羅 乾 (上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海200434)

八蕩河工程位于太浦河北岸蘇州市吳江區(qū)境內(nèi)，西起京杭運(yùn)河吳江區(qū)八拆段，途經(jīng)元鶴蕩、三白蕩等湖蕩，東至元蕩。工程目的為提高區(qū)域防洪排澇能力，緩解太浦河高水位行洪對(duì)區(qū)域防洪排澇的影響;改善區(qū)域水環(huán)境，緩解太浦河支河口門控制對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響。

水利工程的建設(shè)改變了原有水系布局，對(duì)水文水動(dòng)力、水環(huán)境質(zhì)量等因子產(chǎn)生不同程度的影響［1］。工程區(qū)處于平原河網(wǎng)區(qū)，河網(wǎng)交錯(cuò)密布，閘壩、泵站、涵洞等控制性建筑物眾多，受人工控制建筑物的操作運(yùn)行影響，水流方向往復(fù)不定［2］。因此，平原河網(wǎng)地區(qū)的水量水質(zhì)影響分析比單一河道復(fù)雜，其分析計(jì)算常需借助數(shù)模技術(shù)，以便掌握相對(duì)準(zhǔn)確的水力、水質(zhì)要素變化情況［3］。目前，大多數(shù)研究都集中在某一區(qū)域水量水質(zhì)模型［4］及已建工程水量水質(zhì)調(diào)度方案的研究［5］，關(guān)于工程建設(shè)對(duì)水環(huán)境及防洪的影響方面研究較少。該文基于太湖流域——維水量水質(zhì)模型，分析八蕩河工程實(shí)施對(duì)區(qū)域水環(huán)境及防洪的影響。

1 太湖流域——維水量水質(zhì)模型

1.1 模型簡(jiǎn)介 太湖流域——維水量水質(zhì)模型經(jīng)水利部及國家有關(guān)科技部門的鑒定認(rèn)證，是太湖流域可推行使用的水量水質(zhì)模型，曾成功應(yīng)用于太湖流域防洪規(guī)劃、太湖流域水資源規(guī)劃等流域重大規(guī)劃的水利計(jì)算，以及走馬塘延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程等可研階段的論證工作中，是目前流域認(rèn)知度和可行度較高的模型［6］。

1.2 基本方程

(1)河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)方程。以產(chǎn)匯流模型計(jì)算得到的山丘區(qū)流量、圩內(nèi)外凈雨深，結(jié)合典型年實(shí)測(cè)潮位邊界，在河網(wǎng)概化的基礎(chǔ)上模擬水流運(yùn)動(dòng)。

式中:x、t為空間(m)和時(shí)間(s)變量;A為過水面積(m2);AT為調(diào)蓄水面積(m2);Q為斷面流量(m3/s);Z為水位(m);α為動(dòng)量修正系數(shù);K為流量模數(shù);qL為單寬旁側(cè)入流(m3/s)/m，入流為正，出流為負(fù);vx為入流沿水流方向的速度(m/s);若旁側(cè)入流垂直于主流，則vx=0。

模型采用4點(diǎn)隱式直接差分法離散求數(shù)值解。

(2)河網(wǎng)水質(zhì)計(jì)算模型。水質(zhì)過程符合一階動(dòng)力反應(yīng)式，水質(zhì)過程控制方程為:

式中:C為某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度(mg/L);A為斷面面積(m2);Q為流量(m3/s);Ex為縱向彌散系數(shù)(m2/s);S為該種水質(zhì)指標(biāo)的源(匯)項(xiàng)。

上游邊界為來水的水質(zhì)濃度，下游邊界為濃度梯度，采用隱式差分法離散求得數(shù)值解。

1.3 計(jì)算范圍及河網(wǎng)概化 根據(jù)太湖流域平原河網(wǎng)的特點(diǎn)，將流域內(nèi)影響水流運(yùn)動(dòng)的因素分別概化為零維模型(湖、蕩、圩等零維調(diào)蓄節(jié)點(diǎn))、一維模型(一維河道)和聯(lián)系要素(堰、閘、泵控制建筑物等)三類模型要素。聯(lián)系要素包括水閘、船閘、涵洞(立交)及泵站等工程，聯(lián)系要素的上下游都設(shè)有節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的水位差與流量之間的關(guān)系取決于堰流公式及運(yùn)行方式。共包括:概化河道(段)1 483條;計(jì)算斷面4 274個(gè);節(jié)點(diǎn)116個(gè)，其中邊界節(jié)點(diǎn)105個(gè)，調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)76個(gè);控制建筑物(閘、泵等)168個(gè)。

1.4 模型率定與驗(yàn)證 模型采用2000年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了率定，并采用1998年和1999年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算成果與實(shí)測(cè)值基本吻合，基本上能反映太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的水流特點(diǎn)。

1.5 計(jì)算條件

(1)邊界條件。邊界條件主要包括沿江(沿海)潮位邊界、山丘區(qū)和平原區(qū)徑流入流邊界條件等。

沿江(沿海)邊界條件。根據(jù)主要潮位站的潮位過程線，分漲、落潮，將潮位過程換算成單位潮位過程，推算各潮位站的整點(diǎn)潮位;按照潮位站的距離，用拉格朗日插值法計(jì)算所有潮位站的潮位過程。

山丘區(qū)和平原區(qū)徑流入流邊界。根據(jù)設(shè)計(jì)雨型采用典型年的實(shí)測(cè)降雨、蒸發(fā)資料，由降雨產(chǎn)匯流模型計(jì)算得到山丘區(qū)和平原區(qū)徑流過程，作為河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型入流邊界。

(2)主要建筑物調(diào)度。工程涉及的主要建筑物調(diào)度包括太湖水位調(diào)度線，陽澄淀茆區(qū)、太浦河兩岸相關(guān)控制建筑物調(diào)度，所有建筑物調(diào)度原則服從流域、區(qū)域規(guī)劃要求。

2 計(jì)算年型、工況及方案

根據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃確定的不同降雨典型分布，綜合考慮防洪安全、水資源配置需要、水環(huán)境改善要求等因素，其防洪設(shè)計(jì)暴雨在地區(qū)組成上考慮以1999年降雨為設(shè)計(jì)典型年，水環(huán)境改善效果設(shè)計(jì)典型年選擇太湖流域平水年2000年和枯水年1971年(圖1)。

計(jì)算工況采用流域現(xiàn)狀工況，即流域一輪治太規(guī)劃工程(流域十大骨干工程)已實(shí)施，為研究太浦河支河口門控制對(duì)地區(qū)防洪排澇的影響，增加太浦河工程實(shí)施的工況，具體見表1。

表1 水利計(jì)算工況及方案

圖1 水位代表點(diǎn)和水質(zhì)斷面位置示意圖

3 工程實(shí)施效果

3.1 防洪 工程實(shí)施后，可有效增大區(qū)域東排泄流能力，減輕區(qū)域防洪除澇壓力;與工程實(shí)施前相比，區(qū)域河網(wǎng)松陵站、陳墓站、金家壩站最高水位可分別下降6、1和5 cm。工程實(shí)施有效降低了地區(qū)最高洪水位(表2)。

表2 不同計(jì)算方案中區(qū)域最高水位對(duì)比

工程實(shí)施后，可有效緩解太浦河高水行洪對(duì)地區(qū)防洪排澇的壓力。遇1999年50年一遇設(shè)計(jì)暴雨洪水，區(qū)域松陵、陳墓、金家壩防洪水位分別降低9、7和3 cm，有效促進(jìn)了區(qū)域防洪排澇能力的提高。

3.2 水環(huán)境

(1)有效緩解了太浦河支河口門控制對(duì)區(qū)域水質(zhì)的影響。太浦河支河口門有效控制后，北側(cè)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)由于缺少水體有序流動(dòng)，水質(zhì)均呈惡化趨勢(shì)。模型計(jì)算顯示太浦河北側(cè)控制后區(qū)域河網(wǎng)平均NH3-N濃度升高35．5%。工程實(shí)施后，相比太浦河北岸控制后區(qū)域水質(zhì)NH3-N濃度降低了17.5%，區(qū)域水質(zhì)濃度呈緩解趨勢(shì)。八蕩河工程的實(shí)施，有效緩解了太浦河支河口門控制對(duì)區(qū)域水質(zhì)的影響。結(jié)合區(qū)域污染治理措施，區(qū)域水質(zhì)能恢復(fù)到太浦河北側(cè)控制前的水質(zhì)。

(2)緩解了太浦河水質(zhì)保障的壓力，改善了區(qū)域水質(zhì)。

(a)太浦河沿線水質(zhì)。根據(jù)水利計(jì)算成果，工程實(shí)施后，京杭運(yùn)河入太浦河流量減小，太浦河沿線水質(zhì)濃度呈下降趨勢(shì)。

枯水年1971年，工程實(shí)施后，京杭運(yùn)河入太浦河流量由工程前的20．9 m3/s減小到17．5 m3/s，太浦河出平望斷面水質(zhì)指標(biāo) COD、NH3-N、TP、濃度較現(xiàn)狀分別下降 1．2%、12.5%、6．3%，太浦河出口斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降0．4%、6．4%、2．4%。2000 年變化規(guī)律類似(表3、4)。

表3 工程實(shí)施后杭運(yùn)河入太浦河、八蕩河流量變化情況

(b)工程沿線水質(zhì)。枯水年1971年，工程實(shí)施后，八拆、進(jìn)元鶴蕩前的斷面水質(zhì)濃度受運(yùn)河來水增大，部分水質(zhì)指標(biāo)呈升高趨勢(shì)。入元鶴蕩后，由于建設(shè)生態(tài)濕地等工程，通過水質(zhì)凈化系統(tǒng)，有效地降低了入湖水質(zhì)三項(xiàng)指示濃度，工程沿線水質(zhì)隨著河道規(guī)模擴(kuò)大，水質(zhì)改善程度越好，沿線各斷面NH3-N濃度可工程前下降4．9% ～7．7%。2000年變化規(guī)律類似(表5)。

表4 工程實(shí)施后太浦河沿線水質(zhì)變化情況

4 結(jié)語

(1)利用太湖流域一維水量水質(zhì)模型進(jìn)行模擬，得出:太浦河北岸控制后，對(duì)北片地區(qū)防洪、水環(huán)境均造成一定影響，八蕩河綜合整治工程實(shí)施，有利于太浦河北片地區(qū)防洪水平的提高、水環(huán)境的改善，可緩解太浦河沿線控制造成的不利影響。

(2)在分析了工程實(shí)施后太浦河北片地區(qū)的變化情況，還可進(jìn)一步分析工程對(duì)南片地區(qū)的影響，并結(jié)合太浦河兩岸沿線控制調(diào)度規(guī)則，更深層次地分析工程實(shí)施的影響效果;在模型概化時(shí)，八蕩河只概化為一種規(guī)模，可進(jìn)一步將八蕩河概化為不同規(guī)模并分析其影響效果。

表5 工程實(shí)施后沿線水質(zhì)變化情況

［1］韓龍喜，賈更華，楊鐘凱，等．平原河網(wǎng)地區(qū)水利工程水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建［J］．水資源保護(hù)，2011，27(5):65 －69．

［2］吳春，徐陽明，李達(dá)，等．一維非恒定流模型在太湖湖濱地區(qū)的應(yīng)用研究［J］．水電能源科學(xué)，2009，27(4):134 －137．

［3］李茶青，何文學(xué)，陳冬云．平原河網(wǎng)改善水環(huán)境引水配水方案設(shè)計(jì)［J］．中國農(nóng)村水利水電，2012(7):45－50．

［4］劉玉年，施勇，程緒水，等．淮河中游水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型研究［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2009，20(2):177 －183．

［5］江濤，朱淑蘭，張強(qiáng)．潮汐河網(wǎng)閘泵聯(lián)合調(diào)度的水環(huán)境效應(yīng)數(shù)值模擬［J］．水利學(xué)報(bào)，2011，42(4):388 －395．

［6］程文輝，王船海，朱琰．太湖流域模型［M］．南京:河海大學(xué)出版社，2006．