八蕩河綜合整治工程對太浦河北片地區防洪及水環境的影響

羅 乾 (上海勘測設計研究院，上海200434)

八蕩河工程位于太浦河北岸蘇州市吳江區境內，西起京杭運河吳江區八拆段，途經元鶴蕩、三白蕩等湖蕩，東至元蕩。工程目的為提高區域防洪排澇能力，緩解太浦河高水位行洪對區域防洪排澇的影響;改善區域水環境，緩解太浦河支河口門控制對區域水環境的影響。

水利工程的建設改變了原有水系布局，對水文水動力、水環境質量等因子產生不同程度的影響［1］。工程區處于平原河網區，河網交錯密布，閘壩、泵站、涵洞等控制性建筑物眾多，受人工控制建筑物的操作運行影響，水流方向往復不定［2］。因此，平原河網地區的水量水質影響分析比單一河道復雜，其分析計算常需借助數模技術，以便掌握相對準確的水力、水質要素變化情況［3］。目前，大多數研究都集中在某一區域水量水質模型［4］及已建工程水量水質調度方案的研究［5］，關于工程建設對水環境及防洪的影響方面研究較少。該文基于太湖流域——維水量水質模型，分析八蕩河工程實施對區域水環境及防洪的影響。

1 太湖流域——維水量水質模型

1.1 模型簡介 太湖流域——維水量水質模型經水利部及國家有關科技部門的鑒定認證，是太湖流域可推行使用的水量水質模型，曾成功應用于太湖流域防洪規劃、太湖流域水資源規劃等流域重大規劃的水利計算，以及走馬塘延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程等可研階段的論證工作中，是目前流域認知度和可行度較高的模型［6］。

1.2 基本方程

(1)河網水流運動方程。以產匯流模型計算得到的山丘區流量、圩內外凈雨深，結合典型年實測潮位邊界，在河網概化的基礎上模擬水流運動。

式中:x、t為空間(m)和時間(s)變量;A為過水面積(m2);AT為調蓄水面積(m2);Q為斷面流量(m3/s);Z為水位(m);α為動量修正系數;K為流量模數;qL為單寬旁側入流(m3/s)/m，入流為正，出流為負;vx為入流沿水流方向的速度(m/s);若旁側入流垂直于主流，則vx=0。

模型采用4點隱式直接差分法離散求數值解。

(2)河網水質計算模型。水質過程符合一階動力反應式，水質過程控制方程為:

式中:C為某種水質指標的濃度(mg/L);A為斷面面積(m2);Q為流量(m3/s);Ex為縱向彌散系數(m2/s);S為該種水質指標的源(匯)項。

上游邊界為來水的水質濃度，下游邊界為濃度梯度，采用隱式差分法離散求得數值解。

1.3 計算范圍及河網概化 根據太湖流域平原河網的特點，將流域內影響水流運動的因素分別概化為零維模型(湖、蕩、圩等零維調蓄節點)、一維模型(一維河道)和聯系要素(堰、閘、泵控制建筑物等)三類模型要素。聯系要素包括水閘、船閘、涵洞(立交)及泵站等工程，聯系要素的上下游都設有節點，節點之間的水位差與流量之間的關系取決于堰流公式及運行方式。共包括:概化河道(段)1 483條;計算斷面4 274個;節點116個，其中邊界節點105個，調蓄節點76個;控制建筑物(閘、泵等)168個。

1.4 模型率定與驗證 模型采用2000年實測資料進行了率定，并采用1998年和1999年的實測資料進行了驗證，計算成果與實測值基本吻合，基本上能反映太湖流域平原河網地區的水流特點。

1.5 計算條件

(1)邊界條件。邊界條件主要包括沿江(沿海)潮位邊界、山丘區和平原區徑流入流邊界條件等。

沿江(沿海)邊界條件。根據主要潮位站的潮位過程線，分漲、落潮，將潮位過程換算成單位潮位過程，推算各潮位站的整點潮位;按照潮位站的距離，用拉格朗日插值法計算所有潮位站的潮位過程。

山丘區和平原區徑流入流邊界。根據設計雨型采用典型年的實測降雨、蒸發資料，由降雨產匯流模型計算得到山丘區和平原區徑流過程，作為河網水流運動模型入流邊界。

(2)主要建筑物調度。工程涉及的主要建筑物調度包括太湖水位調度線，陽澄淀茆區、太浦河兩岸相關控制建筑物調度，所有建筑物調度原則服從流域、區域規劃要求。

2 計算年型、工況及方案

根據太湖流域防洪規劃確定的不同降雨典型分布，綜合考慮防洪安全、水資源配置需要、水環境改善要求等因素，其防洪設計暴雨在地區組成上考慮以1999年降雨為設計典型年，水環境改善效果設計典型年選擇太湖流域平水年2000年和枯水年1971年(圖1)。

計算工況采用流域現狀工況，即流域一輪治太規劃工程(流域十大骨干工程)已實施，為研究太浦河支河口門控制對地區防洪排澇的影響，增加太浦河工程實施的工況，具體見表1。

表1 水利計算工況及方案

圖1 水位代表點和水質斷面位置示意圖

3 工程實施效果

3.1 防洪 工程實施后，可有效增大區域東排泄流能力，減輕區域防洪除澇壓力;與工程實施前相比，區域河網松陵站、陳墓站、金家壩站最高水位可分別下降6、1和5 cm。工程實施有效降低了地區最高洪水位(表2)。

表2 不同計算方案中區域最高水位對比

工程實施后，可有效緩解太浦河高水行洪對地區防洪排澇的壓力。遇1999年50年一遇設計暴雨洪水，區域松陵、陳墓、金家壩防洪水位分別降低9、7和3 cm，有效促進了區域防洪排澇能力的提高。

3.2 水環境

(1)有效緩解了太浦河支河口門控制對區域水質的影響。太浦河支河口門有效控制后，北側區域河網水質由于缺少水體有序流動，水質均呈惡化趨勢。模型計算顯示太浦河北側控制后區域河網平均NH3-N濃度升高35．5%。工程實施后，相比太浦河北岸控制后區域水質NH3-N濃度降低了17.5%，區域水質濃度呈緩解趨勢。八蕩河工程的實施，有效緩解了太浦河支河口門控制對區域水質的影響。結合區域污染治理措施，區域水質能恢復到太浦河北側控制前的水質。

(2)緩解了太浦河水質保障的壓力，改善了區域水質。

(a)太浦河沿線水質。根據水利計算成果，工程實施后，京杭運河入太浦河流量減小，太浦河沿線水質濃度呈下降趨勢。

枯水年1971年，工程實施后，京杭運河入太浦河流量由工程前的20．9 m3/s減小到17．5 m3/s，太浦河出平望斷面水質指標 COD、NH3-N、TP、濃度較現狀分別下降 1．2%、12.5%、6．3%，太浦河出口斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降0．4%、6．4%、2．4%。2000 年變化規律類似(表3、4)。

表3 工程實施后杭運河入太浦河、八蕩河流量變化情況

(b)工程沿線水質。枯水年1971年，工程實施后，八拆、進元鶴蕩前的斷面水質濃度受運河來水增大，部分水質指標呈升高趨勢。入元鶴蕩后，由于建設生態濕地等工程，通過水質凈化系統，有效地降低了入湖水質三項指示濃度，工程沿線水質隨著河道規模擴大，水質改善程度越好，沿線各斷面NH3-N濃度可工程前下降4．9% ～7．7%。2000年變化規律類似(表5)。

表4 工程實施后太浦河沿線水質變化情況

4 結語

(1)利用太湖流域一維水量水質模型進行模擬，得出:太浦河北岸控制后，對北片地區防洪、水環境均造成一定影響，八蕩河綜合整治工程實施，有利于太浦河北片地區防洪水平的提高、水環境的改善，可緩解太浦河沿線控制造成的不利影響。

(2)在分析了工程實施后太浦河北片地區的變化情況，還可進一步分析工程對南片地區的影響，并結合太浦河兩岸沿線控制調度規則，更深層次地分析工程實施的影響效果;在模型概化時，八蕩河只概化為一種規模，可進一步將八蕩河概化為不同規模并分析其影響效果。

表5 工程實施后沿線水質變化情況

［1］韓龍喜，賈更華，楊鐘凱，等．平原河網地區水利工程水生態環境效應評估指標構建［J］．水資源保護，2011，27(5):65 －69．

［2］吳春，徐陽明，李達，等．一維非恒定流模型在太湖湖濱地區的應用研究［J］．水電能源科學，2009，27(4):134 －137．

［3］李茶青，何文學，陳冬云．平原河網改善水環境引水配水方案設計［J］．中國農村水利水電，2012(7):45－50．

［4］劉玉年，施勇，程緒水，等．淮河中游水量水質聯合調度模型研究［J］．水科學進展，2009，20(2):177 －183．

［5］江濤，朱淑蘭，張強．潮汐河網閘泵聯合調度的水環境效應數值模擬［J］．水利學報，2011，42(4):388 －395．

［6］程文輝，王船海，朱琰．太湖流域模型［M］．南京:河海大學出版社，2006．