摘要：為分析“方廳水院”工程對(duì)國(guó)家基本水文站金澤站水文監(jiān)測(cè)的影響程度，利用Mike21水動(dòng)力模型，對(duì)不同水情下工程對(duì)該站水位、流量和流場(chǎng)的影響進(jìn)行計(jì)算模擬。結(jié)果表明：工程實(shí)施前后水文站斷面水位最大變幅均在2 mm以內(nèi)，工程對(duì)水位觀測(cè)結(jié)果存在一定的影響，但幅度較??；水文站測(cè)驗(yàn)斷面流速分布發(fā)生變化，各水情條件下，流速變幅大于3%的點(diǎn)位占比16%～33%，改變了原有代表流速關(guān)系曲線；主流附近的點(diǎn)位流速略有加快，幅度不超過2%，改變了原有的代表流速關(guān)系曲線?！胺綇d水院”工程的實(shí)施對(duì)金澤水文站的水文監(jiān)測(cè)存在一定程度影響，提出了降低影響程度的補(bǔ)償措施，以保障水文資料一致性。

關(guān)鍵詞：水文監(jiān)測(cè)； Mike21模型； 水位； 流量； 流場(chǎng)； 金澤水文站

中圖法分類號(hào)：P332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.005

文章編號(hào)：1006-0081（2024）09-0030-06

0 引 言

“方廳水院”是長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)水鄉(xiāng)客廳的核心地標(biāo)場(chǎng)所，工程塑造世界級(jí)水鄉(xiāng)人居文明典范，促進(jìn)長(zhǎng)三角地區(qū)文化交流與創(chuàng)新發(fā)展，集中展示一體化發(fā)展成就和江南水鄉(xiāng)文化，是列入《長(zhǎng)三角一體化發(fā)展規(guī)劃“十四五”實(shí)施方案重大項(xiàng)目庫(kù)》中的核心項(xiàng)目。 根據(jù)《水文監(jiān)測(cè)環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》，“方廳水院”步行橋工程位于國(guó)家基本水文站金澤站水文監(jiān)測(cè)河段環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)，本文旨在利用平面二維水流數(shù)學(xué)模型Mike21分析 “方廳水院”步行橋工程建設(shè)對(duì)金澤水文站測(cè)驗(yàn)設(shè)施、測(cè)站工作環(huán)境和水文資料整編方法等造成的影響。

橋梁工程的影響分析主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值計(jì)算法和水工模型法，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值方法的不斷發(fā)展，水動(dòng)力數(shù)值模型應(yīng)用前景廣闊［1］。其中，平面二維水流數(shù)學(xué)模型Mike21以垂線平均的水流因素作為研究對(duì)象，能夠較好地用于流體動(dòng)力學(xué)、波浪、沉積物動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)和生態(tài)學(xué)的建模［2］，是目前國(guó)際上同類模型中功能比較齊全、應(yīng)用比較廣泛的模型，在對(duì)橋梁工程進(jìn)行水位和流場(chǎng)模擬中已得到廣泛應(yīng)用［3］。目前，該模型在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展也很迅速，在長(zhǎng)江口綜合治理工程、南水北調(diào)工程、河北滄州防洪影響分析、昆山城市內(nèi)澇治理等實(shí)踐和研究中應(yīng)用廣泛［4-5］。

傳統(tǒng)Mike21水動(dòng)力模型采用矩形網(wǎng)格計(jì)算模塊進(jìn)行有限差分法，對(duì)海岸或防波堤等不規(guī)則邊界常處理成齒狀，計(jì)算結(jié)果不盡理想。矩形網(wǎng)格計(jì)算模塊難以進(jìn)行小尺寸局部水工建筑物的繞流模擬。模型屬大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型，不適用于模擬三維問題或急流等流動(dòng)［6］。本文研究采用Mike21水動(dòng)力模型三角形網(wǎng)格對(duì)建橋后計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，對(duì)橋墩位置附近的網(wǎng)格局部加密來改善優(yōu)化模型，計(jì)算模擬金澤站在“方廳水院”工程運(yùn)行期與施工期4種不同水情條件下的水位、流量、流場(chǎng)監(jiān)測(cè)的受影響程度。

1 測(cè)站及工程概況

1.1 測(cè)站概況

金澤水文站為國(guó)家基本水文站，為太湖流域黃浦江水系太浦河干流控制站，屬蘇浙滬省界控制站。金澤水文站位于太浦河下游，屬于黃浦江上游水系，距河口17 km，與“方廳水院”工程相對(duì)位置見圖1。該站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水位、流量、水質(zhì)、雨量和氣象。金澤站測(cè)驗(yàn)河段較為順直，為感潮河段。受潮汐影響，每日水位呈現(xiàn)兩高兩低態(tài)勢(shì)，測(cè)驗(yàn)斷面呈U形，兩岸為石駁岸，河床穩(wěn)定，過往船只較多。河槽河床質(zhì)為黏土，多年沖淤變化小。金澤站洪水來源于上游太湖洪水下泄及兩岸地區(qū)排澇，主要由降水產(chǎn)生，同時(shí)又受黃浦江潮水頂托影響，斷面流向?yàn)橥鶑?fù)流，洪水具有洪峰歷時(shí)短、高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、漲潮快落潮慢等特點(diǎn)。河道漂浮物較少，一般以水葫蘆等水生植物為主。測(cè)站流量采用H-ADCP在線監(jiān)測(cè)，代表流速歷年關(guān)系較穩(wěn)定。

1.2 工程概況

“方廳水院”工程位于蘇浙滬兩省一市行政邊界交匯處，以長(zhǎng)三角原點(diǎn)為中心，跨越太浦河，連通滬蘇浙三地?！胺綇d水院”采用四合院形制，四角分別設(shè)置了滬蘇浙皖的主題展館，在太浦河南岸以長(zhǎng)三角原點(diǎn)為中心沿中軸線設(shè)置主會(huì)館。滬蘇浙皖4個(gè)主題館通過3座分別跨越太浦河及與元蕩漾聯(lián)通水系的步行橋相連?？绾訕蛄号c建筑之間無縫銜接，實(shí)現(xiàn)了跨域、跨河互連。此外，擬對(duì)水文站建筑外觀進(jìn)行修繕翻新，以保證建筑與“方廳水院”的整體氛圍相融合。工程還將實(shí)施太浦河兩岸護(hù)岸拆除重建，并根據(jù)工程占用水域面積新開挖水域，起到水域補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

金澤水文站位于“方廳水院”東、西兩座步行橋之間，水文測(cè)驗(yàn)斷面距離東步行橋約158 m，距離西步行橋約105 m，北步行橋位于現(xiàn)狀水文站場(chǎng)區(qū)北側(cè)約30 m?！胺綇d水院”步行橋工程位于金澤水文站水文監(jiān)測(cè)河段環(huán)境保護(hù)范圍20 km之內(nèi)，工程的建設(shè)可能對(duì)水文站測(cè)驗(yàn)設(shè)施、測(cè)站工作環(huán)境和水文資料整編方法等存在直接影響。

2 數(shù)學(xué)模型分析

2.1 模型基本方程

采用丹麥水利研究所開發(fā)的Mike21水動(dòng)力模型系統(tǒng)，分析工程對(duì)金澤站水文監(jiān)測(cè)的影響程度。模型利用ADI二階精度的有限差分法求解，基本方程考慮布辛涅司克（Boussinesq）近似和淺水假定，以及風(fēng)應(yīng)力的影響，垂向積分的二維水動(dòng)力學(xué)方程組［7-8］如下。

連續(xù)方程：

ξt+px+qy=S（1）

動(dòng)量方程：

pt+xp2h+xpqh+ghξx+gp p2+q2C2h2－1ρwxhτxx+yhτxy-Ωq-fVVx+hρwxpa=0（2）

qt+yq2h+xpqh+ghξy+gq p2+q2C2h2－1ρwyhτyy+xhτxy+Ωq－fVVy+hρwypa=0（3）

式中：h為水深，m；ξ為水位，m；p，q為x，y方向的單寬流量，m2/s；C為謝才系數(shù)；f為風(fēng)阻力系數(shù)；V，Vx，Vy為風(fēng)速及其在x，y方向上的分量，m/s；Ω為科里奧利 （Coriolis）參數(shù)；pa為大氣壓，Pa；ρw為水的密度，kg/m3；τxx，τxy，τyy分別為剪切應(yīng)力分量。

2.2 模型建立

2.2.1 模型概化

計(jì)算范圍為“方廳水院”步行橋上游3.0 km、下游2.5 km河道范圍，采用三角形網(wǎng)格對(duì)建橋后計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，共22 634個(gè)網(wǎng)格，11 869個(gè)節(jié)點(diǎn)。橋墩采用陸地的方式進(jìn)行概化，新建東、西步行橋概化的橋墩形態(tài)和面積與實(shí)際尺寸一致，為2.5 m×8.6 m，共計(jì)兩組4個(gè)橋墩。施工圍堰采用陸地的方式進(jìn)行概化，概化圍堰面積與實(shí)際施工圍堰平面尺寸一致。其中，東、西步行橋單個(gè)橋墩的圍堰尺寸為14 m×14 m，北步行橋的圍堰尺寸為10.2 m×17.25 m。水域補(bǔ)償包括北橋橋墩、東橋西南側(cè)、西橋南側(cè)3處，斷面補(bǔ)償包括東橋南側(cè)、西橋南側(cè)。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

（1） 邊界條件及初始條件。采用不同水情下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界條件，模擬計(jì)算工程前后水位、流場(chǎng)變化情況，邊界條件見表1。

（2） 糙率系數(shù)。采用曼寧糙率系數(shù)用于模型計(jì)算，糙率系數(shù)取值參考相關(guān)研究成果，不同區(qū)域取不同的值。

（3） 渦黏系數(shù)。橫向渦黏系數(shù)采用湍流公式（Smagorinsky）估算，相應(yīng)取值為0.28 m2/s，水平渦黏系數(shù)則采用對(duì)數(shù)公式估算。

（4） 時(shí)間步長(zhǎng)。根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動(dòng)態(tài)調(diào)整模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，使庫(kù)朗數(shù) （ CFL數(shù)）小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，計(jì)算時(shí)步長(zhǎng)為0.01～30 s。

（5） 干濕邊界處理。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程采用網(wǎng)格凍結(jié)方法處理，當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)水深小于0.005 m時(shí)，令該點(diǎn)為干點(diǎn)，灘地干出，不參與水動(dòng)力計(jì)算；當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)水深為0.005～0.05 m時(shí)，令該處流速為零，該點(diǎn)僅參與水流連續(xù)方程的計(jì)算，當(dāng)該處水深大于0.1 m時(shí)，該網(wǎng)格點(diǎn)參與計(jì)算，水流上灘。

2.3 模型計(jì)算成果

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析，結(jié)合工程建設(shè)特點(diǎn)，分別對(duì)運(yùn)行期和施工期的項(xiàng)目建設(shè)影響進(jìn)行分析。選取模擬區(qū)域橋墩上下游100 m范圍內(nèi)12個(gè)斷面，84個(gè)代表點(diǎn)位分析不同水情條件下工程前后水位變化情況。

2.3.1 水位影響計(jì)算

（1） 運(yùn)行期，橋墩上下游50 m以外水域范圍水位變化不足1 mm，水文站斷面水位變幅最大不足1 mm。因此，工程建設(shè)對(duì)水文站水位觀測(cè)結(jié)果存在一定影響，但幅度較小。計(jì)算結(jié)果見表2。

（2） 施工期，工程范圍內(nèi)水位變化情況見表3。各種水情條件下，施工期水文站斷面水位最大變幅均在2 mm以內(nèi)，對(duì)水位觀測(cè)結(jié)果存在一定的影響，但幅度較小。

2.3.2 流量影響計(jì)算

（1） 運(yùn)行期，根據(jù)太浦河二維水流模型計(jì)算結(jié)果分析，各種水文條件下，工程實(shí)施后新建步行橋引起的水頭損失均較小，流量變化影響甚微，見表4。

（2） 施工期，圍堰施工期間水頭損失略大于運(yùn)行期，詳情見表5。

2.3.3 流場(chǎng)影響計(jì)算

（1） 運(yùn)行期流速變化的計(jì)算結(jié)果見表6。測(cè)驗(yàn)斷面南、北兩端各35 m范圍受橋梁阻水影響，流速變化明顯，各種水文條件下，流速最大升、降幅在10%～15%；位于河道中央的點(diǎn)位流速略有加快，變化多在1%以內(nèi)。流向變化：各種水文條件下，測(cè)驗(yàn)斷面各點(diǎn)位流向變化一般不超過1°，流向變化較小。

（2） 施工期圍堰施工后，水流在圍堰上游分流，在圍堰東側(cè)水域形成紊流。計(jì)算結(jié)果見表7。由于圍堰尺寸較大，施工期間金澤站測(cè)驗(yàn)斷面各點(diǎn)位流速、流向變化相對(duì)偏大。對(duì)于流速變化，測(cè)驗(yàn)斷面南、北兩端受圍堰阻水影響，流速減慢明顯，各種水文條件下的流速最大降幅在15%～40%；位于河道中央的點(diǎn)位流速加快，變化多在3%以內(nèi)。對(duì)于流向變化，各種水文條件下，測(cè)驗(yàn)斷面除南北兩端外，其余點(diǎn)位流向變化一般不超過1°，流向變化較小。

3 工程建設(shè)對(duì)金澤水文站的影響分析

3.1 工程對(duì)觀測(cè)設(shè)施的影響分析

（1） 水位觀測(cè)設(shè)施。根據(jù)數(shù)模計(jì)算成果，金澤水文站水文測(cè)驗(yàn)斷面南、北兩端受圍堰阻水影響，流速減慢明顯，位于河道中央的點(diǎn)位流速加快。圍堰施工過程中，近岸流速減緩，加之人為因素導(dǎo)致水體含沙量增大，有可能導(dǎo)致水文站水位井的進(jìn)水口淤積堵塞。

（2） 雨量觀測(cè)設(shè)施。工程對(duì)人工雨量筒及自記雨量計(jì)等基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

（3） 流量觀測(cè)設(shè)施。工程距水文站的測(cè)驗(yàn)斷面較近，對(duì)流量觀測(cè)設(shè)施的影響僅限于施工期間。施工期間水面駐留的大型施工船舶及施工過程產(chǎn)生的振動(dòng)，可能會(huì)對(duì)流量觀測(cè)設(shè)施產(chǎn)生不利影響，如H-ADCP安裝支架的穩(wěn)定性、儀器工作井的牢固性等。

3.2 工程對(duì)水文站測(cè)驗(yàn)工作環(huán)境的影響分析

3.2.1 對(duì)水位觀測(cè)的影響分析

根據(jù)模擬計(jì)算成果，工程建設(shè)前后，橋墩上下游50 m以外水域范圍水位變化不足1 mm，水文站斷面水位變幅最大不足1 mm，工程建設(shè)對(duì)水文站水位觀測(cè)結(jié)果存在一定影響，但幅度較小?？紤]到東、西兩座橋在河道內(nèi)共布置4座主橋墩，占用過水面積較大，且自由浮動(dòng)的柔性防撞墩進(jìn)一步加大了阻水面積，橋墩的建設(shè)會(huì)造成上游水位壅高，下游水位降低。而金澤水位站處于東、西兩座橋之間，且太浦河為感潮河段，存在水位的周期性漲落過程，工程建設(shè)勢(shì)必改變水位站位置的水流流態(tài)，改變了水位站上下游的水面比降沿程分布規(guī)律，對(duì)水位站的水位觀測(cè)帶來明顯不利影響，導(dǎo)致金澤水位站的水位資料一致性受到影響。因此，開展水位的對(duì)比分析，研究工程實(shí)施對(duì)水位的影響程度十分必要。

3.2.2 對(duì)雨量觀測(cè)的影響分析

工程施工過程中產(chǎn)生的粉塵、振動(dòng)等問題可能會(huì)影響雨量器的觀測(cè)精度。

3.2.3 對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響分析

由于河段上下游流場(chǎng)發(fā)生變化，致使水文站測(cè)驗(yàn)斷面流速分布變化，并引起水流關(guān)系特性變化，改變了原有的代表流速關(guān)系曲線，使原有流量資料連續(xù)性遭到破壞。水文站測(cè)驗(yàn)斷面中位于橋墩下游的點(diǎn)位流速減緩最大為0.042 m/s，最大降幅約為9.42%；主流附近的點(diǎn)位流速略有加快，加快幅度不超過2%。工程實(shí)施后，水文站需要開展定線比測(cè)，重新率定流量推算關(guān)系。

3.2.4 對(duì)河道地形的影響分析

工程的建設(shè)，特別主橋墩的建設(shè)，改變了工程附近河段的流態(tài)，改變了原來流速流向沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律。根據(jù)計(jì)算成果，東、西橋橋墩對(duì)水流形成束縛，主流流速將有所加快，而近岸流速將有所減小。因此，工程建設(shè)可能導(dǎo)致河道近岸淤積、河道中央沖刷。受水流流態(tài)變化的影響，工程附近的河道地形將發(fā)生變化，以重新適應(yīng)新的河道邊界。開展工程前、工程施工期間、工程完工時(shí)、完工后不少于1 a的河道地形監(jiān)測(cè)十分必要，同時(shí)應(yīng)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)斷面地形加密測(cè)量。

3.3 對(duì)資料整編的影響分析

工程建設(shè)對(duì)水位資料整編方法無影響，但工程建成后，需要采取措施對(duì)工程前后的水位進(jìn)行對(duì)比分析研究和水位整編專題論證，否則可能會(huì)影響水位資料的一致性。工程建設(shè)對(duì)雨量資料整編基本無影響；流量資料整編時(shí)，水文斷面附近的水流流態(tài)將發(fā)生改變，為了確保水文站的流量觀測(cè)精度，需要重新率定出穩(wěn)定的指標(biāo)流速和實(shí)測(cè)斷面平均流速的關(guān)系線，確保金澤水文站流量資料的連續(xù)性、可靠性、一致性。

4 結(jié)論及建議

“方廳水院”工程對(duì)金澤站水位、流量及流場(chǎng)存在一定影響，且施工期的影響要大于工程運(yùn)行期，特別是圍堰施工期間，影響較為突出。對(duì)于水位監(jiān)測(cè)，施工前及整個(gè)施工期應(yīng)在河段適當(dāng)位置設(shè)立臨時(shí)水位站，對(duì)臨時(shí)水位站與金澤水位站的水位同步比測(cè)，便于對(duì)工程前后水位資料進(jìn)行銜接處理。在施工期及運(yùn)行期適當(dāng)增加對(duì)水位觀測(cè)設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)頻次，對(duì)水位井實(shí)施清淤、加固工程，并開展水位整編專題論證。對(duì)于流量、流場(chǎng)監(jiān)測(cè)，施工前應(yīng)布設(shè)臨時(shí)水文測(cè)驗(yàn)斷面，開展臨時(shí)水文測(cè)驗(yàn)斷面流量比測(cè)工作；施工期間開展臨時(shí)斷面與原斷面同步觀測(cè)，并收集金澤站下游約 5.2 km 處的東蔡水文站的同步流量成果，為修正現(xiàn)狀斷面的流量成果提供參考依據(jù)；運(yùn)行期，在原址對(duì)流量測(cè)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行加固改造。另外，為了研究全斷面覆蓋的測(cè)驗(yàn)方式，建議在現(xiàn)狀斷面的右岸增設(shè)一套H-ADCP系統(tǒng)，收集垂向潮流資料，同時(shí)考慮到東、西兩座橋共4座橋墩的建設(shè)。河道過流斷面面積減小，對(duì)水流形成束縛，建議在主流兩側(cè)的安全位置布設(shè)2條坐底ADCP觀測(cè)系統(tǒng)，收集垂向潮流資料，與現(xiàn)狀左岸H-ADCP構(gòu)建新的流量觀測(cè)系統(tǒng)［9］，維持金澤水文站的流量測(cè)驗(yàn)精度。“方廳水院”工程項(xiàng)目完成后，經(jīng)多方比測(cè)，若金澤站依然無法率定出穩(wěn)定的代表流速關(guān)系線，建議在新的河道邊界條件下，構(gòu)建流量調(diào)算模型，反演現(xiàn)狀斷面流量，消除橋墩對(duì)測(cè)驗(yàn)資料的影響。

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（編輯：李 慧）

Impact analysis of Fangting Water Institute Project on hydrometry

SONG Chengwei

（Shanghai Hydrological Survey Team of Qingpu District，Qingpu District Water Bureau，Shanghai 201700，China）

Abstract：

To analyze the impact of Fangting Water Institute Project on the hydrological monitoring of the national basic Jinze Hydrological Station，the advanced Mike21 hydrodynamic model was used to simulate the impact of the project on water level，flow and velocity field under different flow conditions.The results showed that the maximum variation of the cross-section water level of the hydrological station before and after the implementation of the project was within 2 mm，which had a relatively small impact on the water level observation results.The distribution of flow velocity in the observation section of the hydrological station was changed，among which，the velocity of 16% to 33% of the measuring points changed with a margin larger than 3%.The flow velocity near the mainstream was slightly increased，with an increase of no more than 2%，changing the original representative flow velocity relationship curve.Therefore，the project will have an inevitable impact on the hydrological monitoring of Jinze Hydrological Station，and further compensation measures was proposed to reduce the impact and ensure the consistency of hydrological data.

Key words：

hydrometry； Mike21 model； water level； flow； velocity field； Jinze hydrological station