新孟河引水對沿程無閘控支河水動力泥沙特性的影響與修復對策

黃廷杰， 吳 忠， 邵 勇， 陸 彥， 吳 攀

(1.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省太湖治理工程建設管理局， 江蘇 常州 213022)

新孟河屬太湖流域湖西區(qū)沿江水系，新孟河延伸拓浚工程是《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》安排的提高水環(huán)境容量(納污能力)引排工程關鍵實施項目之一，河道全長116.69 km，平水年引長江水入湖水量達到25.2億m3，枯水年流域水資源配置引江入湖水量21.4億m3，100年一遇流域防洪排江水量7.9億m3，對改善太湖西北部水域和上游地區(qū)河湖水環(huán)境具有重要的意義。

1 區(qū)域概況

新孟河延伸拓浚工程設計中長江—北干河段拓寬河道底寬至50～80 m，底高程為-3.0 m(圖1)。該段工程中長江至大運河段沿線兩岸支河口門實施控制，而新孟河穿京杭運河后平地開河至北干河之間的鶴溪河、夏溪河、湟里河等主要支河沒有實施有效控制。支河現(xiàn)狀底寬8～12 m，底高程0～1.8 m。無閘控支河將影響新孟河引水工程運行的穩(wěn)定與工程效益的發(fā)揮，同時引水也將直接影響支河的水動力泥沙過程。為保障新孟河引水后工程有效運行，同時減少引水對支河生境的負面影響，需要探明新孟河引水沿線交無閘控支河交匯河口的水動力泥沙變化過程及其特征，制定有效的修復對策。

圖1 新孟河引水沿線無閘控支河概化圖

2 二維水動力泥沙數(shù)學模型建立與驗證

2.1 控制方程

(1)二維水動力模型

連續(xù)性方程為

(1)

x方向動量方程為

(2)

y方向動量方程為

(3)

式中：h為水深；u為x方向的流速；v為y方向的流速；t為時間；g為重力加速度。

初始條件為二維模型給定各計算網(wǎng)格點上水位、流速初值，即

(4)

(2)二維泥沙輸運模型

在水流模型的基礎上進行泥沙運動數(shù)值模擬，懸移質不平衡輸沙控制方程為

(5)

式中：s為泥沙的含沙量；E為泥沙的沖刷通量；D為泥沙的沉降通量。

泥沙輸運模型采用隱式求解，含沙量定義在單元的中心。在單元i上積分方程(5)有

(6)

2.2 模型建立

在二維河網(wǎng)計算中，河道斷面比較順直，采用矩形網(wǎng)格計算效率較高。而在河口區(qū)域計算中，由于滆湖北側區(qū)域島嶼較多，岸線曲折復雜，采用非結構網(wǎng)格對計算域進行剖分是非常合適的。采用非結構網(wǎng)格剖分計算域，既可以克服矩形網(wǎng)格鋸齒形邊界所造成的流動失真，也可以避免生成有結構貼體曲線網(wǎng)格的復雜計算和其他困難。因此，為了更好地擬合研究區(qū)域的形狀以及島嶼等，采用的網(wǎng)格為三角形與四邊形混合的非結構網(wǎng)格單元組成。

為了更好地反映各支河與新孟河交匯情況、支河入滆湖水沙情況，模型計算區(qū)域進口邊界為界牌樞紐支河口門和扁擔河在京杭運河口門，出口邊界為鶴溪河交新孟河西側匯流、夏溪河交新孟河西側出流、湟里河交新孟河西側出流、北干河交新孟河西側出流、扁擔河、孟津河的匯流，滆湖以及武南河、太滆運河、漕橋河、殷村港、燒香港等出湖河道的出流。此處采用的網(wǎng)格為三角形與四邊形混合的非結構網(wǎng)格單元組成。模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格

2.3 模型驗證

根據(jù)《新孟河初步設計總報告》的設計資料對模型進行驗證(表1～2)，在設計流量下各斷面水位流量為瞬時最大值，只驗證日均引水流量的水位。結果表明，在日均引水流量(Q=320 m3/s)條件下，運河以北段(長江—運河)的入江口斷面(界牌樞紐)、過京杭運河斷面(立交地涵)、南延段(運河—北干河)的3條支河以及北干河斷面計算水位與設計值相差0.10 m以內(nèi)。本研究建立的數(shù)學模型計算水位、流量結果與初設報告結果比較吻合。

表1 水位模型驗證結果

表2 流量模型驗證結果

3 引水對無閘控支河水動力的影響

水動力計算結果表明，新孟河引水后與鶴溪河、夏溪河和湟里河的交匯河口水位平均抬高10～20 cm，但交匯區(qū)域流速明顯增加(表3)。

日均引水流量(Q=320 m3/s)條件下，新孟河沿線與各支河交匯河口西側平均流速為0.14～0.26 m/s，東側平均流速為0.14～0.19 m/s。其中，新孟河沿線與鶴溪河、夏溪河交匯斷面的西側平均流速高于東側，而與湟里河交匯斷面東側平均流速較西側略大(增幅約0.05 m/s)。以新孟河為界，從3條支河與新孟河的交匯地貌和流場分布來看(圖3)。鶴溪河上游流場分布均勻，且水流仍然向下游流動，表明新孟河與鶴溪河上游入?yún)R水流較為平順，且受到新孟河引水影響，上游水流受到頂托作用，造成流速減小。而鶴溪河下游水流受到新孟河截流及引水影響，口門區(qū)域流速分布較為不均，平均流速也較上游減半，這也可能受到下游急彎段水流頂托的影響；夏溪河河型較為平直，與新孟河呈垂直交匯，因此交匯口門兩側流場均有不同程度的擾動，而夏溪河上游水流溯回，表明新孟河分流水流功率大于原河道，下游流場分布較為均勻，上游流速普遍高于下游(小于0.1 m/s)，這可能是受到交匯口門高程影響；湟里河與新孟河交匯區(qū)域恰處于2個連續(xù)彎道段，兩側入?yún)R水流受一定程度彎道阻力的影響，從而使流速減小，口門區(qū)域流場分布也不均勻。但上游水流依然溯回，且上下游流速大小相當，下游受到彎道形態(tài)影響，流場分布較為不均。交匯區(qū)域東側平均流速大于西側，則是由于下游順水流方向入?yún)R，且水流運動軌跡與彎道凹岸深槽相一致。

表3 不同引水條件下新孟河沿線與支河交匯河口斷面平均流速 單位：m/s

圖3 不同引水流量條件下新孟河引水沿線與無閘控支河交匯河口的流速分布

設計引水流量(Q=745 m3/s)條件下，相比日均引水流量，新孟河沿線與各支河交匯河口及上下游河道流速普遍增加，西側平均流速為0.16～0.42 m/s，東側平均流速為0.19～0.25 m/s，各支河交匯河口的流速特征與日均引水流量條件下的流速分布變化又有不同，各交匯河口流速分布不均勻范圍繼續(xù)向兩側擴大，這當然是受到各入?yún)R河口處水流動力增強的緣故。鶴溪河上游段水流溯回，而各支河下游段水流流速分布則基本以河道深槽為界，下游水流順河道入?yún)R與原河道地貌形態(tài)變化相一致。湟里河上游河道流速變化不大，這也可能是由于水位抬升后河道斷面大幅展寬的影響。

另外，新孟河引水后在支河交匯河口的北岸區(qū)域存在低速區(qū)，流速0.1 m/s左右，而交匯處南岸區(qū)域受到來流頂沖，流速較大，流速最高可達到0.5 m/s。水流進入支河后，沿程逐漸恢復為均勻水流。流量不同時，河口段橫斷面的流速分配不均勻程度也不同，日均流量時低速區(qū)域較大，而設計流量下支河口口門區(qū)域斷面流速差異性較小。

4 引水對無閘控支河泥沙輸移的影響

長江水質較好，但含沙量相比各支河河道較大，從新孟河引水干流沿線河道沖淤變化來看(圖4)，河道泥沙總體呈現(xiàn)由快速沉降到緩慢沉降的趨勢，且隨著含沙量增加，沿線泥沙呈現(xiàn)加速沉降趨勢。

圖4 新孟河引水沿線與無閘控支河交匯河口的沖淤分布

新孟河干線從上游向下游主要表現(xiàn)為先淤后沖的趨勢，大部分泥沙淤積在新孟河口至鶴溪河河段。鶴溪河、夏溪河與新孟河引水沿線交匯河口兩側地形受到入?yún)R水流動力較強，且河勢較為平順，因此呈沖刷趨勢。而湟里河與新孟河沿線交匯河口受到兩側彎道形態(tài)影響，口門呈現(xiàn)微淤趨勢，年沖淤幅度約3～9 cm。鶴溪河整體呈現(xiàn)微淤趨勢(約0～3 cm)。各支河上游段以夏溪河淤積程度最高(約6～12 cm)，考慮其水動力條件受到引水后分流影響更強，口門的拓寬也使得上游分沙增大，造成上游普遍淤積，而下游交匯河口高程阻止了更多的分沙進入，河道整體呈現(xiàn)微沖趨勢。隨著泥沙向下游運動并不斷淤積，湟里河與新孟河交匯區(qū)域水體含沙量已經(jīng)大幅下降，彎道地貌形態(tài)阻止了更多的含沙量進入上下游河道，但水流慣性作用繼續(xù)增強，造成上下游河段普遍沖刷(約0～9 cm)。下游新孟河干線沖刷強度則繼續(xù)增大(最大約12 cm)。

由此看來，鶴溪河與夏溪河支河河口底質將從淤泥質基質向粉砂質基底發(fā)展，而湟里河口門的不斷淤積將有可能影響上下游引水，從而影響該河段沿河生態(tài)條件。夏溪河下游及湟里河河道沖刷也會增加兩岸岸坡穩(wěn)固及生態(tài)風險。

5 引水工程交匯河口的修復對策

5.1 岸坡防護

新孟河引水對無閘控支河交匯河口的沖刷直接影響了河岸地質結構的穩(wěn)定性，在今后應特別注意加強對各支河與新孟河沿線交匯河口兩岸及各支河下游右岸岸坡的防護，保障新孟河引水干流通道的暢通。同時，引水后水位上升導致河水對支河岸坡的滲透作用增強，覆蓋植被對岸坡的“錨固”作用被削弱，岸坡穩(wěn)定性下降。

交匯河口的岸坡可采用防護性強、生態(tài)友好型的護坡形式，如生態(tài)護坡磚、鋼絲網(wǎng)格護坡等。生態(tài)護坡磚具有較強的整體性，可采用連鎖式設計，塊體之間拼裝緊密，能抵抗較大流速的沖刷；鋼絲網(wǎng)格采用耐腐蝕、高強度、柔性好的鋼絲編織成網(wǎng)籠，其內(nèi)充填石料而成，具有整體性和透水性好、可適應變形、防水流沖刷等優(yōu)點。兩種護坡形式均可配合覆土和種植耐淹植物[2-3]，營造一定的生態(tài)景觀。

5.2 生態(tài)修復

2018年與2019年分別對交匯河口及支河的生態(tài)環(huán)境進行了全面的調(diào)查，支河沿線河濱帶分布有大片蘆葦、菖蒲、菹草等水生植物。引水后適宜生長環(huán)境上移將使得現(xiàn)有挺水植物部分消亡，新擴展的河岸水深1.0 m區(qū)域內(nèi)將逐漸成為挺水植物的主要分布區(qū)[4]。同時，在支河交匯河口流速增加(可高達0.5 m/s)，對柔性沉水植物可能造成割裂[5]?？煽紤]在支河交匯河口附近營造深潭地形，防止口門泥沙淤積；在交匯口下游的自然岸帶，采用如植物扦插生態(tài)護坡、土工織物草皮護坡、杉木樁護岸等形式，重建河岸帶生境，創(chuàng)造出適宜于水生生物生長的棲息環(huán)境。

6 結 語

新孟河延伸拓浚工程建成后引水將對沿線無閘控連通支河主要帶來水動力泥沙、生態(tài)等方面的影響，同時反過來水動力泥沙和生態(tài)也影響引水工程的穩(wěn)定運行，為此需要提前制定修復對策。水動力泥沙模型研究表明，新孟河引水后將使得無閘控支河水位升高、流速增大，對岸坡穩(wěn)定性和生態(tài)產(chǎn)生影響，需引起足夠重視。建議在無閘控支河與新孟河引水沿線交匯河口及其下游河段進行岸坡防護和生態(tài)修復，保證提高新孟河引水工程效益。