江河湖連通的太湖上游河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律探索

蔡 梅，李 琛，李勇濤，劉增賢，徐天奕

(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

河湖水系是水資源的載體，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。江河湖緊密連通的水網(wǎng)地區(qū)因其獨(dú)特的自然地理特征，水系十分復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分地區(qū)的自然河網(wǎng)水系受到人類的強(qiáng)烈干擾，水流運(yùn)動(dòng)更加無(wú)序，導(dǎo)致水系功能退化，水安全問(wèn)題愈加突出。因此，對(duì)復(fù)雜江河湖地區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探索，是保障自然-人工復(fù)合水網(wǎng)體系的有效運(yùn)轉(zhuǎn)和維持，從而保障區(qū)域水安全的重要基礎(chǔ)[1,2]。

太湖流域是長(zhǎng)江入海之前的沖積平原，江串河，河連湖，水系縱橫交錯(cuò)，湖泊星羅棋布，流域獨(dú)特的平原河網(wǎng)為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了良好的水利條件。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展導(dǎo)致下墊面急劇變化，流域水文形勢(shì)發(fā)生了較大變化，且隨著二輪治太水利工程的建設(shè)及實(shí)施運(yùn)用，流域內(nèi)各區(qū)域的河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)及水流運(yùn)動(dòng)特征更加復(fù)雜，特別是上游湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū)，受太湖水環(huán)境保護(hù)的要求，以及區(qū)域內(nèi)各城市為改善水環(huán)境開(kāi)展的調(diào)水引流影響，兩區(qū)之間、區(qū)域與長(zhǎng)江、太湖的水量交換成為太湖水環(huán)境綜合治理新的焦點(diǎn)[3]。本文以湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū)為主要研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，研究該區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及水量交換特征，以期為太湖流域的綜合治理及管理提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)支撐。

1 區(qū)域水系及水利工程概況

湖西區(qū)根據(jù)地形及水流情況，可分為運(yùn)河水系、洮滆水系和南河水系三大水系。其中，北部運(yùn)河水系是以京杭運(yùn)河為骨干河道，通過(guò)京杭運(yùn)河、九曲河、新孟河等溝通長(zhǎng)江。中部洮滆水系主要由山區(qū)河道承接西部茅山及丹陽(yáng)、金壇一帶高地來(lái)水，經(jīng)由湟里河、北干河、中干河等河道入洮、滆湖調(diào)節(jié)，經(jīng)太滆運(yùn)河、殷村港等河道入太湖。南部南河水系，發(fā)源于宜溧山區(qū)和茅山山區(qū)，以南河為干流，經(jīng)溧陽(yáng)、宜興匯集兩岸來(lái)水經(jīng)西氿、東氿，由城東港及附近諸港入太湖。三大水系間有南北向河道丹金溧漕河、扁擔(dān)河、武宜運(yùn)河等聯(lián)結(jié)，形成南北東西相通的平原水網(wǎng)。區(qū)域主要水利工程包括沿長(zhǎng)江控制工程，內(nèi)部有丹金閘樞紐以及部分圩區(qū)控制工程[4]。

武澄錫虞區(qū)水系以京杭運(yùn)河為界，分成京杭運(yùn)河北部和南部?jī)刹糠郑┖歼\(yùn)河自西向東貫穿區(qū)域。京杭運(yùn)河北部地區(qū)以南北向通江河道為主，具有較好的引排水條件；東西向河道與通江河道相連，匯集區(qū)域來(lái)水排入長(zhǎng)江。京杭運(yùn)河以南北向入湖河道為主。區(qū)域主要水利工程包括沿長(zhǎng)江控制工程、常州市、無(wú)錫市城市防洪工程、武澄錫虞區(qū)與湖西區(qū)交界的西控制線工程、入湖控制工程及區(qū)域相關(guān)圩區(qū)工程[5]。研究區(qū)骨干水系分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)骨干水系分布示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型及模擬精度

本研究采用太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展研究，該模型在綜合分析太湖流域平原河網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文、水動(dòng)力學(xué)等原理建立模型，模擬流域平原河網(wǎng)地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)。模型系統(tǒng)包括降雨徑流模型、河網(wǎng)水量模型、廢水負(fù)荷模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型、太湖湖流模型和太湖湖區(qū)水質(zhì)模型6個(gè)子模型，其邏輯關(guān)系如圖2所示。該模型系統(tǒng)已經(jīng)相關(guān)部門(mén)評(píng)審鑒定，并在流域水資源綜合規(guī)劃、流域水量分配方案及相關(guān)技術(shù)論證等工作中得到檢驗(yàn)[6]。目前，該模型概化的下墊面、取排水等信息以2016年為主[7]，為驗(yàn)證模型計(jì)算精度，本研究采用2016年實(shí)測(cè)水雨情進(jìn)行測(cè)試，限于篇幅，本文僅給出了太湖、王母觀(湖西區(qū)主要代表站)、無(wú)錫(武澄錫虞區(qū)主要代表站)水位過(guò)程線如圖3所示?？梢钥闯觯碚舅挥?jì)算過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，模型模擬精度較高，可以較好的模擬研究區(qū)水流運(yùn)動(dòng)情況。

圖2 太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型基本架構(gòu)示意圖

2.2 情景設(shè)計(jì)

選擇枯水年2013年、平水年2012年、豐水年2016年全面模擬區(qū)域總體流動(dòng)情況。為避免初始條件對(duì)模型計(jì)算的影響，研究在選用不同典型年進(jìn)行全年模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，選擇局部時(shí)段分析水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模型中主要概化的水利工程包括湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)沿長(zhǎng)江控制線、武澄錫虞西控制線、城市防洪工程、圩區(qū)工程及其他區(qū)域重要水利工程，工程調(diào)度依據(jù)《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》、《太湖流域引江濟(jì)太調(diào)度方案》、《蘇南運(yùn)河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案》以及鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫引清調(diào)水方案等進(jìn)行模擬。

2.2.1 典型年

2013年流域年降水量1 067 mm，較常年偏少10%，降水頻率66%，接近于中等干旱年份，7-8月用水高峰期降水頻率達(dá)到94%。2012年流域年降水量1 341 mm，較常年偏多13%，降水頻率為12%，汛期5-9月降水頻率38%，接近中等偏豐年份。2016年流域年降水量1 792 mm，較常年偏多47%，位列1951年以來(lái)第一位，太湖水位達(dá)到僅次于1999年的歷史次高水位。

2.2.2 局部時(shí)段

為排除降雨的影響，選擇枯水年2013年3月26日-5月3日、平水年2012年5月31日-6月24日以及豐水年2016年2月7日-3月7日作為典型分析時(shí)段，研究少降雨期間，沿長(zhǎng)江引水在湖西區(qū)及武澄錫虞區(qū)內(nèi)部的水流運(yùn)動(dòng)及水量交換情況，具體時(shí)段特征見(jiàn)表1。

表1 小雨時(shí)段主要特征

考慮降雨的影響，選擇枯水年2013年6月21日-7月12日、10月5-15日、平水年2012年2月5日-3月6日以及豐水年2016年5月20-31日作為典型時(shí)段，分析多雨時(shí)段，湖西區(qū)及武澄錫虞區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)及水量交換情況，具體時(shí)段特征見(jiàn)表2。

表2 多雨或大雨時(shí)段主要特征

3 研究結(jié)果

3.1 總體水量平衡

由計(jì)算結(jié)果(表3)可知，湖西平原地區(qū)(5 m等高線以下地區(qū))的總體水流運(yùn)動(dòng)情況是“自西向東、自北向南”，諫壁是湖西區(qū)沿長(zhǎng)江的主要引水口門(mén)，從長(zhǎng)江引水后，一部分水通過(guò)京杭運(yùn)河向東流向武澄錫虞區(qū)，另一部分水過(guò)京杭運(yùn)河繼續(xù)向南流入湖西腹地，進(jìn)而匯入太湖。武澄錫虞區(qū)的總體水流運(yùn)動(dòng)情況與湖西區(qū)類似，呈現(xiàn)“自西向東、自北向南”的流態(tài)。

表3 研究區(qū)域水量平衡表 億m3

從不同典型年來(lái)看，枯水年湖西區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)為從長(zhǎng)江引水、山丘區(qū)來(lái)水、區(qū)域內(nèi)退水及從武澄錫虞區(qū)倒流水體進(jìn)入太湖，武澄錫虞區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)為，從長(zhǎng)江和太湖引水，一部分倒流入湖西區(qū)入湖，另一部分向東進(jìn)入望虞河，以及通過(guò)京杭運(yùn)河進(jìn)入下游地區(qū)。平水年湖西區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)為從長(zhǎng)江引水、山丘區(qū)來(lái)水及區(qū)域內(nèi)退水，一部分進(jìn)入太湖，另一部分進(jìn)入武澄錫虞區(qū)，武澄錫虞區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)為，從湖西區(qū)來(lái)水和太湖引水，少部分排入長(zhǎng)江，大部分排入望虞河及下游區(qū)域。豐水年湖西區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)與平水年一致，但較平水年2012年長(zhǎng)江引水量大幅減少，武澄錫虞區(qū)的水量平衡總體表現(xiàn)為，上游湖西區(qū)來(lái)水與本地產(chǎn)水匯集后，北向長(zhǎng)江排水、南向太湖排水，東向望虞河及下游地區(qū)排水。

平、枯水年，湖西區(qū)沿江引水(扣除排水量，下同)和本地降雨產(chǎn)水基本相當(dāng)，總量在20～30 億m3左右，豐水年則以本地產(chǎn)水為主要來(lái)水；湖西區(qū)入太湖水量總體略超過(guò)沿江引水和本地產(chǎn)水總量，平、枯水年總量在60～70 億m3左右，豐水年總量超過(guò)100 億m3；武澄錫虞區(qū)在枯水年沿江口門(mén)以引水為主，引水總量在10～15 億m3左右，但平水年全年引江和排江總量基本相當(dāng)，豐水年沿江口門(mén)則以排江為主。從兩區(qū)的水量交換來(lái)看，枯水年武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)，總量為3.64 億m3，平、豐水年仍以湖西區(qū)入武澄錫虞區(qū)為主，但具體研究發(fā)現(xiàn)，兩區(qū)交界的錫溧漕河、錫溧運(yùn)河常年均以倒流入湖西區(qū)為主。

3.2 局部時(shí)段水流運(yùn)動(dòng)

3.2.1 水體流向

從局部時(shí)段研究區(qū)水流流向計(jì)算圖(圖4和圖5)可知，在少雨期，湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū)均以引長(zhǎng)江水為主，湖西區(qū)沿長(zhǎng)江引水水流總體流態(tài)是一部分沿著京杭運(yùn)河向東流入武澄錫虞區(qū)，另一部分水流通過(guò)丹金溧漕河、扁擔(dān)河-孟津河、武宜運(yùn)河往南，最終流入太湖。湖西區(qū)與武澄錫虞區(qū)交界地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)情況來(lái)看，在無(wú)雨或少雨時(shí)段，京杭運(yùn)河總體流向?yàn)楹鲄^(qū)流入武澄錫虞區(qū)，但京杭運(yùn)河以南武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)整體均呈現(xiàn)武澄錫虞區(qū)水流倒流入湖西區(qū)的現(xiàn)象，主要倒流河道為錫溧運(yùn)河和錫溧漕河；同一時(shí)段，當(dāng)湖西區(qū)引長(zhǎng)江水量明顯多于武澄錫虞區(qū)引長(zhǎng)江水量時(shí)，武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)整體呈現(xiàn)從湖西區(qū)流入武澄錫虞區(qū)，但錫溧運(yùn)河和錫溧漕河仍然呈現(xiàn)倒流入湖西區(qū)的狀態(tài)。在少雨時(shí)段，無(wú)錫城區(qū)一般會(huì)實(shí)施調(diào)水引流工程，從北部通江河道引水，通過(guò)城防工程排入京杭運(yùn)河，此外，為改善梅梁湖和五里湖水質(zhì)，無(wú)錫市從梅梁湖泵站引水進(jìn)入五里湖，最終排入京杭運(yùn)河。

圖4 小雨時(shí)段研究區(qū)水流流向示意圖

圖5 多雨時(shí)段研究區(qū)水流流向示意圖

在多雨期，湖西區(qū)仍然以引長(zhǎng)江水為主的時(shí)段，該區(qū)域沿長(zhǎng)江引水水流總體流態(tài)與小雨或無(wú)雨時(shí)段表現(xiàn)基本一致，但武澄錫虞區(qū)則從引長(zhǎng)江水為主轉(zhuǎn)為向長(zhǎng)江排水為主。湖西區(qū)與武澄錫虞區(qū)交界地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)情況來(lái)看，在多雨或大雨時(shí)段，京杭運(yùn)河總體流向?yàn)楹鲄^(qū)流入武澄錫虞區(qū)，京杭運(yùn)河以南武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)以湖西區(qū)流入武澄錫虞區(qū)為主，但錫溧漕河和錫溧運(yùn)河仍然是從武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)。

3.2.2 水量分配

從局部時(shí)段研究區(qū)計(jì)算水量結(jié)果(表4)以及不同時(shí)段日均降雨量和湖西區(qū)的日均引水量、日均入湖量關(guān)系(圖6)可知，湖西區(qū)入湖水量總體明顯多于湖西區(qū)引長(zhǎng)江水量，鑒于少雨時(shí)段產(chǎn)流量較少，分析除湖西區(qū)引江水量以外，其他入湖水量主要來(lái)自于武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)(估測(cè)占比達(dá)到湖西區(qū)入湖水量的1/5)，以及湖西區(qū)內(nèi)部廢污水排放量(估測(cè)占比超過(guò)湖西區(qū)入湖水量的1/5)。

表4 不同時(shí)段研究區(qū)水量分配表 億m3

圖6 不同時(shí)段日均降雨量和湖西區(qū)的日均引水量、日均入湖量分布圖

從湖西區(qū)與武澄錫虞區(qū)的水量交換情況來(lái)看，京杭運(yùn)河以南錫溧運(yùn)河和錫溧漕河從武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)的水量占倒流總量的80%以上，該兩條河均為三級(jí)航道，可見(jiàn)航道對(duì)平原水網(wǎng)地區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)影響較大。

從京杭運(yùn)河沿程水量變化情況(圖7)可知，丹金溧漕河、武宜運(yùn)河對(duì)京杭運(yùn)河的分流作用十分顯著，丹金溧漕河基本分流一半，這與湖西區(qū)2016年12月開(kāi)展的調(diào)水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)成果基本一致[8]，其認(rèn)為丹金溧漕河對(duì)京杭運(yùn)河的分流量超過(guò)40%。運(yùn)河繼續(xù)向東匯集新孟河、德勝河來(lái)水后，水量略有增加，但過(guò)武宜運(yùn)河后，水量再度減少，繼續(xù)向東過(guò)常州城區(qū)，最終到達(dá)洛社斷面時(shí)，水量基本減至奔牛斷面的1/3，但在少雨或無(wú)雨階段，洛社斷面總體水流方向仍是自西向東。

圖7 京杭運(yùn)河沿程斷面過(guò)水量示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，京杭運(yùn)河的洛社站和無(wú)錫站水頭差均較小，分析其原因，認(rèn)為無(wú)錫城區(qū)調(diào)水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭運(yùn)河無(wú)錫站水位，導(dǎo)致京杭運(yùn)河向東泄水不暢，洛社上游段也受到一定頂托，通過(guò)武進(jìn)港、直湖港向南再過(guò)錫溧運(yùn)河、錫溧漕河倒流入湖西區(qū)，最終進(jìn)入太湖。多雨期丹金溧漕河、武宜運(yùn)河對(duì)京杭運(yùn)河的分流作用較小雨或無(wú)雨時(shí)明顯減小，無(wú)錫市城市防洪工程尚未啟用時(shí)，洛社斷面水量最高可達(dá)奔牛斷面水量的1/2，無(wú)錫市城市防洪工程啟用時(shí)，受無(wú)錫城區(qū)排水影響，京杭運(yùn)河水位雍高，運(yùn)河洛社斷面東泄受阻。研究與吳娟等[9]提出的洛社站水位近年來(lái)呈顯著上升趨勢(shì)的結(jié)論相呼應(yīng)。

4 結(jié) 論

(1)太湖上游的湖西平原地區(qū)的總體水流運(yùn)動(dòng)情況是“自西向東、自北向南”，諫壁是湖西區(qū)沿長(zhǎng)江的主要引水口門(mén)，從長(zhǎng)江引水后，一部分水通過(guò)京杭運(yùn)河向東流向武澄錫虞區(qū)，另一部分水過(guò)京杭運(yùn)河繼續(xù)向南流入湖西腹地，進(jìn)而匯入太湖。武澄錫虞區(qū)的總體水流運(yùn)動(dòng)情況與湖西區(qū)類似，呈現(xiàn)“自西向東、自北向南”的流態(tài)。但在枯水年，兩區(qū)之間的水量交換總體表現(xiàn)為武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)。

(2)在少雨期，湖西區(qū)和武澄錫虞區(qū)均以引長(zhǎng)江水為主，湖西區(qū)沿長(zhǎng)江引水水流總體流態(tài)是一部分沿著京杭運(yùn)河向東流入武澄錫虞區(qū)，另一部分水流通過(guò)丹金溧漕河、扁擔(dān)河-孟津河、武宜運(yùn)河往南，最終流入太湖。湖西區(qū)入湖水量明顯多于湖西區(qū)引長(zhǎng)江水量，分析認(rèn)為其他入湖水量主要來(lái)自于武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)(估測(cè)占比達(dá)到湖西區(qū)入湖水量的1/5)，以及湖西區(qū)內(nèi)部廢污水排放量(估測(cè)占比超過(guò)湖西區(qū)入湖水量的1/5)。京杭運(yùn)河以南武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)整體均呈現(xiàn)武澄錫虞區(qū)水流倒流入湖西區(qū)的現(xiàn)象，同一時(shí)段，當(dāng)湖西區(qū)引長(zhǎng)江水量明顯多于武澄錫虞區(qū)引長(zhǎng)江水量時(shí)，武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)整體呈現(xiàn)從湖西區(qū)流入武澄錫虞區(qū)。無(wú)錫城區(qū)調(diào)水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭運(yùn)河無(wú)錫站水位，導(dǎo)致京杭運(yùn)河向東泄水不暢，洛社上游段也受到一定頂托，通過(guò)武進(jìn)港、直湖港向南再過(guò)錫溧運(yùn)河、錫溧漕河倒流入湖西區(qū)，最終進(jìn)入太湖。

(3)多雨或大雨期，湖西區(qū)仍然以引長(zhǎng)江水為主的時(shí)段，湖西區(qū)沿長(zhǎng)江引水水流總體流態(tài)與小雨或無(wú)雨時(shí)段表現(xiàn)基本一致，京杭運(yùn)河總體流向?yàn)楹鲄^(qū)流入武澄錫虞區(qū)，京杭運(yùn)河以南武澄錫虞區(qū)西控制線口門(mén)以湖西區(qū)流入武澄錫虞區(qū)為主，但錫溧漕河和錫溧運(yùn)河仍然是從武澄錫虞區(qū)倒流入湖西區(qū)，需注意航道建設(shè)對(duì)平原河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)的影響。

研究采用典型年的方法通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬得出上述結(jié)論，成果具有一定的局限性，鑒于太湖上游平原河網(wǎng)水系復(fù)雜，實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)較少，水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍需在實(shí)踐中進(jìn)行探索，通過(guò)加密監(jiān)測(cè)斷面以及加大監(jiān)測(cè)力度，獲取更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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