水环境治理的滩槽分流调控方法

水环境治理的滩槽分流调控方法

杨玉衡1戴蔚2

1扬州市水利工程建设中心 江苏扬州 225001

2南京市第二基础工程有限责任公司  江苏南京211800

摘要：通过在滩地的进口处设置进口液压坝，通过滩地进口流量和滩地过流设计流量的关系，调整闸门，为水流上滩地提供了条件，使得利用高滩成为可能，充分利用了河流空间。

关键词：水环境治理；滩槽分流；调控方法

一、背景技术

目前河流水环境治理工作主要集中在河道以外，以源头治理、过程阻断措施为主，一方面减少污染物的产生，另一方收集污水入污水处理厂，处理之后再排入河道。进入河道后，由于空间狭小，水流流速快，难以进一步采取有效措施净化水体。某些城市段河流为了营造河道景观，会修筑堰坝，在堰坝上游河段形成大水面，堰坝下游滩槽空间得不到较好利用，水流分散，滩地凌乱，堰坝内水体也容易受到污染。

有些河道滩地较高，五年或者十年一遇的洪水时，水流才会上滩，绝大多数时间滩地空闲。为了利用滩地形成良好的河道景观，也有景观设计项目在堰坝位置埋设输水管道，将堰坝上游水流引入滩地，形成滩地溪流景观。这种埋管引水的水量相对于河道流量而言，规模较小，难以适合流量较大的河道。

二、技术方案

针对现有技术中的上述不足，提供的水环境治理的滩槽分流调控方法解决了现有的河道主河槽内水体难以进入滩地的问题。

提供一种水环境治理的滩槽分流调控方法，其在滩地上游的进口位置修建跨越河道主槽的进口液压坝，通过进口液压坝调控滩地的分流，该方法包括：

获取滩地进口上游主河槽水深、进口处的宽度和设计过水断面面积及滩地的糟率、水力半径和水力坡降；

根据滩地进口处的宽度，采用宽顶堰流量公式计算滩地进口流量Q 1 ：

其中，B 1 为滩地进口宽度，单位m；g为重力加速度，单位m/s 2 ；σ s 为淹没系数，σ c 为收缩系数，H 0 为滩地进口上游主河槽水深，单位m，m为流量系数；

根据滩地的糟率、水力半径和水力坡降，计算滩地过流设计流量：

其中，Q T 为滩地过流设计流量；A T 为滩地进口处的设计过水断面面积，n T 为滩地糟率，R T 为滩地水力半径；J T 为滩地水力坡降；

根据滩地进口流量和滩地过流设计流量的比对关系，调整滩槽分流：

当Q 1 ≤Q T 时，关闭滩地进口断面的进口液压坝，滩地过流；当Q 1 ＝Q T 时，保持进口液压坝关闭，上游来水进入滩地，通过滩地过流，主河槽位置水流越过进口液压坝，进入进口液压坝下游河道主河槽；当Q 1 ＞Q T 时，调整进口液压坝的开度，增大主河槽下泄流量，控制滩地进口流量Q 1 ≤Q T 。

三、附图说明

图1为用于水环境治理的滩槽分流调控方法的流程图

图2为滩槽分流控制结构示意图

图中：1、进口液压坝；2、出口液压坝；3、滩地；4、主河槽；5、高滩。

四、具体实施方式

本方案在实现分流调控前，需要在滩地的进口位置修建跨越河道的进口液压坝1，参考图1，图1示出了用于水环境治理的滩槽分流调控方法，通过进口液压坝1调控滩地的分流，其方法S包括步骤S1至步骤S4。

在步骤S1中，获取滩地进口上游主河槽水深、进口处的宽度和设计过水断面面积及滩地3的糟率、水力半径和水力坡降；

在步骤S2中，根据滩地进口处的宽度，采用宽顶堰流量公式计算滩地进口流量Q 1 ：

其中，B 1 为滩地进口宽度，单位m；g为重力加速度，单位m/s 2 ；σ s 为淹没系数，σ c 为收缩系数，H 0 为滩地进口上游主河槽水深，单位m，m为流量系数；

实施时，本方案优选所述流量系数的计算公式为：

m＝0.36，P/H≥3.0

其中，P为滩地上游来流方向水深，单位m；H为滩地进口断面水深，单位m。

在步骤S3中，根据滩地的糟率、水力半径和水力坡降，计算滩地过流设计流量：

其中，Q T 为滩地过流设计流量；A T 为滩地进口处设计过水断面面积，n T 为滩地糟率，R T 为滩地水力半径；J T 为滩地水力坡降；

在步骤S4中，根据滩地进口流量和滩地过流设计流量的比对关系，调整滩槽分流：

当Q 1 ≤Q T 时，关闭滩地进口断面的进口液压坝，滩地过流；当Q 1 ＝Q T 时，保持进口液压坝关闭，上游来水进入滩地，通过滩地过流，主河槽位置水流越过进口液压坝，进入进口液压坝下游河道主河槽；当Q 1 ＞Q T 时，调整进口液压坝的开度，增大主河槽下泄流量，控制滩地进口流量Q 1 ≤Q T 。

实施时，本方案优选进口液压坝1的设计高度为：

H z ＝(Z T -Z C )+ H T +a

其中，H Z 为进口液压坝设计高度，单位m；Z T 为滩地进口高程，单位m，Z C 为进口液压坝断面主河道高程，单位m，a为超高参数，在风浪影响较小的情况下可以取0.1m；H T 为滩地设计水深，单位m。；

实施时，本方案优选分流调控方法还包括在当前滩地的出口位置修建跨越河道的出口液压坝2，所述出口液压坝2的高程为：

其中，Z xT 为下游滩地出口坝址位置滩地高程，单位m； 为滩地出口断面设计最大水深，单位m，Z xC 为下游堰坝位置主河槽河床高程，单位m。

滩地3下游出口设置堰坝，可有效减缓滩地3水流流速，为实现滩地3净化效果，可以根据来流大小，用出口液压坝2控制滩地3和主河槽4的分流比例，滩地3净化与河道过流互不影响。同时由于下游堰坝的壅水作用，主河槽4内也会形成一定水面，起到沉降净化水体的功能。随着来流量增加，出口液压坝2上的水位升高，主流和滩地3可同时过流，以减少对洪水的影响。

当滩地3存在水流时，调整出口液压坝2的开度，使滩地3中水流流速小于0.5m/s，水深小于0.5m，这样设置可以保证水流缓慢经过滩地3，以实现充分净化；这样的流速和水深在4、5月份时，比较适合植被发芽及生长期。

滩地3内设置有沉沙设备、过滤设备、净化设备和/或缓流设备，或者在滩地3内种植湿地景观；这样设置后，可以进一步延长水体停留时间，净化水环境的同时，营造滩上湿地景观。

水环境治理的滩槽分流调控方法对应的滩槽分流调控结构如图2所示，主要组成包括进口液压坝1、出口液压坝2，中间河段有可利用的大面积高滩5。

上游来流在进口液压坝1前壅水，由于滩地3高程低于进口液压坝1坝顶(高程差可根据滩地3过水设计流量、河道来流量设计确定)，当水位高于滩地3高程时，水流向滩地3一侧集中，通过滩地3较低闸门进入高滩5，在高滩5上形成水体，为进一步湿地净化创造条件。

高滩5上可以修建潜坝或鱼鳞状潜坝，增加水流停留时间，促使滩地3过水宽度增加，同时可以对滩地3进行生态净化设施设计。另外，进口液压坝1和出口液压坝2可以在河道内形成一定蓄水沉沙净化效果。当水流流量较大，超过液压坝高程时，主河道和滩地3可以同时过流。

由于滩地3过流能力有限，本方案主要针对的是设计流量以下水体的净化，当来流量较大时，主河道和滩地3同时过流，水质净化效果降低，河道处于泄洪状态。

五、有益效果

通过在滩地的进口处设置进口液压坝，通过滩地进口流量和滩地过流设计流量的关系，调整闸门，为水流上滩地提供了条件，使得利用高滩成为可能，充分利用了河流空间；

充分利用进口液压坝特点，调节主河槽和滩地的流量，同时汛期行洪时，进口液压坝占用行洪空间较其他坝型小；依据滩地长度、宽度调整进入滩地流量，可在滩地形成较大水面，结合滩上湿地设计形成沉沙区、生态净化区，起到改善水质的作用，同时还可以形成主流与滩地不同景观效果。

参考文献：

【1】胡春宏,陈绪坚.流域水沙资源优化配置理论与模型及其在黄河下游的应用[J]. 水利学报.2006(12)

【2】 王双明,孙西欢,潘光在.复式断面河道水流泥沙数值模拟[J].太原理工大学学报.2000(01)

【3】刘睿,武佩佩,袁鹏博,万帆 .基于环境模拟数据模型的河流水沙特征与降雨影响分析研究[J].水利科技与经济. 2022(03)

【4】茹玉英,张尧旺,高际萍.水沙搭配评价指标研究综述[J].人民黄河. 2010(02)

作者介绍：

杨玉衡，1981年12月生；性别：女，民族：汉；籍贯：江苏省扬州市，工程师，学历：硕士研究生，研究方向：水利工程管理。

戴蔚，1988年12月生；性别：男，民族：汉；籍贯：江苏省兴化市，工程师，学历：本科，研究方向：水利水电工程。