八荡河综合整治工程对太浦河北片地区防洪及水环境的影响

2014-02-27上海勘测设计研究院上海200434

安徽农业科学 2014年18期

罗乾 (上海勘测设计研究院，上海200434)

八荡河工程位于太浦河北岸苏州市吴江区境内，西起京杭运河吴江区八拆段，途经元鹤荡、三白荡等湖荡，东至元荡。工程目的为提高区域防洪排涝能力，缓解太浦河高水位行洪对区域防洪排涝的影响;改善区域水环境，缓解太浦河支河口门控制对区域水环境的影响。

水利工程的建设改变了原有水系布局，对水文水动力、水环境质量等因子产生不同程度的影响［1］。工程区处于平原河网区，河网交错密布，闸坝、泵站、涵洞等控制性建筑物众多，受人工控制建筑物的操作运行影响，水流方向往复不定［2］。因此，平原河网地区的水量水质影响分析比单一河道复杂，其分析计算常需借助数模技术，以便掌握相对准确的水力、水质要素变化情况［3］。目前，大多数研究都集中在某一区域水量水质模型［4］及已建工程水量水质调度方案的研究［5］，关于工程建设对水环境及防洪的影响方面研究较少。该文基于太湖流域——维水量水质模型，分析八荡河工程实施对区域水环境及防洪的影响。

1 太湖流域——维水量水质模型

1.1 模型简介太湖流域——维水量水质模型经水利部及国家有关科技部门的鉴定认证，是太湖流域可推行使用的水量水质模型，曾成功应用于太湖流域防洪规划、太湖流域水资源规划等流域重大规划的水利计算，以及走马塘延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程等可研阶段的论证工作中，是目前流域认知度和可行度较高的模型［6］。

1.2 基本方程

(1)河网水流运动方程。以产汇流模型计算得到的山丘区流量、圩内外净雨深，结合典型年实测潮位边界，在河网概化的基础上模拟水流运动。

式中:x、t为空间(m)和时间(s)变量;A为过水面积(m2);AT为调蓄水面积(m2);Q为断面流量(m3/s);Z为水位(m);α为动量修正系数;K为流量模数;qL为单宽旁侧入流(m3/s)/m，入流为正，出流为负;vx为入流沿水流方向的速度(m/s);若旁侧入流垂直于主流，则vx=0。

模型采用4点隐式直接差分法离散求数值解。

(2)河网水质计算模型。水质过程符合一阶动力反应式，水质过程控制方程为:

式中:C为某种水质指标的浓度(mg/L);A为断面面积(m2);Q为流量(m3/s);Ex为纵向弥散系数(m2/s);S为该种水质指标的源(汇)项。

上游边界为来水的水质浓度，下游边界为浓度梯度，采用隐式差分法离散求得数值解。

1.3 计算范围及河网概化根据太湖流域平原河网的特点，将流域内影响水流运动的因素分别概化为零维模型(湖、荡、圩等零维调蓄节点)、一维模型(一维河道)和联系要素(堰、闸、泵控制建筑物等)三类模型要素。联系要素包括水闸、船闸、涵洞(立交)及泵站等工程，联系要素的上下游都设有节点，节点之间的水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式。共包括:概化河道(段)1 483条;计算断面4 274个;节点116个，其中边界节点105个，调蓄节点76个;控制建筑物(闸、泵等)168个。

1.4 模型率定与验证模型采用2000年实测资料进行了率定，并采用1998年和1999年的实测资料进行了验证，计算成果与实测值基本吻合，基本上能反映太湖流域平原河网地区的水流特点。

1.5 计算条件

(1)边界条件。边界条件主要包括沿江(沿海)潮位边界、山丘区和平原区径流入流边界条件等。

沿江(沿海)边界条件。根据主要潮位站的潮位过程线，分涨、落潮，将潮位过程换算成单位潮位过程，推算各潮位站的整点潮位;按照潮位站的距离，用拉格朗日插值法计算所有潮位站的潮位过程。

山丘区和平原区径流入流边界。根据设计雨型采用典型年的实测降雨、蒸发资料，由降雨产汇流模型计算得到山丘区和平原区径流过程，作为河网水流运动模型入流边界。

(2)主要建筑物调度。工程涉及的主要建筑物调度包括太湖水位调度线，阳澄淀茆区、太浦河两岸相关控制建筑物调度，所有建筑物调度原则服从流域、区域规划要求。

2 计算年型、工况及方案

根据太湖流域防洪规划确定的不同降雨典型分布，综合考虑防洪安全、水资源配置需要、水环境改善要求等因素，其防洪设计暴雨在地区组成上考虑以1999年降雨为设计典型年，水环境改善效果设计典型年选择太湖流域平水年2000年和枯水年1971年(图1)。

计算工况采用流域现状工况，即流域一轮治太规划工程(流域十大骨干工程)已实施，为研究太浦河支河口门控制对地区防洪排涝的影响，增加太浦河工程实施的工况，具体见表1。

表1 水利计算工况及方案

图1 水位代表点和水质断面位置示意图

3 工程实施效果

3.1 防洪工程实施后，可有效增大区域东排泄流能力，减轻区域防洪除涝压力;与工程实施前相比，区域河网松陵站、陈墓站、金家坝站最高水位可分别下降6、1和5 cm。工程实施有效降低了地区最高洪水位(表2)。

表2 不同计算方案中区域最高水位对比

工程实施后，可有效缓解太浦河高水行洪对地区防洪排涝的压力。遇1999年50年一遇设计暴雨洪水，区域松陵、陈墓、金家坝防洪水位分别降低9、7和3 cm，有效促进了区域防洪排涝能力的提高。

3.2 水环境

(1)有效缓解了太浦河支河口门控制对区域水质的影响。太浦河支河口门有效控制后，北侧区域河网水质由于缺少水体有序流动，水质均呈恶化趋势。模型计算显示太浦河北侧控制后区域河网平均NH3-N浓度升高35．5%。工程实施后，相比太浦河北岸控制后区域水质NH3-N浓度降低了17.5%，区域水质浓度呈缓解趋势。八荡河工程的实施，有效缓解了太浦河支河口门控制对区域水质的影响。结合区域污染治理措施，区域水质能恢复到太浦河北侧控制前的水质。

(2)缓解了太浦河水质保障的压力，改善了区域水质。

(a)太浦河沿线水质。根据水利计算成果，工程实施后，京杭运河入太浦河流量减小，太浦河沿线水质浓度呈下降趋势。

枯水年1971年，工程实施后，京杭运河入太浦河流量由工程前的20．9 m3/s减小到17．5 m3/s，太浦河出平望断面水质指标 COD、NH3-N、TP、浓度较现状分别下降 1．2%、12.5%、6．3%，太浦河出口断面COD、NH3-N、TP浓度分别下降0．4%、6．4%、2．4%。2000 年变化规律类似(表3、4)。

表3 工程实施后杭运河入太浦河、八荡河流量变化情况

(b)工程沿线水质。枯水年1971年，工程实施后，八拆、进元鹤荡前的断面水质浓度受运河来水增大，部分水质指标呈升高趋势。入元鹤荡后，由于建设生态湿地等工程，通过水质净化系统，有效地降低了入湖水质三项指示浓度，工程沿线水质随着河道规模扩大，水质改善程度越好，沿线各断面NH3-N浓度可工程前下降4．9% ～7．7%。2000年变化规律类似(表5)。