水閘規模對河道水動力水環境的影響研究

李慧玲 陳菁 金秋 陳黎明 徐祎凡

摘要：水閘規模與所處河道寬度的差異一定程度上會阻礙水流流通，造成水體置換周期延長，極易誘發水體富營養化，故確定水閘建設規模對河道水動力水環境的影響對維護水安全具有重要意義。以上海市青浦區躍進圩區內的閘壩為研究對象，采用一維水動力水質模型模擬預測了不同閘寬條件下躍進片各斷面最大流量、總進水量等水動力變化特征以及COD、NH3-N、TP等營養物質的濃度變化，探討了圩區水閘閘孔寬度與河道斷面匹配關系，分析了閘孔寬度變化對水量水質的影響。模擬結果表明：閘門寬度的增加將直接引起過閘的最大流量線性增大，而總進水量與水質改善情況更大程度地受限于閘門河寬比。在現有引排水量及閘泵調度規則下，躍進片區的臨界閘門河寬比約為2/5。

關鍵詞：閘孔寬度; 水動力水質模型; 河寬比; 水體置換; 上海市青浦區

中圖法分類號： TV66文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.032

閘壩的修建為保障經濟社會發展對水資源的需求發揮了關鍵作用，同時也導致了河流水動力條件的顯著變化[1]，進而對水環境產生正負兩方面的影響。具體表現為：閘壩的調控造成了水體流動性增強、置換周期縮短[2]，短期內可實現區域水環境的有效改善[3];另一方面，閘壩的修建及運行引起的水文泥沙變化，將對生態環境系統產生局部脅迫，且通常是重大影響。而閘壩建筑以及閘壩調度對河流水環境等方面造成的正負影響也逐漸引起了人們的重視，國內外諸多學者對此展開了相關研究。國外學者主要側重于閘壩對河流生境的影響研究。Brandt對閘壩引起的水流輸運能力改變造成泥沙負荷變化，進而驅動河道形態變化的過程進行了分析研究[4]。Mallik等人以加拿大不列顛哥倫比亞省3個具有代表性的水庫上下游河段為研究對象，探討了閘壩對河岸植物群落的影響[5]。Geoffrey等人從河道形態、河岸植被、生態變化驅動力等視角梳理總結了閘壩對河流生態的影響[6]。國內學者則多偏向于以閘壩調度為著手點，通過物理模型、現場試驗和數值模擬的方式開展相關研究工作。阮燕云等人采用物理模型模擬研究了閘門運行對河流水文情勢以及污染物輸運的影響[7]。Zuo等人針對沙潁河槐店閘設計并實施了野外試驗，分析了不同水閘調節條件下水質參數的時空變化，探討了閘壩調節機制對水質的影響[8]。李念斌等建立了適用于蕰南中部地區的水動力模型，研究了改善河流水動力條件的最優調度方案[9]。隨著水質模型的日漸成熟，越來越多的學者以單一閘壩或閘壩群的調度方式、閘前控制水位[10]、水文預報預見期[11]為影響因子，對不同情景進行數值模擬，進而評估閘壩調度對水環境的影響。但是從水閘建設規模著手的河道水動力水環境的數值模擬研究并不多見。

上海市青浦區水閘數量眾多，總數高達720座，承擔著區域內防汛排澇、引清調水等作用。然而，現有的水閘不少閘孔尺寸與河口斷面并不完全匹配，大河口小水閘的組合使得水閘成為影響河道水流流通的障礙，造成水文水動力條件變差，流域水網連通性減小，水體的置換周期變長，水體的自凈能力減弱，極易引起富營養化。因此，有必要研究和論證水閘建設規模對河道水動力水環境的影響。本文以2016年當地水文數據為基礎，綜合考慮上海市青浦區躍進片水文節律與泵閘群調度方式，采用水動力水質模型對不同閘寬條件下躍進片各斷面最大流量、總進水量等水動力變化特征以及COD、NH3-N、TP等營養物質的輸運進行了數值模擬，深入分析了水閘閘孔寬度與河道規模、水量水質之間的關系，以期為今后的水閘設計和改造工作提供理論參考。

1研究區域及方法

1.1研究區域概況

青浦區地處上海市西南部，太湖下游，黃浦江上游，位于長江三角洲經濟圈的中心地帶。研究區域躍進片地處青松水利控制區內的青浦城區夏陽街道，其范圍東至千步涇，南至淀浦河，西至青浦城河（環城河）、東大盈港，北至上達河，面積約5.37 km?2。圩區內水系主要有章浜河、李腰涇、花園港、中橫涇、躍進河、界涇港、水渡浜和夏陽湖等，涉及中橫涇北、界涇港東、界涇港西、李腰涇、陳橋浜、章浜河以及花園港等泵閘，具體參數如表1所示。

1.2水環境概況

盡管上海市引清調水工作的開展在穩定內河水質、改善水環境面貌方面發揮了重要作用，但是青浦區內大河口小水閘的組合一定程度上阻礙了水流流通，從而導致圩區水網連通性稍差，水體置換周期略長，水體自凈能力較弱。2016年的水質監測數據顯示，圩區內河網基本處于劣Ⅴ類，主要污染物是總磷和氨氮。以躍進圩區界涇港為例，2016年其COD濃度均值為6.87 mg/L，NH3-N濃度均值為4.25 mg/L，TP濃度的均值為0.449 mg/L，水污染情況較為嚴重，對區域水安全造成了一定的威脅。

1.3水動力水質模型構建

本次研究所建立的水動力水質模型中，水動力模塊是建立在一維非恒定流圣維南方程組基礎上[12]，由連續方程與動量方程組成[13]，主要用于模擬主干線的水流演進、旁側入流過程。該模型采用在河網計算中應用廣泛的隱式差分格式算法[14-15]，使其能在相當大的courant數下仍可保持穩定計算。考慮旁側入流的水動力模型控制方程為

Sco（A+A0）t+QX-q=0（1）

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

式中，Q為流量;h為水位;A、Ao分別為有效過水斷面面積與蓄水斷面面積;Sco、Sm為河道蜿蜒系數;X為沿主流向的縱向距離;t為時間;q為側向入流或出流;β為動量校正系數;Sf為河道的阻力坡降;Se為河道突擴或收縮引起的坡降;B為有效過水斷面的水面寬;Wf為風對水面的阻力;L為側向流的動量。

水質模塊是建立在一維對流擴散方程基礎上，假定物質在斷面上完全混合，遵循物質守恒且符合Fick擴散定律。水質模型控制方程為

t（V）=-x（Q）Δx+x（ΓAδδx）Δx±S（3）

式中，t為時間步長;V為計算水質單元的體積;為水溫或者其他水質指標的濃度;Q為流量;Γ為自定義的離散系數;A為可組合的斷面的面積;S為源強以及沉降項。

基于躍進片水文規律與泵閘群調節方式構建水動力水質模型，遵循使區域內的河道槽蓄量不變的原則，根據區域內的水域面積對次要河道及其他集水區域進行概化（見圖1），使其能全面地反映天然河網的基本特性[16]。同時，綜合研究區內水流的物理特征以及控制方程組的定解性質對模型邊界條件進行合理設定[17]。水動力模塊中，陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門通過閘上、下水位控制其入流過程，閘上水位控制在2.6 m;中橫涇、界涇港、花園港和章浜河等均采用泵站外排流量數據作為邊界。水質模塊中，以COD、NH3-N、TP作為模擬水質組分，選用夏陽湖站點的2016年年均水質監測結果作為陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門的入流水質邊界。

由于研究區河網總體河床形態較為一致，在考慮經驗糙率初始值的基礎上，通過模型試算，最終確定糙率采用0.033。此外，研究區內河網水質的變化主要受圩外引清水的影響，為突出水閘建設導致引水規模的變化對河網水環境的作用，忽略區域入河污染物的自凈作用導致河網水質的變化，故未考慮各水質指標降解系數的影響。

2模擬結果分析

泵閘規模既涉及到水安全問題，也關系到水利工程的經濟合理性。鑒于自清水引入約一周后區域內的水質基本已接近外部引水水質狀況，故本研究選用7 d作為計算時間，并針對青浦區躍進片水系特征以及現有水閘規模，設計3種模擬工況（見表2），分析水閘建設規模對圩區內水動力水環境影響。

2.1水閘建設規模對河網水動力影響

水閘閘孔寬度的變化將影響青浦區躍進圩區水動力條件，特別是隨著陳橋浜閘、界涇港東閘和李腰涇閘閘門寬度的加大，過閘的最大流量顯著增加。模擬結果顯示，陳橋浜閘、界涇港東閘、李腰涇閘最大流量由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，分別提高了85.81%，114.01%和115.56%（見表3），其中李腰涇由于現狀閘門寬度與河道斷面相差過大，當閘門寬度增加后，最大流量增幅也更為明顯。

從各閘門7 d的總進水量來看，它與過閘的最大流量模擬結果存在一定的差異（見表4），即隨著閘門河寬比增加，最大流量與總進水量間由正相關關系轉化為負相關關系。具體表現在閘寬增加，過閘最大流量均有所增加，而李腰涇閘總進水量顯著增加，工況3較工況1提高了12.89%;界涇港東閘總進水量略有減少，但總體變幅不大;陳橋浜閘的總進水量隨著閘門寬度的增加，呈現相反的趨勢，工況3較工況1降低了30.6%。其主要原因在于，閘門河寬比過大時，過閘最大流量的提高易造成雍水效應，導致總進水量降低。

2.2水閘建設規模對河網水質影響

受限于前期外排水量的影響，總體引入躍進圩區的水量基本不變，故7 d后各工況下COD、NH3-N、TP濃度基本均與圩區外水質狀況持平，總體對躍進圩區水質改善的程度仍相對有限。為揭示不同閘寬造成的COD、NH3-N和TP改善速率的差異。本次研究選擇各工況下引清水3 d的水質變化進行比對（見圖2）。

花園港斷面、界涇港斷面和章浜河斷面初始COD濃度均為7.458 mg/L，水質污染程度較為嚴重。圩外清水的引入使得水質開始好轉，COD濃度降低，然而河道內原有水體的滯留會使COD濃度反彈，隨著后續

清水的引入，各斷面COD濃度波動中呈下降趨勢，最終趨于穩定。模擬結果顯示，閘門寬度的增加，花園港斷面COD改善速率先增后降。工況1下COD濃度降低至6.367 mg/L，較初始濃度降低了14.63%;工況2下COD濃度降低至6.302 mg/L，降低了15.5%;工況3下COD濃度降低至6.579 mg/L，降低了11.79%。閘門寬度的增加，界涇港斷面COD改善速率先增加后持平。工況1下COD濃度降低至6.74 mg/L，降低了9.63%;工況2下COD濃度降低至6.517 mg/L，降低了12.61%;工況3下COD濃度降低至6.522 mg/L，降低了12.55%。閘門寬度的增加，章浜河斷面COD改善速率穩定提升。工況1下COD濃度降低至6.397 mg/L，降低了14.23%;工況2下COD濃度降低至6.278 mg/L，降低了15.82%;工況3下COD濃度降低至6.144 mg/L，降低了17.62%。

由于本次研究暫不考慮區域入河污染物的影響，河網水質的變化主要受圩外引清水的影響。因此，各斷面NH3-N，TP濃度隨時間的變化趨勢與COD濃度變化基本一致（見圖3）。從引清水3 d的水質變化情況對比來看，花園港斷面NH3-N、TP改善速率最快的是工況2，NH3-N濃度由5.81 mg/L降至2.96 mg/L，降低了49.05%，TP濃度由0.61 mg/L降至0.35mg/L，降低了42.62%。改善速率最慢的是工況3，NH3-N、TP濃度分別降低了37.35%，32.79%。界涇港斷面工況2、工況3下NH3-N，TP改善速率基本持平，明顯優于工況1。工況1下，NH3-N，TP濃度分別降低了30.46%，26.23%;工況2下，NH3-N，TP濃度分別降低了39.93%，34.43%;工況3下，NH3-N，TP濃度分別降低了39.76%，34.43%。章浜河斷面處，NH3-N，TP改善速率與閘寬呈正相關關系。工況3水質改善速率最快，NH3-N濃度由5.81 mg/L降低至2.57 mg/L，降低了55.77%，TP濃度由0.61 mg/L降低至0.31 mg/L，降低了49.18%;工況1水質改善速率最慢，NH3-N，TP濃度降低了45.09%、39.34%。

2.3閘門河寬比對水動力及水質的影響

基于數值模擬結果，深入分析水閘閘孔寬度與河道規模、水量水質之間的關系（見表5）。可以看出水閘的最大流量與閘門河寬比基本上呈線性關系，即河道寬度不改變的情況下，水閘的最大流量隨著閘孔寬度的增大而一定比例增大;由于暫未考慮污染物的自凈作用，不同閘門河寬比下的水量和水質在引清水3 d內的變化趨勢表現出相似性。總體來看，在不改變圩區的引排水量及閘泵調度規則的情況下，閘門河寬比增大時，水閘的最大流量線性增大，總進水量增加，水質改善程度更優;然而當閘門河寬比過大時，會造成壅水，反而使其整體的總進水量有所下降，進而使得水質改善效果大打折扣;其臨界閘門河寬比約為2/5。

圖3不同工況下NH3-N、TP濃度的變化Fig.3Contents variation of NH3-N and TP under different working conditions

3結 論

針對水閘建設規模對河流水動力及水質變化的具體影響問題，構建了躍進圩區的一維水動力水質模型。通過設計不同的閘門寬度情景并模擬分析后，得出如下結論。

（1） 躍進圩區閘門寬度加大后，過閘的最大流量顯著增加，陳橋浜閘、界涇港東閘、李腰涇閘最大流量分別提高了85.81%，114.01%和115.56%。但是陳橋浜閘受河段寬度限制，過流總量隨閘門寬度的增加有所降低，界涇港東閘過流總量總體變幅不大，李腰涇閘進水總量與閘門寬度基本呈現正相關關系。

（2） 本研究將圩外清水的引入作為引起河網水質變化的主導因素，暫未考慮區域入河污染物的影響，各斷面COD，NH3-N、TP濃度隨時間的變化趨勢基本一致。引清水3 d后，花園港斷面水質改善速率最快的是工況2，COD，NH3-N，TP濃度分別降低了15.5%，49.05%，42.62%;界涇港斷面水質改善速率最快的是工況2，COD，NH3-N，TP濃度分別降低了12.61%，39.93%，34.43%;工況3改善速率與工況2基本持平，均明顯優于工況1;章浜河斷面水質改善速率與閘寬呈正相關關系，水質改善速率最快的是工況3，COD，NH3-N，TP濃度分別降低了17.62%，55.77%，49.18%。

（3） 閘門寬度的改變將不可避免對躍進圩區的水文情勢造成直接或間接的影響，并進一步促使周邊水環境發生改變。總體上來說，水量和水質的改善程度隨閘寬比的增大表現出先增后降的趨勢，對于躍進片區而言，在現有引排水量及閘泵調度規則下的臨界閘門河寬比為2/5。

參考文獻：

[1]Sadegh D，Abbas P.Numerical modeling of flow pattern in dam spillways guide wall.Case study：Balaroud dam，Iran[J].Alexandria Engineering Journal，2016，55（1）：467-473.

[2]莫祖瀾.基于水體自凈能力的河網閘泵調控優化模型研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[3]Yuan D，Zhang Y，Liu J，et al.Water quantity and quality joint-operation modeling of dams and floodgates in Huai River Basin，China[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2015，141（9）：04015005.

[4]Brandt S A.Classification of geomorphological effects downstream of dams[J].Catena，2000，40（4）：375-401.

[5]Mallik A U，Richardson J S.Riparian vegetation change in upstream and downstream reaches of three temperate rivers dammed for hydroelectric generation in British Columbia，Canada [J].Ecological Engineering，2008，35（5）：810-819.

[6]Geoffrey E P，Angela M G.Dams and geomorphology：Research progress and future directions[J].Geomorphology，2004，71（1）：27-47.

[7]阮燕云，張翔，夏軍，等.閘門調控對污染物遷移規律的影響實驗研究[J].中國農村水利水電，2009（7）：52-54，60.

[8]Zuo Q，Chen H，Dou M，et al.Experimental analysis of the impact of sluice regulation on water quality in the highly polluted Huai River Basin，China[J].Environmental Monitoring and Assessment，2015，187（7）：1-15.

[9]李念斌，楊琪.基于區域水環境治理的泵閘調度優化[J].人民長江，2017，48（21）：29-33.

[10]鄭保強，竇明，黃李冰，等.水閘調度對河流水質變化的影響分析[J].環境科學與技術，2012，35（2）：14-18，24.

[11]王昭亮，高仕春，張慧云.閘壩對河流水質調控作用的影響因子[J].武漢大學學報：工學版，2011，44（5）：571-575.

[12]Srelkoff T.Numerical solution of Saint-Venant Equations[J].Journal of the Hydraulics Division，1970，95（HY 1）：29-77.

[13]DHI Water and Environment.MIKE 11 Reference manual：a modelling system for rivers and channels[M].Denmark：DHI Software，2012.

[14]Fread D L.Technique for implicit dynamic routing in river with tributaries[J].Water Resources Research，1973，9（4）：918-926.

[15]Greco F，Panattoni L.An implicit method to solve Saint-Venant equation[J].Journal of Hydrology，1975，24（1/2）：171-185.

[16]徐祖信.河流污染治理規劃理論與實踐[M].北京：中國環境出版社，2003.

[17]楊松彬.嘉興市區河網匯流數值模擬[D].杭州：浙江工業大學，2007.

引用本文：李慧玲，陳菁，金秋，陳黎明，徐祎凡.水閘規模對河道水動力水環境的影響研究[J].人民長江，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