南淝河生態(tài)補水方案研究

譚茜

關(guān)鍵詞：生態(tài)補水；方案；線路；水量；水動力

中圖分類號：X171 文獻標志碼：A

1研究背景

南淝河全長70 km，流域面積1464 km²，為巢湖一級支流。流域自身產(chǎn)水面積小，屬資源性嚴重缺水地區(qū)。為保障城市生活供水和農(nóng)業(yè)灌溉，在上游興建董鋪、大房郢2座大型水庫及眾興、蔡塘、張橋、大官塘4座中型水庫攔蓄徑流，非降雨期間天然徑流補給量少，河道水量大部分來自污水處理廠尾水及城鎮(zhèn)地表徑流，河流生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化。近年來，許多學(xué)者從不同的角度對南淝河水生態(tài)環(huán)境進行了研究。吳睿，賴錫軍，王海燕等利用MIKE11等模型開展水環(huán)境數(shù)值模擬，通過計算水環(huán)境容量、模擬河湖水質(zhì)，提出污染物時空變化特征，從而指導(dǎo)污染防治措施。

水位、水流、水量是維護水生態(tài)環(huán)境的控制要素，也是調(diào)節(jié)水環(huán)境容量的重要途徑。在繼續(xù)提升污水處理效果的同時，利用滁河干渠輸水通道和駟馬山江水西引等工程，在開展了生態(tài)補水現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，通過MIKE11河流水動力模型，研究以南淝河生態(tài)基流改善為重點的補水方案是十分必要的。

2數(shù)據(jù)與方法

南淝河古稱施水，為巢湖一級支流，發(fā)源于長豐、肥西兩縣毗鄰地帶大潛山余脈長崗南麓，東南流向，于施口注入巢湖，全長70 km，流域面積1464km²。南淝河主要一級支流有8條，左岸有四里河、板橋河、史家河、二十埠河（龍?zhí)梁樱?、店埠河、長樂河，右岸有二里河、關(guān)鎮(zhèn)河。（見圖1）

2.1生態(tài)基流計算

南淝河流域無完整的實測流量資料，計算南淝河流域天然徑流量主要根據(jù)最新的董鋪水庫歷年逐月徑流量計算成果，結(jié)合區(qū)歷年域降雨量和流域面積展延計算。按照《水工程規(guī)劃設(shè)計生態(tài)指標與應(yīng)用指導(dǎo)意見》（水利部水規(guī)總院2010.4）中的意見，南淝河處中國南北分界線以南區(qū)域，流量較小，當屬直通湖泊的城市河流，因此計算采用非汛期按多年平均天然徑流量的20%、汛期按多年平均天然徑流量的40%計算作為其推薦的河流生態(tài)基流。基本生態(tài)環(huán)境需水量取天然徑流量的25%，目標生態(tài)環(huán)境需水量取天然徑流量的60%。計算得南淝河多年平均天然徑流量為48566萬m³，生態(tài)基流為16850萬m³／年；其中非汛期2576萬m³／年，汛期14274萬m³／年?；旧鷳B(tài)環(huán)境需水量12141萬m³／年；目標生態(tài)環(huán)境需水量29140萬m³／年。逐年入湖天然徑流量見表1。

2.2水動力模型數(shù)據(jù)來源和計算方法

基于補水試驗觀測成果和河道地形資料等，結(jié)合天然徑流和人河污染量，選擇MIKE模擬軟件，研制、率定和驗證南淝河生態(tài)補水的水動力模型。MIKE 11是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組：

式（1）、式（2）中，日為斷面水位，Q為流量，u為平均流速，g為重力加速度，B為不同高程下的過水寬度，q_L為旁側(cè)入流流量，R為水力半徑，C為謝才（Chezy）系數(shù)，x、t為位置和時間坐標。

2.2.1模型構(gòu)建

研究范圍上游自滁河干渠的板橋河、二十埠河、店埠河分水口起，下游至巢湖，途徑板橋河、二十埠河、店埠河三條線路至南淝河干流，如圖2所示。其中板橋河共計23.5km、二十埠河30.8km、店埠河42.1km、南淝河41.07km。

以現(xiàn)狀南淝河無引水條件為基礎(chǔ)工況，研究對比南淝河生態(tài)補水試驗不同補水方案（線路及水量）對水動力改善效果。模型的外部邊界條件有5個，分別為南淝河上游端的入流、南淝河下游端的巢湖水位、板橋河上游入流、二十埠河上游入流以及店埠河上游入流。內(nèi)部邊界主要包括排污口調(diào)查統(tǒng)計得到的沿岸主要排口入流、沿岸主要污水處理廠尾水排放口入流及補水點人流等。

計算采用南淝河、店埠河等實測河道斷面資料，建立斷面文件，斷面文件主要為每個斷面起始距與河床高程的X-Z數(shù)據(jù)（橫向距離一高程），依據(jù)斷面資料計算斷面的水力學(xué)參數(shù)，為水力計算提供依據(jù)。

2.2.2模型率定驗證

研究利用2019年10月16日，2020年11月10日實施的2次生態(tài)補水現(xiàn)場試驗觀測資料，對構(gòu)建的模型進行率定、驗證。水動力模型的率定參數(shù)為糙率，經(jīng)率定分析，各河段糙率值為：板橋河0.032，二十埠河0.035，店埠河0.031，南淝河上段0.027，中段0.032，下段0.03。

2.2.2.1水位驗證

模型區(qū)域內(nèi)各個站的水位計算值和模擬值比較結(jié)果均較為理想，水位在10.35 m～12. 85 m之間，模擬期間水位較為穩(wěn)定。

2.2.2.2流量驗證

對調(diào)水前和調(diào)水期間的流量分別率定，其中調(diào)水前主要核實枯季流量。調(diào)水前河道內(nèi)僅有污水廠尾水和城市排污口流量，最大流量為13.5 m³/s（繁華大道），其次為6.2m³/s（當涂路橋），其余流量皆小于1m³/s。從模擬與實測對比看，由于總流量不大，個別點位計算結(jié)果絕對誤差偏大，但模型計算結(jié)果總體合理。造成偏差的原因主要是，城市河流量較小，較小的隨機擾動就能造成流量的波動，比如污水廠排放的日內(nèi)不均勻性、排污口隨機排放等。

2.2.2.3模型驗證

基于生態(tài)補水觀測數(shù)據(jù)進行水動力模型的驗證工作，模型主要設(shè)置：（1）上游來水實測流量；（2）驗證點當涂路橋、繁華大道橋?qū)崪y流量。

模擬流量與實測流量的對比如圖3所示。除個別點有跳動誤差外，整體流量趨勢一致，模型能夠較好復(fù)演南淝河的水動力特征。

3補水方案

3.1構(gòu)建原則

生態(tài)補水方案構(gòu)建應(yīng)當遵循以下原則：

（1）促進水體流動性。方案應(yīng)考慮不同方案線路、水量、頻次對河道流態(tài)變化、交換水量及交換過程的影響。

（2）考慮制約條件。方案構(gòu)建受到排污口、水質(zhì)、河道斷面、防洪、航運、社會經(jīng)濟條件等多方面因素的影響。必須同時考慮各種限制因素，使生態(tài)補水方案切實可行。

（3）風(fēng)險綜合控制。水源區(qū).補水線路、受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水資源均會受到一定影響，因此必須在構(gòu)建方案的同時進行風(fēng)險評估與預(yù)測，對方案可能發(fā)生的風(fēng)險進行綜合控制。

3.2補水水量

南淝河河道內(nèi)生態(tài)補水水源主要為淠史杭灌區(qū)棄水和駟馬山江水西調(diào)工程水源，遠期增加引江濟淮水源。合肥市從淠河總干渠多年平均引水量為6.20億m³，其中扣除供城市、農(nóng)業(yè)種植等水量，約有0.75億m³水量可用于河湖生態(tài)環(huán)境補水。駟馬山灌區(qū)江水西調(diào)工程以長江為水源，經(jīng)滁河現(xiàn)有的烏江站、一級站、二級站、三級站，以15 m³/s規(guī)模接入滁河干渠。結(jié)合泵站及河渠引水能力，規(guī)劃工況補水規(guī)模為650～1300萬m³，補水歷時約510天，日均補水量65～130萬m³/d，補水流量10～15m³/s。

3.3補水線路

滁河干渠與南淝河水系有多處連通，為不干擾董鋪、大房郢城市優(yōu)質(zhì)水源，可供選擇的補水線路有三條：（1）從板橋河注入再進入南淝河干流；（2）從二十埠河注入再進入南淝河干流；（3）從店埠河注入再進入南淝河干流。

3.4方案組合

根據(jù)前述方案構(gòu)建原則，將補水線路方案（三條線路）的不同水量方案進行組合，形成規(guī)劃工況下17個不同的生態(tài)補水方案。

預(yù)計在“十四五”末期，經(jīng)完善后，口門過流條件與下游渠道相匹配，且均能滿足15m³/s的過流需求，可分別引長江來水和淠史杭灌區(qū)來水。由于小流量條件下補水效果難以體現(xiàn)，方案以5m³/s為基礎(chǔ)進行組合。另外，根據(jù)實際情況和渠道安全等因素，江水和淠水同時到達補水口門進行補水的可能性幾乎不存在。其中江水補水線路為倒比降且沿程路徑較長，損失較大，規(guī)劃江水水源工況僅考慮最大流量10m³/s，到達最遠端板橋河口門處流量還要適當減小。（見表2）

4模型模擬結(jié)果

三條引水路線引水長度、坡降不同，本節(jié)基于模型計算結(jié)果，統(tǒng)計不同方案下生態(tài)補水到達施口斷面的水力傳播時間。根據(jù)模擬結(jié)果，補水進入巢湖時間最短的為規(guī)劃方案2，從二十埠河補水，補水流量為15 m³/s，進入巢湖時間為4.08天；其次為規(guī)劃方案3，從店埠河補水，補水流量為15m³/s，進入巢湖時間為4.33天；規(guī)劃方案7、12補水進入巢湖的時間相同，均為5.22天；規(guī)劃方案1，從板橋河補水15m³/S進入巢湖的時間為5.42天。（見表3）

5結(jié)束語

南淝河生態(tài)補水方案研究可為主管部門在河湖生態(tài)水量保障等管理工作中，提供補水時機、補水水量、補水線路等決策依據(jù)。南淝河生態(tài)補水規(guī)模與天然降雨條件、沿河截污工程等密切相關(guān)，為科學(xué)確定生態(tài)補水規(guī)模，要充分考慮不同保證率的天然降雨條件和截污工程的實施程度。南淝河補水頻率為一句補水1次，每次補水4天，補水規(guī)模為15m³/s，年補水量為1.8億m³。如遇豐水期或河道生態(tài)條件明顯好轉(zhuǎn)，適當減少補水頻次及補水規(guī)模，遇枯水期或河道生態(tài)條件明顯惡化則增加補水頻次及補水量。沿線反調(diào)節(jié)水庫水量豐沛時，均可相機補充河道生態(tài)流量。生態(tài)補水應(yīng)避開汛期補水以降低防洪壓力，避開干旱年份，以減小生態(tài)用水與生活用水的矛盾。未來可結(jié)合生態(tài)補水觀測數(shù)據(jù)，進一步研究補水對河道水生態(tài)改善效果。