水闸规模对河道水动力水环境的影响研究

李慧玲 陈菁 金秋 陈黎明 徐祎凡

摘要：水闸规模与所处河道宽度的差异一定程度上会阻碍水流流通，造成水体置换周期延长，极易诱发水体富营养化，故确定水闸建设规模对河道水动力水环境的影响对维护水安全具有重要意义。以上海市青浦区跃进圩区内的闸坝为研究对象，采用一维水动力水质模型模拟预测了不同闸宽条件下跃进片各断面最大流量、总进水量等水动力变化特征以及COD、NH3-N、TP等营养物质的浓度变化，探讨了圩区水闸闸孔宽度与河道断面匹配关系，分析了闸孔宽度变化对水量水质的影响。模拟结果表明：闸门宽度的增加将直接引起过闸的最大流量线性增大，而总进水量与水质改善情况更大程度地受限于闸门河宽比。在现有引排水量及闸泵调度规则下，跃进片区的临界闸门河宽比约为2/5。

关键词：闸孔宽度; 水动力水质模型; 河宽比; 水体置换; 上海市青浦区

中图法分类号： TV66文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.032

闸坝的修建为保障经济社会发展对水资源的需求发挥了关键作用，同时也导致了河流水动力条件的显著变化[1]，进而对水环境产生正负两方面的影响。具体表现为：闸坝的调控造成了水体流动性增强、置换周期缩短[2]，短期内可实现区域水环境的有效改善[3];另一方面，闸坝的修建及运行引起的水文泥沙变化，将对生态环境系统产生局部胁迫，且通常是重大影响。而闸坝建筑以及闸坝调度对河流水环境等方面造成的正负影响也逐渐引起了人们的重视，国内外诸多学者对此展开了相关研究。国外学者主要侧重于闸坝对河流生境的影响研究。Brandt对闸坝引起的水流输运能力改变造成泥沙负荷变化，进而驱动河道形态变化的过程进行了分析研究[4]。Mallik等人以加拿大不列颠哥伦比亚省3个具有代表性的水库上下游河段为研究对象，探讨了闸坝对河岸植物群落的影响[5]。Geoffrey等人从河道形态、河岸植被、生态变化驱动力等视角梳理总结了闸坝对河流生态的影响[6]。国内学者则多偏向于以闸坝调度为着手点，通过物理模型、现场试验和数值模拟的方式开展相关研究工作。阮燕云等人采用物理模型模拟研究了闸门运行对河流水文情势以及污染物输运的影响[7]。Zuo等人针对沙颍河槐店闸设计并实施了野外试验，分析了不同水闸调节条件下水质参数的时空变化，探讨了闸坝调节机制对水质的影响[8]。李念斌等建立了适用于蕰南中部地区的水动力模型，研究了改善河流水动力条件的最优调度方案[9]。随着水质模型的日渐成熟，越来越多的学者以单一闸坝或闸坝群的调度方式、闸前控制水位[10]、水文预报预见期[11]为影响因子，对不同情景进行数值模拟，进而评估闸坝调度对水环境的影响。但是从水闸建设规模着手的河道水动力水环境的数值模拟研究并不多见。

上海市青浦区水闸数量众多，总数高达720座，承担着区域内防汛排涝、引清调水等作用。然而，现有的水闸不少闸孔尺寸与河口断面并不完全匹配，大河口小水闸的组合使得水闸成为影响河道水流流通的障碍，造成水文水动力条件变差，流域水网连通性减小，水体的置换周期变长，水体的自净能力减弱，极易引起富营养化。因此，有必要研究和论证水闸建设规模对河道水动力水环境的影响。本文以2016年当地水文数据为基础，综合考虑上海市青浦区跃进片水文节律与泵闸群调度方式，采用水动力水质模型对不同闸宽条件下跃进片各断面最大流量、总进水量等水动力变化特征以及COD、NH3-N、TP等营养物质的输运进行了数值模拟，深入分析了水闸闸孔宽度与河道规模、水量水质之间的关系，以期为今后的水闸设计和改造工作提供理论参考。

1研究区域及方法

1.1研究区域概况

青浦区地处上海市西南部，太湖下游，黄浦江上游，位于长江三角洲经济圈的中心地带。研究区域跃进片地处青松水利控制区内的青浦城区夏阳街道，其范围东至千步泾，南至淀浦河，西至青浦城河（环城河）、东大盈港，北至上达河，面积约5.37 km 2。圩区内水系主要有章浜河、李腰泾、花园港、中横泾、跃进河、界泾港、水渡浜和夏阳湖等，涉及中横泾北、界泾港东、界泾港西、李腰泾、陈桥浜、章浜河以及花园港等泵闸，具体参数如表1所示。

1.2水环境概况

尽管上海市引清调水工作的开展在稳定内河水质、改善水环境面貌方面发挥了重要作用，但是青浦区内大河口小水闸的组合一定程度上阻碍了水流流通，从而导致圩区水网连通性稍差，水体置换周期略长，水体自净能力较弱。2016年的水质监测数据显示，圩区内河网基本处于劣Ⅴ类，主要污染物是总磷和氨氮。以跃进圩区界泾港为例，2016年其COD浓度均值为6.87 mg/L，NH3-N浓度均值为4.25 mg/L，TP浓度的均值为0.449 mg/L，水污染情况较为严重，对区域水安全造成了一定的威胁。

1.3水动力水质模型构建

本次研究所建立的水动力水质模型中，水动力模块是建立在一维非恒定流圣维南方程组基础上[12]，由连续方程与动量方程组成[13]，主要用于模拟主干线的水流演进、旁侧入流过程。该模型采用在河网计算中应用广泛的隐式差分格式算法[14-15]，使其能在相当大的courant数下仍可保持稳定计算。考虑旁侧入流的水动力模型控制方程为

Sco（A+A0）t+QX-q=0（1）

（SmQ）t+X（βQ 2A）+gA（hx+Sf+Se）+L+WfB=0（2）

式中，Q为流量;h为水位;A、Ao分别为有效过水断面面积与蓄水断面面积;Sco、Sm为河道蜿蜒系数;X为沿主流向的纵向距离;t為时间;q为侧向入流或出流;β为动量校正系数;Sf为河道的阻力坡降;Se为河道突扩或收缩引起的坡降;B为有效过水断面的水面宽;Wf为风对水面的阻力;L为侧向流的动量。

水质模块是建立在一维对流扩散方程基础上，假定物质在断面上完全混合，遵循物质守恒且符合Fick扩散定律。水质模型控制方程为

t（V）=-x（Q）Δx+x（ΓAδδx）Δx±S（3）

式中，t为时间步长;V为计算水质单元的体积;为水温或者其他水质指标的浓度;Q为流量;Γ为自定义的离散系数;A为可组合的断面的面积;S为源强以及沉降项。

基于跃进片水文规律与泵闸群调节方式构建水动力水质模型，遵循使区域内的河道槽蓄量不变的原则，根据区域内的水域面积对次要河道及其他集水区域进行概化（见图1），使其能全面地反映天然河网的基本特性[16]。同时，综合研究区内水流的物理特征以及控制方程组的定解性质对模型边界条件进行合理设定[17]。水动力模块中，陈桥浜、界泾港以及李腰泾各闸门通过闸上、下水位控制其入流过程，闸上水位控制在2.6 m;中横泾、界泾港、花园港和章浜河等均采用泵站外排流量数据作为边界。水质模块中，以COD、NH3-N、TP作为模拟水质组分，选用夏阳湖站点的2016年年均水质监测结果作为陈桥浜、界泾港以及李腰泾各闸门的入流水质边界。

由于研究区河网总体河床形态较为一致，在考虑经验糙率初始值的基础上，通过模型试算，最终确定糙率采用0.033。此外，研究区内河网水质的变化主要受圩外引清水的影响，为突出水闸建设导致引水规模的变化对河网水环境的作用，忽略区域入河污染物的自净作用导致河网水质的变化，故未考虑各水质指标降解系数的影响。

2模拟结果分析

泵闸规模既涉及到水安全问题，也关系到水利工程的经济合理性。鉴于自清水引入约一周后区域内的水质基本已接近外部引水水质状况，故本研究选用7 d作为计算时间，并针对青浦区跃进片水系特征以及现有水闸规模，设计3种模拟工况（见表2），分析水闸建设规模对圩区内水动力水环境影响。

2.1水闸建设规模对河网水动力影响

水闸闸孔宽度的变化将影响青浦区跃进圩区水动力条件，特别是随着陈桥浜闸、界泾港东闸和李腰泾闸闸门宽度的加大，过闸的最大流量显著增加。模拟结果显示，陈桥浜闸、界泾港东闸、李腰泾闸最大流量由29.6，30.7 m 3/s和19.9 m 3/s增加至55.0，65.7 m 3/s和42.1 m 3/s，分别提高了85.81%，114.01%和115.56%（见表3），其中李腰泾由于现状闸门宽度与河道断面相差过大，当闸门宽度增加后，最大流量增幅也更为明显。

从各闸门7 d的总进水量来看，它与过闸的最大流量模拟结果存在一定的差异（见表4），即随着闸门河宽比增加，最大流量与总进水量间由正相关关系转化为负相关关系。具体表现在闸宽增加，过闸最大流量均有所增加，而李腰泾闸总进水量显著增加，工况3较工况1提高了12.89%;界泾港东闸总进水量略有减少，但总体变幅不大;陈桥浜闸的总进水量随着闸门宽度的增加，呈现相反的趋势，工况3较工况1降低了30.6%。其主要原因在于，闸门河宽比过大时，过闸最大流量的提高易造成雍水效应，导致总进水量降低。

2.2水闸建设规模对河网水质影响

受限于前期外排水量的影响，总体引入跃进圩区的水量基本不变，故7 d后各工况下COD、NH3-N、TP浓度基本均与圩区外水质状况持平，总体对跃进圩区水质改善的程度仍相对有限。为揭示不同闸宽造成的COD、NH3-N和TP改善速率的差异。本次研究选择各工况下引清水3 d的水质变化进行比对（见图2）。

花园港断面、界泾港断面和章浜河断面初始COD浓度均为7.458 mg/L，水质污染程度较为严重。圩外清水的引入使得水质开始好转，COD浓度降低，然而河道内原有水体的滞留会使COD浓度反弹，随着后续

清水的引入，各断面COD浓度波动中呈下降趋势，最终趋于稳定。模拟结果显示，闸门宽度的增加，花园港断面COD改善速率先增后降。工况1下COD浓度降低至6.367 mg/L，较初始浓度降低了14.63%;工况2下COD浓度降低至6.302 mg/L，降低了15.5%;工况3下COD浓度降低至6.579 mg/L，降低了11.79%。闸门宽度的增加，界泾港断面COD改善速率先增加后持平。工况1下COD浓度降低至6.74 mg/L，降低了9.63%;工况2下COD浓度降低至6.517 mg/L，降低了12.61%;工况3下COD浓度降低至6.522 mg/L，降低了12.55%。闸门宽度的增加，章浜河断面COD改善速率稳定提升。工况1下COD浓度降低至6.397 mg/L，降低了14.23%;工况2下COD浓度降低至6.278 mg/L，降低了15.82%;工况3下COD浓度降低至6.144 mg/L，降低了17.62%。

由于本次研究暂不考虑区域入河污染物的影响，河网水质的变化主要受圩外引清水的影响。因此，各断面NH3-N，TP浓度随时间的变化趋势与COD浓度变化基本一致（见图3）。从引清水3 d的水质变化情况对比来看，花园港断面NH3-N、TP改善速率最快的是工况2，NH3-N浓度由5.81 mg/L降至2.96 mg/L，降低了49.05%，TP浓度由0.61 mg/L降至0.35mg/L，降低了42.62%。改善速率最慢的是工况3，NH3-N、TP浓度分别降低了37.35%，32.79%。界泾港断面工况2、工况3下NH3-N，TP改善速率基本持平，明显优于工况1。工况1下，NH3-N，TP浓度分别降低了30.46%，26.23%;工况2下，NH3-N，TP浓度分别降低了39.93%，34.43%;工况3下，NH3-N，TP浓度分别降低了39.76%，34.43%。章浜河断面處，NH3-N，TP改善速率与闸宽呈正相关关系。工况3水质改善速率最快，NH3-N浓度由5.81 mg/L降低至2.57 mg/L，降低了55.77%，TP浓度由0.61 mg/L降低至0.31 mg/L，降低了49.18%;工况1水质改善速率最慢，NH3-N，TP浓度降低了45.09%、39.34%。

2.3闸门河宽比对水动力及水质的影响

基于数值模拟结果，深入分析水闸闸孔宽度与河道规模、水量水质之间的关系（见表5）。可以看出水闸的最大流量与闸门河宽比基本上呈线性关系，即河道宽度不改变的情况下，水闸的最大流量随着闸孔宽度的增大而一定比例增大;由于暂未考虑污染物的自净作用，不同闸门河宽比下的水量和水质在引清水3 d内的变化趋势表现出相似性。总体来看，在不改变圩区的引排水量及闸泵调度规则的情况下，闸门河宽比增大时，水闸的最大流量线性增大，总进水量增加，水质改善程度更优;然而当闸门河宽比过大时，会造成壅水，反而使其整体的总进水量有所下降，进而使得水质改善效果大打折扣;其临界闸门河宽比约为2/5。

图3不同工况下NH3-N、TP浓度的变化Fig.3Contents variation of NH3-N and TP under different working conditions

3结 论

针对水闸建设规模对河流水动力及水质变化的具体影响问题，构建了跃进圩区的一维水动力水质模型。通过设计不同的闸门宽度情景并模拟分析后，得出如下结论。

（1） 跃进圩区闸门宽度加大后，过闸的最大流量显著增加，陈桥浜闸、界泾港东闸、李腰泾闸最大流量分别提高了85.81%，114.01%和115.56%。但是陈桥浜闸受河段宽度限制，过流总量随闸门宽度的增加有所降低，界泾港东闸过流总量总体变幅不大，李腰泾闸进水总量与闸门宽度基本呈现正相关关系。

（2） 本研究将圩外清水的引入作为引起河网水质变化的主导因素，暂未考虑区域入河污染物的影响，各断面COD，NH3-N、TP浓度随时间的变化趋势基本一致。引清水3 d后，花园港断面水质改善速率最快的是工况2，COD，NH3-N，TP浓度分别降低了15.5%，49.05%，42.62%;界泾港断面水质改善速率最快的是工况2，COD，NH3-N，TP浓度分别降低了12.61%，39.93%，34.43%;工况3改善速率与工况2基本持平，均明显优于工况1;章浜河断面水质改善速率与闸宽呈正相关关系，水质改善速率最快的是工况3，COD，NH3-N，TP浓度分别降低了17.62%，55.77%，49.18%。

（3） 闸门宽度的改变将不可避免对跃进圩区的水文情势造成直接或间接的影响，并进一步促使周边水环境发生改变。总体上来说，水量和水质的改善程度随闸宽比的增大表现出先增后降的趋势，对于跃进片区而言，在现有引排水量及闸泵调度规则下的临界闸门河宽比为2/5。

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引用本文：李慧玲，陈菁，金秋，陈黎明，徐祎凡.水闸规模对河道水动力水环境的影响研究[J].人民长江，2019，50（2）：181-185.

Study on influence of sluice size on hydrodynamic and water environment of river channels

LI Huiling ， CHEN Jing ， JIN Qiu1，2， CHEN Liming 2， XU Yifan 2

（1.College of Agricultural Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China;2.Hydrology and Water Resources Department， Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China）

Abstract： The difference between the sluice size and the channel width will hinder the flow of water to a certain extent， and result in the prolongation of the replacement period of water， which can easily induce water eutrophication. Therefore， it is of great significance to determine the effect of sluice construction scale on the hydrodynamic and water environment of river channels. Taking the sluice dam in Yuejin polder area of Qingpu District， Shanghai as the research object， a one-dimensional hydrodynamic water quality model was used to simulate and predict the hydrodynamic variation characteristics of the maximum flow and the total inflow water volume of each section and the concentration of COD， NH3-N and TP under different sluice width conditions. The matching relationship between the sluice width and the river section was discussed， and the influence of the sluice width on water quantity and water quality was analyzed. The simulation results showed that the increase of sluice width will directly cause the linear increase of the maximum flow rate， and the total inflow water volume and the improvement of water quality will be restricted to a greater extent by the ratio of the sluice width to the channel width. Under the current drainage and sluice pump regulation， the critical ratio of the sluice width to the channel width in the leaping area is about 2/5.

Key words：sluice width; hydrodynamic and water environment model; ratio of the sluice width to the channel width; water displacement; Qingpu District of Shanghai City