張素香，洪國喜，徐 興，沈順中，Tan Soon Keat，Chu V. H.，李 熙

（1. 南京信息工程大學氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，江蘇 南京 210044；2.無錫市水文局，江蘇 無錫 214031；3.南洋理工大學，新加坡 639798；4.麥吉爾大學，加拿大 H3A2K6；5.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

1 概述

調(diào)水工程是改善太湖水系水環(huán)境的有效方法和途徑之一[1]，利用已建成的防洪河道，太湖流域在2014年開始疏通新溝河、新孟河兩條河道，太湖將通過新孟河、望虞河補水，借助走馬塘、新溝河、太浦河向長江排水，形成“兩進三出”的循環(huán)系統(tǒng)，通過讓水體動起來改善水質(zhì)。本文基于2013～2014年的太湖水系湖網(wǎng)水文站實測資料，采用自然引排水方式與水利樞紐人工調(diào)度相結(jié)合的建模途徑，建立了能適應(yīng)江湖分合、分蓄滯泄、吐納交替等復(fù)雜水沙條件和洪水調(diào)度要求的一維和二維非恒定流數(shù)學模型[2-6]。通過江湖耦合的一維水沙數(shù)學模型計算新溝河整治工程前后水位和水流泥沙沖淤變化，進行新溝河防洪、排澇影響分析；通過二維水沙數(shù)學模型計算新溝河工程前后的水位、流場及河道的沖淤變化，進行工程整治效果預(yù)測分析并提出優(yōu)化建議。新溝河整治工程河湖水系示意圖見圖1。

圖1 新溝河整治工程河湖水系圖

2 一維河網(wǎng)水沙模型

2.1 河湖水系水沙及其河床變形一維計算原理

各相關(guān)因子計算式分別為：

水流連續(xù)方程：

水流運動方程：

泥沙連續(xù)方程：

河床變形方程：

式中：Z、Q、A、B、S、S*分別為水位、流量、過水面積、水面寬度、含沙量、水流挾沙力；β為動量修正系數(shù)；Sf為摩阻坡降，采用曼寧公式計算；q為旁側(cè)入流。

上述方程中，水位、流速是斷面平均值，當水流漫灘時，平均流速與實況有差異，為了使水流漫灘后，計算斷面過水能力逼近實際過水能力，需引進動量修正系數(shù)β。Si為第i組粒徑含沙量，Si*為第i組粒徑的挾沙力，ρs為泥沙干容重，ηi為第i組粒徑泥沙引起的河道變形，α為恢復(fù)飽和系數(shù)，ω為沉降速度。

方程（1）至方程（4）可以歸納為解如下普遍形式的偏微分方程：

式中：φ為普遍的變量，用Z、Q、S、Si、ηi代替可以得到方程（1）至方程（4），Sφ為源項，采用控制體積法對方程離散求解。

2.2 新溝河整治工程對防洪排澇影響分析

利用率定后的一維水沙模型對新溝河整治工程后的河湖水系河網(wǎng)進行了模擬，參照圖2；主要進行了工程實施后的水位和流量試驗，參照圖3，流向基本為入江排澇，偶爾會有逆流。相對于工程前，新溝河主河道水位包絡(luò)線最大下降值為3.9 mm；河網(wǎng)仍主要以淤積為主，但淤積量大為減少。

圖2 一維河網(wǎng)水系圖

圖3 整治工程后各站流量過程線

3 二維河網(wǎng)水沙模型

3.1 河湖水系水沙及其河床變形二維計算原理

（1）二維水流方程

二維水流方程的普遍形式為：

式中：守恒物理量W，x向和y向通量向量F和G，以及源項向量D分別為：

其中，h為水深，u和v分別是x和y方向垂線平均的水平流速分量，g為重力加速度，和分別為x和y方向的水底底坡，定義為：

其中，Zb為水底高程，摩阻坡度定義為：

式中，n為曼寧糙率系數(shù)，q為湖泊單元旁側(cè)入流，先確定湖泊總的逐日旁側(cè)入流過程，再按單元面積平均分配。

（2）非均勻懸沙非平衡輸沙方程

泥沙輸運采用如下對流擴散方程的守恒形式：

河床變形方程為：

式中，Kx、Ky分別為x和y向擴散系數(shù)，其余系數(shù)同上。

二維水沙方程組仍采用控制體積法對方程離散求解，其實質(zhì)是逐單元進行水量、動量和沙量平衡，準確滿足積分形式的守恒律，成果無守恒誤差，能處理含間斷或陡梯度的流動。

3.2 新溝河整治工程前后的水位、流場及河道的沖淤變化

二維水沙模型的計算表明，新溝河整治工程前后，太湖入新溝河的分流量有所增加（約增20%）；新溝河分流比受長江干流水位影響明顯，低潮位時分流比大于高潮位，漕河口門的分流比變化不大，五牧河分流能力較強；漕河口門的分沙比變化較大，受到樞紐的影響較多。為防止汛期太湖水位過高，新溝河將承擔太湖北部區(qū)域向長江排水的功能。同時，應(yīng)急情況下也能通過新溝河向太湖調(diào)水，改善梅梁湖水質(zhì)。

新溝河整治工程后，參照圖4和圖5，水位略有下降，流速特征值變化不大，說明新溝河整治工程對河湖水系的水流特征影響不是很大。長江水倒灌和逆流的存在對于長江水引入新溝河水系有重要意義，通過新溝河口門雙向泵站抽引長江水入太湖，抬高水系北部水位，打開其他口門建筑物自流出水能夠?qū)⑺祪?nèi)河道水體輪流換清。參照圖6和圖7，對新溝河疏浚整治后的懸沙分布和河道沖淤進行了分析，河道疏浚量大的區(qū)段泥沙回淤明顯，沒有疏浚的河段淤積量較工程前減少，新溝河湖網(wǎng)水系總體上仍以淤積為主。

圖4 低潮位水位沿程分布圖

圖5 低潮位流速沿程分布圖

圖6 懸沙分布圖

圖7 河床沖淤變化分布圖

4 新溝河整治工程效果及影響分析

新溝河水系洪水的形成與發(fā)展不僅受太湖和區(qū)間降雨洪水的影響，還受到長江洪水制約。新溝河水系洪水的上漲速度主要受太湖洪水制約，而洪峰水位的高低和洪水消退快慢主要受長江洪水制約?？偟膩碚f，新溝河水系洪水量級大小與持續(xù)時間長短，主要由長江洪水大小和太湖高水位維持時間長短所決定。在防洪影響方面，主要通過水利樞紐的合理調(diào)度實現(xiàn)長江洪水與太湖水系洪水的錯峰。作為輔助措施，利用水利工程的優(yōu)化調(diào)度，調(diào)水換水也是改善水環(huán)境的方法和途徑之一。充分利用已建成的防洪基礎(chǔ)設(shè)施，長江潮位較高時，利用沿江閘站、泵站引長江水入太湖，同時將河湖水系內(nèi)各主要河道水體輪流換清；太湖水位較高時，湖網(wǎng)沿水系自排長江，再適時調(diào)控河湖水系其他口門建筑物出水。

5 結(jié)論與建議

從數(shù)學模型試驗初步結(jié)果表明，通過河湖耦合的一維水沙數(shù)學模型計算新溝河整治工程前后水位和水流泥沙沖淤變化，新溝河流向基本為入江排澇，偶爾會有逆流。相較于工程前，新溝河主河道水位略有下降；河網(wǎng)仍主要以淤積為主，但淤積量大為減少。通過二維水沙數(shù)學模型計算新溝河工程前后的水位、流場及河道的沖淤變化，新溝河分流比受長江干流水位影響明顯，低潮位時分流比大于高潮位，漕河口門的分流比變化不大，五牧河分流能力較強；漕河口門的分沙比變化較大，受到樞紐的影響較多。實施新溝河整治工程后，新溝河水系河網(wǎng)的主要功能是排澇，應(yīng)急情況下也能通過新溝河向太湖調(diào)水以改善水質(zhì)。