吳昱甫，吳 攀，陸 彥，王志力

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029）

新孟河延伸拓浚工程（以下簡稱“新孟河工程”）是《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》安排的提高水環(huán)境容量（納污能力）引排工程關(guān)鍵實施項目之一，北起長江，自幸福洲大夾江向南新開河道接老新孟河，然后沿老新孟河拓浚至京杭運河，長江至大運河段沿線兩岸支河口門實施控制。新孟河穿京杭運河后新開河向南延伸至北干河，沿線連通支河口門不設(shè)控，拓浚北干河連接洮湖、滆湖，拓浚太滆運河和漕橋河入太湖，全長116.69 km。平水年引長江水入湖水量達到25.2億m3，枯水年流域水資源配置引江入湖水量21.4 億m3，100 年一遇流域防洪排江水量7.9 億m3，對改善太湖西北部水域和上游地區(qū)河湖水環(huán)境具有重要的意義。新孟河工程于2015 年11 月開工建設(shè)，目前已基本建設(shè)完成，于2022年10月20日至12月16日開展抗旱調(diào)水試運行。

由于新孟河運南段的鶴溪河、夏溪河、湟里河等主要支河沒有實施有效控制，將影響新孟河引水后沿線流量分配及支河的水動力過程，也將對滆湖、洮湖的水環(huán)境將造成一定影響。如對運南段引水沿線支河設(shè)控，將有助于提高引水效率，但對主要支河設(shè)控前后的沿線河湖水動力影響尚不清楚。本文旨在通過建立新孟河工程引水沿線河湖水動力數(shù)學(xué)模型并進行計算，設(shè)定新孟河運南支河閘控方案，模擬方案實施后河湖水動力變化，對比分析支河設(shè)控前后沿線河道引水流量分配及對滆湖水動力特性的影響，探明新孟河運南支河閘控方案下的引水傳輸規(guī)律，為新孟河工程運行及優(yōu)化調(diào)度提供研究參考。

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗證

1.1 控制方程

河道采用一維河網(wǎng)模型進行模擬，湖泊采用水深平均二維模型進行模擬，一維模型和二維模型進行耦合［1］。采用半隱式有限體積法與有限差分結(jié)合的方法建立二維水動力模型，得到離散方程組，從而得出水位、流速、流向。

（1）一維河網(wǎng)模型

一維圣維南方程的守恒性格式可以寫為

其中

式中：A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；g為重力加速度；Zb為河床底高程；Sf為阻力項；I1為靜水壓力項。

式中：n為曼寧系數(shù)；R為水力半徑；h為水深，b(x,?)為距離河床?處的河寬。

（2）二維湖泊模型

二維淺水方程為，

其中

式中：h為水深；u為x方向的流速；v為y方向的流速；φ為孔隙率，反應(yīng)不過水建筑物的影響；φ=1，代表沒有阻水建筑物；φ=0代表阻水建筑物占據(jù)整個控制體；nm為曼寧系數(shù)；Cs為建筑物局部阻力系數(shù)。

1.2 模型范圍和網(wǎng)格

模擬范圍如圖1 所示，包括太湖及湖西區(qū)河網(wǎng)，南北向約160 km，東西向約140 km，總面積超過22 000 km2。長江和太湖流域河道采用一維模型，共有河段1 722 個，斷面20 685 個，河段總長度5 075 km，概化了126 個水利樞紐。二維模型包括太湖、滆湖和洮湖模擬面積2 599 km2，采用三角形網(wǎng)格進行空間離散，共有計算網(wǎng)格7.1 萬個，邊10.7 萬條，平均邊長292 m。

圖1 數(shù)學(xué)模型范圍及網(wǎng)格

在河湖網(wǎng)格計算中，河道斷面比較順直，采用矩形網(wǎng)格計算效率較高。在河口區(qū)域計算中，由于滆湖、洮湖岸線曲折復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進行剖分是非常合適的。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計算域，既可以克服矩形網(wǎng)格鋸齒形邊界所造成的流動失真，也可以避免生成有結(jié)構(gòu)貼體曲線網(wǎng)格的復(fù)雜計算和其他困難。因此，為了更好地擬合研究區(qū)域的形狀以及岸帶等，采用河網(wǎng)四邊形網(wǎng)格、湖區(qū)三角形混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元組成，對研究區(qū)域進行局部加密。

1.3 模型驗證

采用2022 年10 月20 日至11 月20 日新孟河工程抗旱調(diào)水試運行實測資料進行模型驗證，期間新孟河界牌水利樞紐日均引水流量60～100 m3/s；根據(jù)調(diào)水試運行方案，在新孟河運北段水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)于Ⅲ類后，10月21日開啟奔牛水利樞紐地涵。數(shù)模模擬條件為新孟河界牌水利樞紐泵引100 m3/s，奔牛水利樞紐南斷面初始水位為3.58 m。

表1給出了新孟河引水沿線主要斷面總體引水量、各河道入滆湖水量與方向、出滆湖水量及入太湖水量，模擬值與實測值較為接近，驗證結(jié)果基本滿足模型模擬要求。

表1 新孟河泵引100 m3/s期間相關(guān)斷面流量實測值與模擬值對比

2 模擬方案

新孟河運南支河無閘控條件下，主干河道流量經(jīng)支河分流，進入北干河斷面及入滆湖的流量有所下降，為此可以設(shè)置主要支河閘控方案。由于新孟河工程引水線路經(jīng)滆湖，而且滆湖流域地勢總體為“西高東低”，考慮主要支河西側(cè)閘控、東側(cè)開啟為一種閘控方案，支河?xùn)|西側(cè)全部關(guān)閉為第二種閘控方案。從新孟河工程抗旱調(diào)水試運行實測資料分析可知，湟里河西側(cè)入洮湖的流量最高可達20.6 m3/s，流量損失較大，可考慮湟里河西側(cè)單獨閘控方案。模擬新孟河引水流量按照設(shè)計泵引流量300 m3/s計算。本研究中新孟河運南主要支河閘控方案見表2，計算分析斷面見圖2。

表2 新孟河運南主要支河閘控方案

圖2 新孟河工程引水沿線河道監(jiān)測斷面示意

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 運南支河閘控對河道水動力的影響

新孟河引水60 d后，沿線河道水位和流速普遍上升。新孟河運南段河道和支河水位平均增加0.366～0.844 m，由北向南遞減，流速為0.42～0.62 m/s，由于鶴溪河西側(cè)、夏溪河西側(cè)流向由入新孟河轉(zhuǎn)為出新孟河，兩河西側(cè)流速下降至0.21～0.33 m/s；北干河水位增加約0.34 m，流速約為0.48 m/s；滆湖東側(cè)河道水位增加約0.22 m，流速為0.18～0.32 m/s。除了河道進出滆湖口門流速稍大（＞3 cm/s）外，整個湖區(qū)流速較小，為1～3 cm/s。

新孟河引水后運南段沿線河道流量有所上升，由于經(jīng)過支河分流，主干河道斷面流量從北向南逐漸下降（表3）。運南支河閘控方案實施后，通過與現(xiàn)狀條件下的河道斷面流量變化可知，將導(dǎo)致新孟河運南主干河道流量不同程度增加，其中支河全閘控下，新孟河—湟里河南斷面流量增加最大，達132.1 m3/s，北干河?xùn)|西兩側(cè)分流流量增加。另外，支河西側(cè)閘控將導(dǎo)致支河?xùn)|側(cè)流量有所上升。滆湖東側(cè)主要出湖河道太滆運河、漕橋河、殷村港、燒香港的流量變化不大，增幅為0.8～2.4 m3/s，可能與滆湖調(diào)蓄作用有關(guān)［2］。

表3 新孟河運南支河閘控方案與無閘控條件下相應(yīng)斷面流量差值 單位：m3/s

分析北干河兩側(cè)的分流比可知，支河無閘控下北干河西側(cè)與東側(cè)的分流比約為28%∶72%，北干河?xùn)|側(cè)占引水流量之比約為42%。在支河西側(cè)閘控、支河全閘控、僅湟里河西側(cè)閘控這3種方案下，北干河?xùn)|側(cè)占引水流量比例分別上升至45%、61%、43%，僅在支河全閘控方案下流量上升幅度較大，其余方案下閘控前后北干河?xùn)|側(cè)流量變幅不大；相比無閘控情形，3種閘控方案下，北干河?xùn)|側(cè)分流比分別下降至42%、58%、30%，表明支河閘控更有利于北干河西側(cè)流量的增加和分流比升高。

3.2 運南支河閘控對滆湖水動力的影響

在此分析支河西側(cè)閘控與全閘控下滆湖水動力特性的變化。模擬結(jié)果表明，支河西側(cè)閘控后，由于北干河入滆湖口流速提升，滆湖南部湖流流速整體有所增加，但平均增幅小于0.01 m/s；滆湖北部僅湟里河入湖口流速有所增加，北部湖區(qū)流速變化不大（圖3（a））。支河全部閘控后，北干河?xùn)|側(cè)入滆湖流量增加，入湖口區(qū)域流速增加0.01～0.05 m/s，其他湖區(qū)流速均有所下降，特別是北部湖區(qū)，由于鶴溪河、夏溪河、湟里河等流量阻斷，導(dǎo)致支河入滆湖口區(qū)域流速下降明顯，降幅達0.01 m/s（圖3（b））。

圖3 支河閘控前后滆湖流速變化

分析支河閘控后滆湖水體置換率變化，以界牌來水占滆湖水量比例而言，相比支河無閘控情形，支河西側(cè)閘控下支河?xùn)|側(cè)和北干河?xùn)|側(cè)共入滆湖總體流量稍高，界牌來水占比在引水初期的25 d內(nèi)相對較高（圖4），但差異小于5%，引水25 d 后幾乎與無閘控情形同步變化，到引水60 d后界牌來水占比約為90%；而支河全閘控情形下，引水10 d 后界牌來水占比顯著小于無閘控情形，且到引水60 d后界牌來水占比僅約為65%，這可能與支河全閘控條件下，僅有北干河?xùn)|側(cè)流量進入滆湖有關(guān)，湟里河等支河入湖受到嚴(yán)重影響，滆湖北部湖區(qū)水動力明顯減弱，湖區(qū)整體水體置換減緩。

圖4 滆湖內(nèi)界牌來水占比變化過程

3.3 支河口門閘控方案影響探討

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，支河口門設(shè)控后，新孟河運南段引水沿線水位、流速有所上升，僅在支河全閘控方案下北干河流量上升幅度最大，但北干河?xùn)|側(cè)分流比均有所降低，支河閘控更有利于北干河西側(cè)流量的增加和分流比升高，出滆湖河道的流量增幅不大。支河口門東側(cè)閘控將導(dǎo)致滆湖北部水動力減弱，滆湖水體交換能力減弱。

新孟河工程引水主要是為了使得太湖北部湖灣得到長江引水補給，改善湖灣及沿線河湖的水環(huán)境，提升河湖水動力是水環(huán)境改善的重要基礎(chǔ)。運南段支河大多穿過集鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖等區(qū)域，水體污染相對較重［3-4］，支河閘控將導(dǎo)致沿線河湖水網(wǎng)連通性降低［5-6］，但也可能減少引水期間支河污染入滆湖。

因此，對于支河口門的閘控措施，可根據(jù)不同時段分開施行：

（1）在引水時期，當(dāng)新孟河運南段支河水質(zhì)較差（劣于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)）時，可考慮支河口門兩側(cè)閘控措施，短期內(nèi)將有利于保障新孟河引水入滆湖流量；當(dāng)新孟河運南段支河西側(cè)或東側(cè)水質(zhì)得到改善或自身較好（滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)）時，建議保持水質(zhì)較好一側(cè)口門敞開，將有利于提升支河、連通河道或滆湖北部的水動力條件，改善局部水環(huán)境。

（2）在太湖無須引水時期，保持支河口門東側(cè)敞開，利用新孟河引水提升支河和滆湖北部的水體交換能力。

（3）在應(yīng)急排水時期，保持支河口門西側(cè)和東側(cè)敞開，暢通新孟河運南段、支河及連通河道、滆湖的水力聯(lián)系及水體交換。

由于支河口門閘控措施需要結(jié)合新孟河工程引排水調(diào)度，夏溪河、湟里河通航需求及考慮工程建設(shè)成本等，需要綜合權(quán)衡考量。

4 結(jié) 語

新孟河運南段無閘控支河對引水沿線流量產(chǎn)生影響，本文建立了太湖流域北部的一維、二維耦合的河湖水動力數(shù)學(xué)模型，對2022年新孟河抗旱調(diào)水試運行實測資料進行驗證，驗證結(jié)果良好，通過模型模擬并分析了運南段主要支河閘控方案實施對引水沿線河道和滆湖水動力的影響。支河口門設(shè)控下，新孟河引水后運南段引水沿線水位、流速明顯上升，經(jīng)北干河入滆湖流量有所增加，但支河閘控更有利于北干河西側(cè)流量的增加和分流比升高，而出滆湖河道的流量增幅不大。支河口門東側(cè)閘控將導(dǎo)致滆湖北部水動力減弱，降低滆湖水體交換能力。

新孟河運南段支河閘控需結(jié)合引排水調(diào)度、通航需求等多因素綜合考量，從提高引水效益角度，支河閘控方案需根據(jù)引水期、非引水期和應(yīng)急排水期進行科學(xué)制定和實施，建議后續(xù)進一步開展運南段支河閘控影響下污染物遷移過程等研究，加強新孟河工程引水后河湖的水環(huán)境監(jiān)測，為優(yōu)化調(diào)度方案提供借鑒。