水閘規(guī)模對(duì)河道水動(dòng)力水環(huán)境的影響研究

李慧玲 陳菁 金秋 陳黎明 徐祎凡

摘要：水閘規(guī)模與所處河道寬度的差異一定程度上會(huì)阻礙水流流通，造成水體置換周期延長(zhǎng)，極易誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，故確定水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)河道水動(dòng)力水環(huán)境的影響對(duì)維護(hù)水安全具有重要意義。以上海市青浦區(qū)躍進(jìn)圩區(qū)內(nèi)的閘壩為研究對(duì)象，采用一維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)了不同閘寬條件下躍進(jìn)片各斷面最大流量、總進(jìn)水量等水動(dòng)力變化特征以及COD、NH3-N、TP等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度變化，探討了圩區(qū)水閘閘孔寬度與河道斷面匹配關(guān)系，分析了閘孔寬度變化對(duì)水量水質(zhì)的影響。模擬結(jié)果表明：閘門(mén)寬度的增加將直接引起過(guò)閘的最大流量線性增大，而總進(jìn)水量與水質(zhì)改善情況更大程度地受限于閘門(mén)河寬比。在現(xiàn)有引排水量及閘泵調(diào)度規(guī)則下，躍進(jìn)片區(qū)的臨界閘門(mén)河寬比約為2/5。

關(guān)鍵詞：閘孔寬度; 水動(dòng)力水質(zhì)模型; 河寬比; 水體置換; 上海市青浦區(qū)

中圖法分類號(hào)： TV66文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.032

閘壩的修建為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求發(fā)揮了關(guān)鍵作用，同時(shí)也導(dǎo)致了河流水動(dòng)力條件的顯著變化[1]，進(jìn)而對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生正負(fù)兩方面的影響。具體表現(xiàn)為：閘壩的調(diào)控造成了水體流動(dòng)性增強(qiáng)、置換周期縮短[2]，短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境的有效改善[3];另一方面，閘壩的修建及運(yùn)行引起的水文泥沙變化，將對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生局部脅迫，且通常是重大影響。而閘壩建筑以及閘壩調(diào)度對(duì)河流水環(huán)境等方面造成的正負(fù)影響也逐漸引起了人們的重視，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)研究。國(guó)外學(xué)者主要側(cè)重于閘壩對(duì)河流生境的影響研究。Brandt對(duì)閘壩引起的水流輸運(yùn)能力改變?cè)斐赡嗌池?fù)荷變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)河道形態(tài)變化的過(guò)程進(jìn)行了分析研究[4]。Mallik等人以加拿大不列顛哥倫比亞省3個(gè)具有代表性的水庫(kù)上下游河段為研究對(duì)象，探討了閘壩對(duì)河岸植物群落的影響[5]。Geoffrey等人從河道形態(tài)、河岸植被、生態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力等視角梳理總結(jié)了閘壩對(duì)河流生態(tài)的影響[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者則多偏向于以閘壩調(diào)度為著手點(diǎn)，通過(guò)物理模型、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式開(kāi)展相關(guān)研究工作。阮燕云等人采用物理模型模擬研究了閘門(mén)運(yùn)行對(duì)河流水文情勢(shì)以及污染物輸運(yùn)的影響[7]。Zuo等人針對(duì)沙潁河槐店閘設(shè)計(jì)并實(shí)施了野外試驗(yàn)，分析了不同水閘調(diào)節(jié)條件下水質(zhì)參數(shù)的時(shí)空變化，探討了閘壩調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)水質(zhì)的影響[8]。李念斌等建立了適用于蕰南中部地區(qū)的水動(dòng)力模型，研究了改善河流水動(dòng)力條件的最優(yōu)調(diào)度方案[9]。隨著水質(zhì)模型的日漸成熟，越來(lái)越多的學(xué)者以單一閘壩或閘壩群的調(diào)度方式、閘前控制水位[10]、水文預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期[11]為影響因子，對(duì)不同情景進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而評(píng)估閘壩調(diào)度對(duì)水環(huán)境的影響。但是從水閘建設(shè)規(guī)模著手的河道水動(dòng)力水環(huán)境的數(shù)值模擬研究并不多見(jiàn)。

上海市青浦區(qū)水閘數(shù)量眾多，總數(shù)高達(dá)720座，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)防汛排澇、引清調(diào)水等作用。然而，現(xiàn)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(dòng)力條件變差，流域水網(wǎng)連通性減小，水體的置換周期變長(zhǎng)，水體的自凈能力減弱，極易引起富營(yíng)養(yǎng)化。因此，有必要研究和論證水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)河道水動(dòng)力水環(huán)境的影響。本文以2016年當(dāng)?shù)厮臄?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮上海市青浦區(qū)躍進(jìn)片水文節(jié)律與泵閘群調(diào)度方式，采用水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)不同閘寬條件下躍進(jìn)片各斷面最大流量、總進(jìn)水量等水動(dòng)力變化特征以及COD、NH3-N、TP等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸運(yùn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入分析了水閘閘孔寬度與河道規(guī)模、水量水質(zhì)之間的關(guān)系，以期為今后的水閘設(shè)計(jì)和改造工作提供理論參考。

1研究區(qū)域及方法

1.1研究區(qū)域概況

青浦區(qū)地處上海市西南部，太湖下游，黃浦江上游，位于長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶。研究區(qū)域躍進(jìn)片地處青松水利控制區(qū)內(nèi)的青浦城區(qū)夏陽(yáng)街道，其范圍東至千步?jīng)?，南至淀浦河，西至青浦城河（環(huán)城河）、東大盈港，北至上達(dá)河，面積約5.37 km?2。圩區(qū)內(nèi)水系主要有章浜河、李腰涇、花園港、中橫涇、躍進(jìn)河、界涇港、水渡浜和夏陽(yáng)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(shù)如表1所示。

1.2水環(huán)境概況

盡管上海市引清調(diào)水工作的開(kāi)展在穩(wěn)定內(nèi)河水質(zhì)、改善水環(huán)境面貌方面發(fā)揮了重要作用，但是青浦區(qū)內(nèi)大河口小水閘的組合一定程度上阻礙了水流流通，從而導(dǎo)致圩區(qū)水網(wǎng)連通性稍差，水體置換周期略長(zhǎng)，水體自凈能力較弱。2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，圩區(qū)內(nèi)河網(wǎng)基本處于劣Ⅴ類，主要污染物是總磷和氨氮。以躍進(jìn)圩區(qū)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(yán)重，對(duì)區(qū)域水安全造成了一定的威脅。

1.3水動(dòng)力水質(zhì)模型構(gòu)建

本次研究所建立的水動(dòng)力水質(zhì)模型中，水動(dòng)力模塊是建立在一維非恒定流圣維南方程組基礎(chǔ)上[12]，由連續(xù)方程與動(dòng)量方程組成[13]，主要用于模擬主干線的水流演進(jìn)、旁側(cè)入流過(guò)程。該模型采用在河網(wǎng)計(jì)算中應(yīng)用廣泛的隱式差分格式算法[14-15]，使其能在相當(dāng)大的courant數(shù)下仍可保持穩(wěn)定計(jì)算?？紤]旁側(cè)入流的水動(dòng)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e與蓄水?dāng)嗝婷娣e;Sco、Sm為河道蜿蜒系數(shù);X為沿主流向的縱向距離;t為時(shí)間;q為側(cè)向入流或出流;β為動(dòng)量校正系數(shù);Sf為河道的阻力坡降;Se為河道突擴(kuò)或收縮引起的坡降;B為有效過(guò)水?dāng)嗝娴乃鎸?Wf為風(fēng)對(duì)水面的阻力;L為側(cè)向流的動(dòng)量。

水質(zhì)模塊是建立在一維對(duì)流擴(kuò)散方程基礎(chǔ)上，假定物質(zhì)在斷面上完全混合，遵循物質(zhì)守恒且符合Fick擴(kuò)散定律。水質(zhì)模型控制方程為

t（V）=-x（Q）Δx+x（ΓAδδx）Δx±S（3）

式中，t為時(shí)間步長(zhǎng);V為計(jì)算水質(zhì)單元的體積;為水溫或者其他水質(zhì)指標(biāo)的濃度;Q為流量;Γ為自定義的離散系數(shù);A為可組合的斷面的面積;S為源強(qiáng)以及沉降項(xiàng)。

基于躍進(jìn)片水文規(guī)律與泵閘群調(diào)節(jié)方式構(gòu)建水動(dòng)力水質(zhì)模型，遵循使區(qū)域內(nèi)的河道槽蓄量不變的原則，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水域面積對(duì)次要河道及其他集水區(qū)域進(jìn)行概化（見(jiàn)圖1），使其能全面地反映天然河網(wǎng)的基本特性[16]。同時(shí)，綜合研究區(qū)內(nèi)水流的物理特征以及控制方程組的定解性質(zhì)對(duì)模型邊界條件進(jìn)行合理設(shè)定[17]。水動(dòng)力模塊中，陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門(mén)通過(guò)閘上、下水位控制其入流過(guò)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(shù)據(jù)作為邊界。水質(zhì)模塊中，以COD、NH3-N、TP作為模擬水質(zhì)組分，選用夏陽(yáng)湖站點(diǎn)的2016年年均水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果作為陳橋浜、界涇港以及李腰涇各閘門(mén)的入流水質(zhì)邊界。

由于研究區(qū)河網(wǎng)總體河床形態(tài)較為一致，在考慮經(jīng)驗(yàn)糙率初始值的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型試算，最終確定糙率采用0.033。此外，研究區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)的變化主要受圩外引清水的影響，為突出水閘建設(shè)導(dǎo)致引水規(guī)模的變化對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的作用，忽略區(qū)域入河污染物的自凈作用導(dǎo)致河網(wǎng)水質(zhì)的變化，故未考慮各水質(zhì)指標(biāo)降解系數(shù)的影響。

2模擬結(jié)果分析

泵閘規(guī)模既涉及到水安全問(wèn)題，也關(guān)系到水利工程的經(jīng)濟(jì)合理性。鑒于自清水引入約一周后區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)基本已接近外部引水水質(zhì)狀況，故本研究選用7 d作為計(jì)算時(shí)間，并針對(duì)青浦區(qū)躍進(jìn)片水系特征以及現(xiàn)有水閘規(guī)模，設(shè)計(jì)3種模擬工況（見(jiàn)表2），分析水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)圩區(qū)內(nèi)水動(dòng)力水環(huán)境影響。

2.1水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)河網(wǎng)水動(dòng)力影響

水閘閘孔寬度的變化將影響青浦區(qū)躍進(jìn)圩區(qū)水動(dòng)力條件，特別是隨著陳橋浜閘、界涇港東閘和李腰涇閘閘門(mén)寬度的加大，過(guò)閘的最大流量顯著增加。模擬結(jié)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(jiàn)表3），其中李腰涇由于現(xiàn)狀閘門(mén)寬度與河道斷面相差過(guò)大，當(dāng)閘門(mén)寬度增加后，最大流量增幅也更為明顯。

從各閘門(mén)7 d的總進(jìn)水量來(lái)看，它與過(guò)閘的最大流量模擬結(jié)果存在一定的差異（見(jiàn)表4），即隨著閘門(mén)河寬比增加，最大流量與總進(jìn)水量間由正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為負(fù)相關(guān)關(guān)系。具體表現(xiàn)在閘寬增加，過(guò)閘最大流量均有所增加，而李腰涇閘總進(jìn)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(jìn)水量略有減少，但總體變幅不大;陳橋浜閘的總進(jìn)水量隨著閘門(mén)寬度的增加，呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，工況3較工況1降低了30.6%。其主要原因在于，閘門(mén)河寬比過(guò)大時(shí)，過(guò)閘最大流量的提高易造成雍水效應(yīng)，導(dǎo)致總進(jìn)水量降低。

2.2水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)影響

受限于前期外排水量的影響，總體引入躍進(jìn)圩區(qū)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(qū)外水質(zhì)狀況持平，總體對(duì)躍進(jìn)圩區(qū)水質(zhì)改善的程度仍相對(duì)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(zhì)變化進(jìn)行比對(duì)（見(jiàn)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(zhì)污染程度較為嚴(yán)重。圩外清水的引入使得水質(zhì)開(kāi)始好轉(zhuǎn)，COD濃度降低，然而河道內(nèi)原有水體的滯留會(huì)使COD濃度反彈，隨著后續(xù)

清水的引入，各斷面COD濃度波動(dòng)中呈下降趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定。模擬結(jié)果顯示，閘門(mén)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(mén)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(mén)寬度的增加，章浜河斷面COD改善速率穩(wěn)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(qū)域入河污染物的影響，河網(wǎng)水質(zhì)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(shí)間的變化趨勢(shì)與COD濃度變化基本一致（見(jiàn)圖3）。從引清水3 d的水質(zhì)變化情況對(duì)比來(lái)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(yōu)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(guān)關(guān)系。工況3水質(zhì)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(zhì)改善速率最慢，NH3-N，TP濃度降低了45.09%、39.34%。

2.3閘門(mén)河寬比對(duì)水動(dòng)力及水質(zhì)的影響

基于數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析水閘閘孔寬度與河道規(guī)模、水量水質(zhì)之間的關(guān)系（見(jiàn)表5）?？梢钥闯鏊l的最大流量與閘門(mén)河寬比基本上呈線性關(guān)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(mén)河寬比下的水量和水質(zhì)在引清水3 d內(nèi)的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出相似性。總體來(lái)看，在不改變圩區(qū)的引排水量及閘泵調(diào)度規(guī)則的情況下，閘門(mén)河寬比增大時(shí)，水閘的最大流量線性增大，總進(jìn)水量增加，水質(zhì)改善程度更優(yōu);然而當(dāng)閘門(mén)河寬比過(guò)大時(shí)，會(huì)造成壅水，反而使其整體的總進(jìn)水量有所下降，進(jìn)而使得水質(zhì)改善效果大打折扣;其臨界閘門(mén)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(jié) 論

針對(duì)水閘建設(shè)規(guī)模對(duì)河流水動(dòng)力及水質(zhì)變化的具體影響問(wèn)題，構(gòu)建了躍進(jìn)圩區(qū)的一維水動(dòng)力水質(zhì)模型。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的閘門(mén)寬度情景并模擬分析后，得出如下結(jié)論。

（1） 躍進(jìn)圩區(qū)閘門(mén)寬度加大后，過(guò)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(guò)流總量隨閘門(mén)寬度的增加有所降低，界涇港東閘過(guò)流總量總體變幅不大，李腰涇閘進(jìn)水總量與閘門(mén)寬度基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

（2） 本研究將圩外清水的引入作為引起河網(wǎng)水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素，暫未考慮區(qū)域入河污染物的影響，各斷面COD，NH3-N、TP濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。引清水3 d后，花園港斷面水質(zhì)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(zhì)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(yōu)于工況1;章浜河斷面水質(zhì)改善速率與閘寬呈正相關(guān)關(guān)系，水質(zhì)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(mén)寬度的改變將不可避免對(duì)躍進(jìn)圩區(qū)的水文情勢(shì)造成直接或間接的影響，并進(jìn)一步促使周邊水環(huán)境發(fā)生改變?？傮w上來(lái)說(shuō)，水量和水質(zhì)的改善程度隨閘寬比的增大表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，對(duì)于躍進(jìn)片區(qū)而言，在現(xiàn)有引排水量及閘泵調(diào)度規(guī)則下的臨界閘門(mén)河寬比為2/5。

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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