月 盘山 闸放水 和2 0 1 0 年5 月 不放水 实测盐度时间序列数据 5 2 1 上游有径流 1 对流量的影响 从图5 2 中看出 拦河橡胶坝建造后 阻断了浅海潮流沿双台子河上溯的通道 潮水沿绕阳河上溯量增多2 2 9 1 0 4 m 3 比建坝前增加1 8 3 表明橡胶坝的建造 有利于万金滩纳潮 建坝前上溯潮水的最大流量为1 1 6m v s 建坝后最大流量达到 了1 5 4m v s 增大了3 2 7 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 2 0 0 1 0 0 0 蚓 嫣 一1 0 0 2 0 0 2 0 0 9 5 72 0 0 9 5 72 0 0 9 5 82 0 0 9 5 82 0 0 9 5 8 1 4 2 4 2 1 3 60 4 4 8 1 2 o o1 9 1 2 图5 2 双台子河有汇流时橡胶坝对纳潮流量的影响 2 对盐度的影响 从模拟的结果 图5 3 可以看出 建造橡胶坝对万金滩处盐度的变化幅度影 响不大 计算盐度都在0 4 以下 满足苇田灌溉对盐度的要求 表明上游来水阻碍 河口下游潮水的上溯 降低了万金滩闸的盐度 从5 月8 日6 3 0 9 0 0 有一个盐 度小高峰 可能是由于下游潮水受上游来水和橡胶坝的阻拦 潮水往双台子河上 溯受阻转而涌向绕阳河 导致支流盐度值增加 o 4 l 0 3 8 0 3 5 魁 组0 3 2 o 2 9 o 2 6 0 2 3 2 0 0 9 5 7 1 4 2 4 2 0 0 9 5 7 2 1 3 6 2 0 0 9 5 8 0 4 4 8 2 0 0 9 5 8 1 2 0 0 图5 3 双台子河有汇流时橡胶坝对纳潮盐度的影响 4 7 2 0 0 9 5 8 1 9 1 2 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 5 2 2 上游无径流 1 对流量的影响 上游无径流下泄时 绕阳河纳潮主要受到下游潮水上溯的影响 拦河橡胶坝 建造后 模拟期内绕阳河的纳潮量比建坝前增多1 8 3 2 x1 0 4 r n 3 增加了1 6 8 5 万金滩最大上溯潮流量为9 3 6 5 m v s 比建坝前最大潮流量7 1 3 7m 3 s 增大了3 1 2 如图5 4 潮水上溯量的增加 使得绕阳河可利用水量增多 利于苇田灌溉 图5 4 双台子河无汇流时橡胶坝对纳潮流量的影响 2 对盐度的影响 从图5 5 中可以看出 在上游无汇流的情景下 拦河橡胶坝建造后 潮水沿双 台子河上溯受阻 转而涌向绕阳河 导致万金滩处盐度增大 模拟期内 建坝后 盐度计算最大值为0 9 1 比建坝前最大盐度0 5 2 增大了7 5 4 8 o 0 0 o o o 8 4 4 8 2 一1 c 嘲臻 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 2 0 1 0 5 2 2 1 4 2 4 2 0 1 0 5 2 2 2 1 3 6 2 0 1 0 5 2 3 0 4 4 8 2 0 1 0 5 2 3 1 2 0 0 图5 5 双台子河无汇流时橡胶坝对纳潮盐度的影响 2 0 1 0 一5 2 3 1 9 1 2 上述两种水文条件下 拦河橡胶坝会增大绕阳河万金滩闸处的过流量 相比 建坝前最大潮流量 建坝后纳潮量分别增加了1 8 3 和1 6 9 最大流量分别增加 了3 2 7 和3 1 2 这说明在影响绕阳河纳潮量的因素中 橡胶坝较上游径流影响 更为显著 两种情景下 盐度受上游径流影响较大 上游无汇流时 建坝后比建 坝前盐度最大值增加了7 5 盘锦地区苇田5 月份芦苇进入快速生长期 耐盐性 不断增强 建造橡胶坝前后河水盐度不大 小于芦苇生长耐盐限值为5 0 o o 表明万 金滩所纳潮水都可以直接用于苇田灌溉 以上分析表明 曙光桥下游建立生态抗 旱拦河橡胶坝不但有利于维持双台子河生态水面 改善城市河道生态环境 而且 对绕阳河纳潮产生了有利影响 增加了灌溉苇田的水量 可满足枯水期芦苇生态 需水 4 9 2 0 8 6 4 2 1 l o o o o m i k e ll 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 6 河道防洪水位数值计算 6 1 背景简介 盘锦市区坐落于双台子河两岸 是全国3 1 个重点防洪城市之一 现有堤防总 长5 9 3 k m 由于盘锦市地处辽河三角洲平原地势低洼 地面高程在3 0 m 至4 0 m 之间 地势西北高 东南低 由西北向东南倾斜 绕阳河位于双台子河右岸 是 其第一大支流 在张明甲处汇入双台子河 辽河流域降雨集中于汛期6 9 月份 大约占年降雨量7 5 7 8 月是降水鼎盛期 两月占年径流量5 0 以上 对地处 下游河流的城市防洪带来很大影响 9 4 双台子河穿城而过 右岸是双台子区 盘山县 左岸是兴隆台区 大洼县 境内的双台子河是盘锦市区各排水出口的唯一外河承泄河道 市区建成区面积 4 8 k m 2 规划区面积8 6 8 6k m 2 城区人口5 2 7 6 万人 市区下距辽河口6 0 余k r n 为防止潮水倒灌 改善水质和提高闸上水位 同时保证盘锦地区上百万亩农田灌 溉用水 1 9 6 8 年在距河口6 1 3 k m 处的盘山县修建了拦河闸 河闸设计泄洪流量 5 0 0 0 m v s 2 0 年一遇 其中拦洪闸泄洪3 0 0 0m 3 s 溢洪堤分洪2 0 0 0m v s 盘山 闸自1 9 6 9 年投入运用以来 为发展两岸工农业 保证农田和城镇及厂矿用水起了 重要的作用 1 9 7 0 年汛后为扩大灌溉面积 增加调营库容 闸门又加高0 6 m 正 常档水位由3 8 m 抬高到 4 5 m 盘山闸的过流量与闸前水位的对应关系见表6 1 表6 1 盘山拦河闸设计水位一流量对应关系 自拦河闸修建后 阻截了外海潮流上溯 闸以下属感潮段 由于建闸本身改 5 0 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 变了闸上下游水沙条件 在运用方式上又未按设计的调水调沙方式控制 自1 9 6 9 年至1 9 8 6 年止 闸上下游河道均加剧了淤积 河槽过水面积明显减小 由此降低 了拦河闸的泄洪能力和分洪标准 减少了灌溉用水的补偿调节能力 也影响了闸 体本身的安全 对拦河闸安全泄洪产生不利的影响 盘锦市城区现有防洪工程由辽河的盘山闸 两岸防洪大堤组成 两岸防洪大 堤于 七五 期间辽河整治时按2 0 年一遇洪水标准5 0 0 0 m 3 每秒设计施工 左岸城 市防洪堤自双桥子站至于岗子站长2 1 6 2 6 m 其中溢洪堤交点至李家闸 城市核心 段 长8 8 7 6 m 安全超高2 5 m 其它堤段安全超高2 0 m 右岸城市防洪堤自西绕 取水口至太平河口长2 2 8 7 1 m 其中小柳河口至一统河口 城市核心段 长6 5 8 0 m 安全超高2 5 m 其它堤段安全超高2 0 m 目前右岸城市防洪堤从小柳河口至谷家 闸段全长6 5 8 0 m 已按5 0 年一遇洪水标准进行加固 堤顶加宽至8 m 并修筑了 砼板护坡 铁路代堤段及盘山桥老弯道曲直工程于1 9 9 8 年完成 左岸7 1 6 0 m 南堤 北移工程于2 0 0 0 年8 月完成 跨河建筑物盘锦大桥 铁路桥 双台子河大桥改扩 建工程按城市防洪工程标准分别于1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 年相继完成 辽河经过 七 五 期间整修 盘山闸以上堤段防洪标准达二十年一遇洪水5 0 0 0m v s 闸下尚有 局部堤防工程防洪标准只有3 0 0 0 m 3 s 不足l o 年一遇标准 作为双台子河下游 最大支流的绕阳河 由于河口辽河油田矿区建设及芦苇等严重阻水 现左岸大堤 绕阳河闸以上可达3 0 年一遇2 2 7 0m v s 防洪标准 万金滩闸以下实际通洪流量只 有3 0 0m v s 和绕阳河2 5 3 0m 3 s 5 0 年一遇 的设计洪水相比 泄洪能力严重不 足 一到洪水期卡水十分严重 严重威胁两岸工农业设施 盘锦水利部门统计自1 8 4 0 至2 0 0 2 年的1 6 2 年中 境内共发生水灾6 9 次 平均不足3 年一次 发生早灾2 7 次 平均6 年一次 自1 9 8 4 年盘锦建市以来 分别于1 9 8 5 年7 至8 月间 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 9 4 1 9 9 5 2 0 0 5 年汛期 发生了五次 较大规模的洪水 9 5 9 6 如表6 2 其中1 9 9 5 年汛期洪峰流量大4 0 5 0m v s 为1 9 6 8 年建闸以来最大洪水 洪水淹没城镇 农场 村庄 田地 造成房屋倒塌 农作 物受灾 工厂被淹 给工农业生产和人民生命财产造成严重损失 造成直接经济 损失1 1 8 6 亿元 9 7 1 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 表6 2 盘锦建市以来盘山闸汛期实测洪峰水位与流量 近3 0 年来 由于工农业发展的需要 河口区大量开采石油和地下水 地面 沉降降幅达8 1 0 r n m a 更加剧了双台子河严峻的防洪形势 98 1 因此 分析双台子 河两岸现有堤防抵御不同高位洪水的防护能力 对保护城市安全和人民生命财产 至关重要 本文利用m i k e l l 水动力模型 计算干流河道及其主支流在双台子河上 游遭遇高位洪水时的河道防洪水位 并分析现状河道的防洪能力 计算结果可为 双台子河防洪及河堤规划提供依据 6 2 工况设计 盘锦城区的现有防洪工程由拦河闸和两岸防洪大堤组成 根据盘锦市防汛抗旱 指挥部于2 0 0 3 年制定的城市防洪预案 河堤按2 0 年一遇洪水标准设计 农村段 安全超高2 0 m 城市段安全超高2 5 m 拦河闸 绕阳河口段尚有部分无堤段 有 堤段左堤2 5 1 k m 右堤2 9 1 6 k m 总长5 4 2 6 k m 由于建闸本身改变了拦河闸上 下游的水沙运动环境 在河闸运行方式上又未按设计的调水调沙模式控制 自拦 河闸启用以来 闸上下游淤积严重 导致河床抬升 河槽断面过水面积明显减小 由此降低了拦河闸的泄洪能力和分洪标准 也影响了闸体本身的安全 盘锦建成区内一统河和螃蟹沟两条排水明渠构成市区雨污水主要承泄水体 规 划标准为2 0 年一遇 一统河经谷家闸从右岸泄入辽河 螃蟹沟经于岗子站从左岸 5 2 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 泄入辽河 根据计算 当出现设计暴雨时 产生雨污水总流量6 3 2 9 m v s 盘锦地 处辽河下游 地势低 河口潮差大 一旦风暴潮和上游洪水遭遇 城市防汛形势 更为严峻 因此 研究双台子河道的现状防洪能力时 必须考虑上游洪水位 下 游高潮位及强降雨遭遇的情况 本文分析上游不同频率洪水 下游高潮位及强降雨遭遇的各种不利水文组合 应用m i k e l l 模型计算双台子河及支流绕阳河现状河道的洪水位 计算方案见表 6 3 方案1 5 上游水位为河闸不同频率设计水位和相应的流量 下游采用1 0 年 一遇的潮位 方案6 模拟最不利组合水文情景 上游为双台子河有水文记录以来 最大洪水 下游采用有记录以来实测最高潮位 各方案同时考虑遭遇区间强降雨 2 0 年一遇 表6 3 双台子河防洪设计水位计算方案 6 2 1 双台子河防洪水位计算 作为干流 双台子河穿城而过 其行洪能力直接影响着盘锦的城市安全和两岸 居民的人身财产安全 根据设计的河道防洪水位计算方案 利用m i k e l l 水动力学 模型计算防洪水位 双台子河拦河闸 河口三道沟段遭遇不同频率洪水位及最不利 水文组合河道时最高水位包络线如图6 1 6 2 所示 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 1 0 8 昌 逍6 4 2 1 2 6 目 邋o 妥 一6 1 2 河道里程 m 图6 1 不同频率洪水位时双台子河最高水位包络线 6 0 0 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 4 0 0 0 05 0 0 0 0 6 0 0 0 0 7 0 0 0 0 河道里程 m 图6 2 最不利组合时双台子河最高水位包络线 从图中可以看出 现状河道遭遇河闸设防水位时 双台子河能抵御洪水 干 流遭遇警戒洪水位时 右堤1 8 5 9 7 m 处洪水溢出 当发生1 0 年一遇以上洪水时 双台子河干流多处发生洪水漫堤 已不能抵御更大频率洪水 当河道出现最不利 m i k e ll 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 洪水组合情形时 双台子河o 0 0 0 m 一5 1 4 1 8 m 段出现险情 分析表明现状河道的 防洪标准已低于河闸设防时的水位标准 原因可能是上游泥沙增多 闸下淤积严 重 河床抬升 过水面积减小 导致河道防洪标准降低 6 2 2 绕阳河防洪水位计算 绕阳河作为双台子河右岸第一大支流 流域内分布着辽河油田等重点保护对 象 对两岸农业灌溉 河道防洪起着重要作用 由于绕阳河上游在胡家农场处被 拦截 当双台子河遭遇上游高位洪水及下游高潮位时 不可避免会对绕阳河产生 影响 双台子河遭遇不同频率洪水及最不利洪水组合方案时 绕阳河河道最高水 位包络线如图6 3 6 4 所示 g 趔 8 6 4 2 07 0 0 01 4 0 0 02 1 0 0 0 河道里程 m 图6 3 不同频率洪水位时绕阳河最高水位包络线 m i k e l1 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 07 0 0 01 4 0 0 02 1 0 0 02 8 0 0 03 5 0 0 0 河道里程 m 图6 4 最不利组合时绕阳河最高水位包络线 从图中可以看出 双台子河发生警戒水位洪水时 绕阳河左堤桩位 1 7 7 0 6 m 3 1 4 5 8 m 段由于两岸河堤高程低 部分堤段洪水漫溢 双台子河上游洪 水位达到设防水位时 绕阳河1 4 7 8 8 m 桩位处洪水漫溢 部分河堤洪水超高0 6 m 随着双台子河洪水位增大 绕阳河的防洪形势愈加严峻 部分堤段水位超高大于 2 m 在最不利组合洪水情况下 由于遭遇高位洪水和双台子河口的高潮 绕阳河 已不能抵御洪水 洪水淹没范围扩大 由于绕阳河现状河道两岸河堤高程较低 当双台子河发生洪水时 严重影响绕阳河抵御洪水的能力 一旦发生高位洪水 洪水漫堤 将对沿河两岸工农业生产和人民生命安全造成严重威胁 因此 在进 行河道整治 修筑堤岸时应多加重视 7 i a 口u 1 1 3 迥 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 7 结论 感潮河段是河流与海洋的过渡段 在该河段上 一方面有来自上游径流的影 响 另一方面又受到下游潮汐的作用 是受径流和潮流共同作用的河段 水情多 变 相对于内陆河流变化更为复杂 由于自身条件的限制 大多数情况下只能采 用数值方法进行模拟 其核心问题是河网数学模型的建立及求解 其中河网水动 力学模型是建立其它模型如水质模型的基础 本文分析了感潮段水动力和水质模型的发展现状 简单叙述了研究区的自然 地理现状以及盘锦苇田的灌溉制度 利用收集到的河道水文 气象 河道断面等 资料 结合现场实测数据 基于丹麦d h im i k e l l 模型系统 建立了感潮河段水动 力 水质耦合模型 利用建立好的模型分析了双台子河下游建立拦河橡胶坝对支流 绕阳河纳潮的影响 并对感潮段河道的现状防洪进行了数值计算 得出的结论如 下 1 通过实测水位和盐度数据对m i k e l l 水动力 水质模型参数进行了率定和 验证 结果表明 模型计算值与实测值比较吻合 误差较小 建立的水动力一水质 耦合模型能正确反映双台子河感潮河段的水流运动特性及盐度的变化特点 对糙 率系数的灵敏度分析表明 河道不同位置糙率系数改变时对监测点的水位模拟值 结果影响不同 各点的灵敏度顺序依次为 l s l 双古于肿番 i s i 双台子再下辩 i s i 职台子河上潞 i s i 绕阳河下 蕾 l s i 绷钶上 根据l e n h a r t 对局部灵敏度的分级 双台子河中游糙率值为高灵敏度 参数 上游和下游是灵敏参数 绕阳河下游是中等灵敏参数 上游是不灵敏参数 表明其糙率大小对监测点张明甲站的计算值没有影响 同时计算表明糙率改变不 仅影响计算水位 而且影响潮水传播周期 当糙率增大时 由于水流受阻力增大 而导致能量损失增大 速度放缓 周期延滞 最大潮位出现时间延迟5 4 m i n 最小 潮位延迟3 6 r a i n 糙率对潮水传播周期影响显著 2 使用建立的水动力模型分析苇田在丰 平 枯水文年下芦苇灌溉期上溯 至绕阳河的潮水量 计算结果表明 丰水年苇田三次灌溉期内绕阳河纳潮量分别 为1 0 9 x 1 0 7 1 1 7 x 1 0 7 1 6 1 x 1 0 7m 3 平水年为1 3 5 x 1 0 7 1 3 0 1 0 7 2 5 4 x 1 0 7 枯 水年为0 9 8 x 1 0 7 1 2 4 x 1 07 1 9 9 9 x 1 07 m 3 各灌溉期绕阳河纳潮量占苇田总需水量 的比例大部分在3 0 以下 说明苇田灌溉所需水主要来自河道本身蓄水或引自双 m i k e l l 在盘锦双台子河口感潮段的应用研究 台子河上游蓄水 而绕阳河纳潮可补充苇田灌溉需水量的不足 3 针对河口区苇田灌溉情况和双台子河拦河橡胶坝的蓄水特点 设计上游 有汇流和无汇流的两种来水情景 分析在5 月枯水期拦河橡胶坝对支流绕阳河万 金滩闸纳潮流量和盐度的影响 计算发现 拦河橡胶坝会增大绕阳河万金滩闸处 的过流量 建坝后最大纳潮量比建坝前分别增加了1 8 3 和1 6 9 最大流量分别 增加了3 2 7 和3 1 2 两种情景下 盐度受上游径流影响较大 上游无汇流时 建坝后比建坝前盐度最大值增加了7 5 但建造橡胶坝前后河水盐度变化不大 都小于芦苇生长耐盐限值为5 o 万金滩所纳潮水都可以直接用于苇田灌溉 4 针对双台子河及绕阳河现状河道 重点分析了当遭遇上游不同频率洪水