按照玉符河生态基流量计算结果及生态补水方案，在确保下游周王庄桥断面最小0.39m3/s流量的情况下，卧虎山水库需放水1140万m3/a。但是卧虎山水库目前仍承担着济南市防洪、供水及生态服务的任务，是否有足够的水量满足玉符河干流生态补水要求，如何调度，需要开展进一步的研究。本次仅考虑卧虎山水库水面蒸发损失水量。卧虎山水库供水量包括城市供水、下游玉符河生态补水和农业供水。根据卧虎山水库目前供......
2023-06-25
玉符河干流生态基流量计算与模拟优化方案
【摘要】：在推求的流量中，断面流量中最大值即可视为整个干流河道的生态基流量。图4-3-14玉符河干流典型河道断面位置示意图以玉符闸断面为例，使用拐点法计算生态流量。玉符河生态修复的水文目标首先是要满足河道一定的生态基流量，即全程保持不低于0.39m3/s的水流量。鉴于卧虎山水库的供水功能及其玉符河中、下游干流特殊的水文地质条件，本次拟提出三种生态补水方案进行比选，并对最优方案进行模拟分析。
1.生态基流量计算
根据拐点法原理，选择西渴马桥、周王庄桥、玉符闸和入黄口等典型断面进行最小生态流量推求。在推求的流量中，断面流量中最大值即可视为整个干流河道的生态基流量。典型断面地理位置如图4-3-14所示。
图4-3-14 玉符河干流典型河道断面位置示意图
以玉符闸断面为例，使用拐点法计算生态流量。玉符闸断面位于河口湿地中段，桩号为28+400，其形态如图4-3-15所示。
图4-3-15 玉符闸断面形态
经计算得到玉符闸断面水位—水面宽及水位—流量关系拟合曲线分别如图4-3-16及图4-3-17所示。
图4-3-16 玉符闸断面水位—水面宽关系曲线
图4-3-17 玉符闸断面水位—流量关系曲线
根据拐点法可以计算出，玉符闸断面的最小生态流量为0.17m3/s，对应流速为0.24m/s。
同理，计算出余下几个断面的生态流量及流速，可得4个断面最小生态流量及流速，见表4-3-12。
表4-3-12 不同断面生态基流量及对应流速一览表
2.玉符河强渗漏河段放水试验模拟
本次研究采用丹麦水力研究所（DHI）开发的Mike11软件系统建立了一维非定常水动力学模型，并对玉符河强渗漏段历史放水试验进行了模拟验算，主要目的是为模拟玉符河干流补水方案率定必要的参数。
2001年至2006年，济南市水利局为预防市区泉群断流，先后从5次从卧虎山水库放水经玉符河强渗漏补充泉域地下水资源，统称为放水试验。该试验的主要任务，一是查明玉符河强渗漏地段的渗漏能力、渗漏量；二是了解河流渗漏补给地下水的影响范围、影响程度，进而确定地形、地貌、地层、地质构造、岩溶发育规律等对补源的控制和影响作用。本次研究，为实现对模型参数的率定，采用2001年8月的放水试验观测数据进行模拟。
（1）放水试验概况。2001年放水试验放水时间为8月19—30日，历时11天4个小时。放水水源为玉符河上游卧虎山水库，总放水量为800万m3。其中断面过水流量用流速仪测量，测流13天，前2天（8月19—21日）每1小时测流一次，后8天（8月22—30日）每2小时测流一次。放水期间无降水补给。
该次试验，在玉符河设置了多个不同的观测断面，进行放水过程的流量、水位数据观测，其中测流数据最完整的为宅科、东渴马、催马3处，为本次研究模拟模型的定参提供了基础条件。
（2）模拟系统概化。
1）模拟河道范围及其概化卧虎山放水试验计算河段为卧虎山水库泄洪闸0+000至104国道橡胶坝14+700的玉符河干流河段。此河段为山丘区河流，区间无支流汇入，接受大气降水的补给，其间宅科4+000至武警桥12+640河段以卵石、砾石、沙石为主，河道渗漏较大，其中东渴马、西渴马、武警桥段渗漏最大，是济南岩溶水的强渗漏补给带。利用MIKE11软件进行河道概化，结果如图4-3-18所示。
2）河床纵、横断面概化。根据山东省水利勘测设计院测量成果，宅科、东渴马、催马3处典型横断面概化结果如图4-3-19所示。
卧虎山水库泄洪闸（0+000）至104国道橡胶坝（14+700）处河道坡降J=0.0029，纵断面概化结果如图4-3-20所示。
3）边界条件。一维水动力模型上游边界一般选择第二类模型边界条件流量随时间的变化过程，即Q=f（t），本次上游边界采用2001年卧虎山水库放水期间实测的放水流量，放水流量过程线如图4-3-21所示。
下游边界一般可以选择第一类或第三类作为边界条件：本次选择第一类边界条件水位随时间的变化过程，由于放水试验期间104国道橡胶坝水位变化较小，本次概化为固定水位边界处理。
图4-3-18 河道计算概化图
图4-3-19 模拟河段典型横断面
图4-3-20 河道坡降示意图
图4-3-21 卧虎山水库放水过程线图
（3）模拟结果分析。根据以上概化结果，得出各断面流量、水深拟合曲线如图4-3-22所示。
图4-3-22 典型断面流量、水深拟合曲线
由模拟曲线可以看出，在催马断面，放水模拟前期效果较差，而随着放水试验的进行，拟合效果越来越好。这主要是由于玉符河前期放水量较小，水深较小，并导致Courant数较小，致使模型稳定性较差；随着放水量的增大、断面水深的增大，Courant数逐渐增大，模型计算也逐渐平稳。
另外，根据放水试验的实测流量，可以大致得出不同模拟河段的渗漏量。结合模型拟合结果，经计算可得到模拟河段的渗漏损失和糙率值，如表4-3-13所示。
表4-3-13 不同模拟河段的渗漏量及糙率计算表
3.玉符河干流生态补水方案确定与模拟
（1）生态补水方案比选。本次研究提出的玉符河生态修复目标，首先是要实现全河道的长年不断流，这样就必需利用卧虎山水库进行生态补水。玉符河生态修复的水文目标首先是要满足河道一定的生态基流量，即全程保持不低于0.39m3/s的水流量。如果按常规方法单纯地从卧虎山水库向下游放水，则存在如何放水，如何使水流较为经济地通过强渗漏带的问题。而下游段，虽然渗漏性显著减小，但也存在如何确保河道内基本的生态水流和水深，如何保障河口湿地生态用水的问题。鉴于卧虎山水库的供水功能及其玉符河中、下游干流特殊的水文地质条件，本次拟提出三种生态补水方案进行比选，并对最优方案进行模拟分析。
方案1：考虑现状卧虎山水库供用水现状，在满足工、农业供水需要后再向下游实施补水；
方案2：不考虑现状用水条件，将卧虎山水库作为生态调蓄工程进行补水；
方案3：考虑下游已有工程，从卧虎山水库大流量放水至104国道断面处橡胶坝工程，再建子槽以全程满足生态基流量要求向下游补水至河口湿地。
方案1旨在分析在维持卧虎山水库现状用水条件下常年放水能否能够满足下游河道的生态基流。
1）方案1可行性分析。据山东省水文局长系列（1964—2006年）统计数据，卧虎山水库多年平均来水量5891.9万m3。目前，卧虎山水库供水包括城市用水和农业用水两部分，前者年供水量为1825万m3，后者多年平均农业供水量为658万m3，共计2483万m3。这样，在不考虑汛期汇洪量前提下，扣除死库容350万m3后，卧虎山水库将有3058.9万m3水可用于下游生态补水。
而根据符河生态修复的水文目标，即全程保持不低于0.39m3/s的基流量。沿下游向上逐步加上耗损流量后，即可得出卧虎山水库最小放水流量。据2002年的卧虎水水库放水试验结果，卧虎山水库大坝至104国道间因大部分属强渗漏带范围，全年平均损失流量达1.34m3/s；而104国道～周王庄桥的平均损失流量为0.3m3/s。因此，玉符河干流上游需要满足2.03m3/s的下泄水量才能保证进入河口湿地入口处0.39m3/s的基流量，由此估算断流天数240天需水量4209.4万m3。
这样，不难发现，在保证现状用水的情况下，卧虎山水库即便不进行汛期泄洪也难以满足玉符河下游生态补水要求。所以，此方案无效。
2）方案2可行性分析。方案2在方案1的基础上，通过减少卧虎山水库现状城市和农业用水来增加生态补水规模，即卧虎山水库来水经调节后全部用于生态补水。从水资源总量上来看，扣除死库容后可供生态补水5541.9万m3。但是按照水库调度运行方案，当汛期水位高于汛限水位时应予以弃水，经计算，多年平均汛期弃水量2373万m3，可用于生态补水的水量仅为3168.9万m3，也无法满足下游河道生态补水的需求。所以，方案2也无效。
3）方案3可行性分析。由方案1和方案2可以看出，由于特殊的水文地质条件因素影响，卧虎山水库大坝以下玉符河强渗漏带渗漏水量巨大，以卧虎山水库来水量及现状供水规模，按常规放水方式无法满足玉符河干流生态补水需要。为此，我们提出第三种方案，即大流量通过+子槽方案。其中，104国道断面以上，采用大流量通过方案，卧虎山水库以较大的流量放水，确保在较短的时间内通过强渗漏带，减少渗漏损失；104国道断面以下至河口湿地入口即周王庄桥断面处，采用子槽方案，从橡胶坝处以确保周王庄桥断面不低于基本生态流量的前提下放水，子槽由人工修建，采用自然弱渗漏性材料。从水量上来说，本方案年需放水量估算在1100万～1200万m3之间，能够得到满足。
此方案充分利用了已建的橡胶坝工程，既不破坏玉符河强渗漏带的自然特性，又降低了输水过程中的渗漏损失，保障了河口湿地的生态用水，实现了104国道以下河道内的常年流水。
综上，方案3是可行的。
（2）大流量通过+子槽方案模拟。根据比选结果，确定大流量通过+子槽方案可行。而根据工程设置情况，本次模拟过程中，将分两段进行，其中卧虎山水库至104国道橡胶坝进行大流量通过模拟，104国道橡胶坝以下至河口湿地入口周王庄桥断面处进行人工子槽模拟。
1）强渗漏带大流量通过模拟。大流量通过方案的计算河段与放水试验的模拟河段一致，即由卧虎山水库至104国道橡胶坝，其初始条件、边界条件、相关参数均不再调整。而由于104国道橡胶坝的最大一次蓄水量为20万m3，因此，模拟的目的就是确定合理的放水流量在较短的时间内充满橡胶坝库区。鉴于卧虎山水库自1965年以来，最大的下泄量为33m3/s，本次研究结合可操作性提出了三种模拟方案，如表4-3-14所示。
表4-3-14 大流量通过模拟方案
通过模拟计算，3方案使得104国道橡胶坝充满库容所需要的时间以及放水量如表4-3-15所示。
表4-3-15 不同方案计算成果表
注 损失水量指一次放水过程损失的水量，包括渗漏损失及河道蓄水。
通过计算可以看出，放水流量越大损失的水量越小，充库所需时间也越少。但是，放水必需满足河道的自身安全，因此不应突破历史水库最大放水规模，即33m3/s。因此，本次研究认为，按照方案2实施生态补水最为合理。
方案2条件下104河道断面水位随时间变化情况如图4-3-23所示。
图4-3-23 方案2运行后104国道断面水位过程线
一次放水完成后沿程河道及104国道橡胶坝蓄水情况如图4-3-24所示。
2）人工子槽补水模拟。子槽补水，即在河道内人工设计修建一条过水子槽，减少水量在河道内输送过程中的渗漏损失，保证河道内的最小生态基流量和河口湿地的生态用水。
a.子槽设计。人工渠道和自然河道统称为明渠。虽然从理论上来说，明渠设计断面有多种，但从近自然生态修复的角度来考虑，自然河形更贴近于抛物线形。故此，本次研究中子槽的横断面设计为抛物线形，如图4-3-25所示。
根据国内学者的研究成果，抛物线的水力最优断面的水深与形状参数之间的关系为：
图4-3-24 放水2小时后河道水面线示意图
图4-3-25 抛物线形过水断面示意图
（B为最大河宽，H为最大水深，b1为为水深1m时的河道宽度）
进一步推求抛物线参数与a最优断面水深的关系：
根据计算成果发现，由于水力最优断面是在过水断面面积、粗糙系数和渠底纵坡系数一定的条件下，使渠道所通过的流量最大，此时断面的宽深比较小，属于窄深形河道，而生态景观河道断面的设计对水面宽有较高的要求，因此，在进行河道设计时，需要进行一定的改进。参考相关的资料，考虑到子槽的生态功能、造价以及断面最优化等角度，本次子槽设计宽深比为m=2，最大水深h=0.5m，最大水面宽B=2m。此时，该断面的形态方程为：
b.模拟边界及结果分析。根据生态流量计算结果，子槽下边界周王庄桥的生态基流量为0.39m3/s，本次模拟的目的是确定104国道断面处橡胶坝蓄存的20万m3水能持续的时间及对应流量。104国道至周王庄桥两断面间河道概化图如图4-3-26所示。
通过模型调算，最终确定上游边界以0.5m3/s的流量放水，可持续放水5.5天。这样即可满足下游子槽河道的最小生态基流量0.39m3/s，并能满足一定的水深。计算结果如图4-3-27、图4-3-28所示。
某时段的河道水面线如图4-3-29所示。
由上图可以看出，下游子槽断面的水位和流量在较短的时间内将达到一个稳定的状态，18+000断面的稳定水深0.5m，稳定流量0.4m3/s，下边界25+000断面（周王庄桥）的稳定水深为0.4m，稳定基流量为0.39m3/s。达到最小生态流量的要求。
通过以上模拟分析，可以看出玉符河生态补水方案为：以5天作为一周期，从卧虎山水库按33.0m3/s进行为时2小时的大流量放水，到达104国道橡胶坝后，再以0.5m3/s流量向下游河口湿地进行放水，满足下边界（周王庄桥）的流量0.39m3/s要求。
图4-3-26 104国道断面至周王庄桥断面河道概化图
图4-3-27 18+000断面水位、流量随时间变化线
这样，卧虎山水库全年向玉符河干流生态补水总放水量为1140m3。
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