江河湖连通的太湖上游河网水流运动规律探索

蔡 梅，李 琛，李勇涛，刘增贤，徐天奕

(太湖流域管理局水利发展研究中心，上海 200434)

河湖水系是水资源的载体，是社会经济发展的重要支撑。江河湖紧密连通的水网地区因其独特的自然地理特征，水系十分复杂，随着经济的快速发展，部分地区的自然河网水系受到人类的强烈干扰，水流运动更加无序，导致水系功能退化，水安全问题愈加突出。因此，对复杂江河湖地区的水流运动规律进行探索，是保障自然-人工复合水网体系的有效运转和维持，从而保障区域水安全的重要基础[1,2]。

太湖流域是长江入海之前的冲积平原，江串河，河连湖，水系纵横交错，湖泊星罗棋布，流域独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水利条件。近年来，随着城镇化快速发展导致下垫面急剧变化，流域水文形势发生了较大变化，且随着二轮治太水利工程的建设及实施运用，流域内各区域的河网水系结构及水流运动特征更加复杂，特别是上游湖西区和武澄锡虞区，受太湖水环境保护的要求，以及区域内各城市为改善水环境开展的调水引流影响，两区之间、区域与长江、太湖的水量交换成为太湖水环境综合治理新的焦点[3]。本文以湖西区和武澄锡虞区为主要研究对象，采用数值模拟的方法，研究该区域水流运动的规律及水量交换特征，以期为太湖流域的综合治理及管理提供科学依据和基础支撑。

1 区域水系及水利工程概况

湖西区根据地形及水流情况，可分为运河水系、洮滆水系和南河水系三大水系。其中，北部运河水系是以京杭运河为骨干河道，通过京杭运河、九曲河、新孟河等沟通长江。中部洮滆水系主要由山区河道承接西部茅山及丹阳、金坛一带高地来水，经由湟里河、北干河、中干河等河道入洮、滆湖调节，经太滆运河、殷村港等河道入太湖。南部南河水系，发源于宜溧山区和茅山山区，以南河为干流，经溧阳、宜兴汇集两岸来水经西氿、东氿，由城东港及附近诸港入太湖。三大水系间有南北向河道丹金溧漕河、扁担河、武宜运河等联结，形成南北东西相通的平原水网。区域主要水利工程包括沿长江控制工程，内部有丹金闸枢纽以及部分圩区控制工程[4]。

武澄锡虞区水系以京杭运河为界，分成京杭运河北部和南部两部分，京杭运河自西向东贯穿区域。京杭运河北部地区以南北向通江河道为主，具有较好的引排水条件；东西向河道与通江河道相连，汇集区域来水排入长江。京杭运河以南北向入湖河道为主。区域主要水利工程包括沿长江控制工程、常州市、无锡市城市防洪工程、武澄锡虞区与湖西区交界的西控制线工程、入湖控制工程及区域相关圩区工程[5]。研究区骨干水系分布如图1所示。

图1 研究区骨干水系分布示意图

2 研究方法

2.1 数学模型及模拟精度

本研究采用太湖流域水量水质数学模型开展研究，该模型在综合分析太湖流域平原河网特点的基础上，根据水文、水动力学等原理建立模型，模拟流域平原河网地区水流运动。模型系统包括降雨径流模型、河网水量模型、废水负荷模型、河网水质模型、太湖湖流模型和太湖湖区水质模型6个子模型，其逻辑关系如图2所示。该模型系统已经相关部门评审鉴定，并在流域水资源综合规划、流域水量分配方案及相关技术论证等工作中得到检验[6]。目前，该模型概化的下垫面、取排水等信息以2016年为主[7]，为验证模型计算精度，本研究采用2016年实测水雨情进行测试，限于篇幅，本文仅给出了太湖、王母观(湖西区主要代表站)、无锡(武澄锡虞区主要代表站)水位过程线如图3所示。可以看出，代表站水位计算过程与实测数据趋势一致，模型模拟精度较高，可以较好的模拟研究区水流运动情况。

图2 太湖流域水量水质数学模型基本架构示意图

2.2 情景设计

选择枯水年2013年、平水年2012年、丰水年2016年全面模拟区域总体流动情况。为避免初始条件对模型计算的影响，研究在选用不同典型年进行全年模拟计算的基础上，选择局部时段分析水流运动规律。模型中主要概化的水利工程包括湖西区、武澄锡虞区沿长江控制线、武澄锡虞西控制线、城市防洪工程、圩区工程及其他区域重要水利工程，工程调度依据《太湖流域洪水与水量调度方案》、《太湖流域引江济太调度方案》、《苏南运河区域洪涝联合调度方案》以及镇江、常州、无锡引清调水方案等进行模拟。

2.2.1 典型年

2013年流域年降水量1 067 mm，较常年偏少10%，降水频率66%，接近于中等干旱年份，7-8月用水高峰期降水频率达到94%。2012年流域年降水量1 341 mm，较常年偏多13%，降水频率为12%，汛期5-9月降水频率38%，接近中等偏丰年份。2016年流域年降水量1 792 mm，较常年偏多47%，位列1951年以来第一位，太湖水位达到仅次于1999年的历史次高水位。

2.2.2 局部时段

为排除降雨的影响，选择枯水年2013年3月26日-5月3日、平水年2012年5月31日-6月24日以及丰水年2016年2月7日-3月7日作为典型分析时段，研究少降雨期间，沿长江引水在湖西区及武澄锡虞区内部的水流运动及水量交换情况，具体时段特征见表1。

表1 小雨时段主要特征

考虑降雨的影响，选择枯水年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日以及丰水年2016年5月20-31日作为典型时段，分析多雨时段，湖西区及武澄锡虞区的水流运动及水量交换情况，具体时段特征见表2。

表2 多雨或大雨时段主要特征

3 研究结果

3.1 总体水量平衡

由计算结果(表3)可知，湖西平原地区(5 m等高线以下地区)的总体水流运动情况是“自西向东、自北向南”，谏壁是湖西区沿长江的主要引水口门，从长江引水后，一部分水通过京杭运河向东流向武澄锡虞区，另一部分水过京杭运河继续向南流入湖西腹地，进而汇入太湖。武澄锡虞区的总体水流运动情况与湖西区类似，呈现“自西向东、自北向南”的流态。

表3 研究区域水量平衡表 亿m3

从不同典型年来看，枯水年湖西区的水量平衡总体表现为从长江引水、山丘区来水、区域内退水及从武澄锡虞区倒流水体进入太湖，武澄锡虞区的水量平衡总体表现为，从长江和太湖引水，一部分倒流入湖西区入湖，另一部分向东进入望虞河，以及通过京杭运河进入下游地区。平水年湖西区的水量平衡总体表现为从长江引水、山丘区来水及区域内退水，一部分进入太湖，另一部分进入武澄锡虞区，武澄锡虞区的水量平衡总体表现为，从湖西区来水和太湖引水，少部分排入长江，大部分排入望虞河及下游区域。丰水年湖西区的水量平衡总体表现与平水年一致，但较平水年2012年长江引水量大幅减少，武澄锡虞区的水量平衡总体表现为，上游湖西区来水与本地产水汇集后，北向长江排水、南向太湖排水，东向望虞河及下游地区排水。

平、枯水年，湖西区沿江引水(扣除排水量，下同)和本地降雨产水基本相当，总量在20～30 亿m3左右，丰水年则以本地产水为主要来水；湖西区入太湖水量总体略超过沿江引水和本地产水总量，平、枯水年总量在60～70 亿m3左右，丰水年总量超过100 亿m3；武澄锡虞区在枯水年沿江口门以引水为主，引水总量在10～15 亿m3左右，但平水年全年引江和排江总量基本相当，丰水年沿江口门则以排江为主。从两区的水量交换来看，枯水年武澄锡虞区倒流入湖西区，总量为3.64 亿m3，平、丰水年仍以湖西区入武澄锡虞区为主，但具体研究发现，两区交界的锡溧漕河、锡溧运河常年均以倒流入湖西区为主。

3.2 局部时段水流运动

3.2.1 水体流向

从局部时段研究区水流流向计算图(图4和图5)可知，在少雨期，湖西区和武澄锡虞区均以引长江水为主，湖西区沿长江引水水流总体流态是一部分沿着京杭运河向东流入武澄锡虞区，另一部分水流通过丹金溧漕河、扁担河-孟津河、武宜运河往南，最终流入太湖。湖西区与武澄锡虞区交界地区水流运动情况来看，在无雨或少雨时段，京杭运河总体流向为湖西区流入武澄锡虞区，但京杭运河以南武澄锡虞区西控制线口门整体均呈现武澄锡虞区水流倒流入湖西区的现象，主要倒流河道为锡溧运河和锡溧漕河；同一时段，当湖西区引长江水量明显多于武澄锡虞区引长江水量时，武澄锡虞区西控制线口门整体呈现从湖西区流入武澄锡虞区，但锡溧运河和锡溧漕河仍然呈现倒流入湖西区的状态。在少雨时段，无锡城区一般会实施调水引流工程，从北部通江河道引水，通过城防工程排入京杭运河，此外，为改善梅梁湖和五里湖水质，无锡市从梅梁湖泵站引水进入五里湖，最终排入京杭运河。

图4 小雨时段研究区水流流向示意图

图5 多雨时段研究区水流流向示意图

在多雨期，湖西区仍然以引长江水为主的时段，该区域沿长江引水水流总体流态与小雨或无雨时段表现基本一致，但武澄锡虞区则从引长江水为主转为向长江排水为主。湖西区与武澄锡虞区交界地区水流运动情况来看，在多雨或大雨时段，京杭运河总体流向为湖西区流入武澄锡虞区，京杭运河以南武澄锡虞区西控制线口门以湖西区流入武澄锡虞区为主，但锡溧漕河和锡溧运河仍然是从武澄锡虞区倒流入湖西区。

3.2.2 水量分配

从局部时段研究区计算水量结果(表4)以及不同时段日均降雨量和湖西区的日均引水量、日均入湖量关系(图6)可知，湖西区入湖水量总体明显多于湖西区引长江水量，鉴于少雨时段产流量较少，分析除湖西区引江水量以外，其他入湖水量主要来自于武澄锡虞区倒流入湖西区(估测占比达到湖西区入湖水量的1/5)，以及湖西区内部废污水排放量(估测占比超过湖西区入湖水量的1/5)。

表4 不同时段研究区水量分配表 亿m3

图6 不同时段日均降雨量和湖西区的日均引水量、日均入湖量分布图

从湖西区与武澄锡虞区的水量交换情况来看，京杭运河以南锡溧运河和锡溧漕河从武澄锡虞区倒流入湖西区的水量占倒流总量的80%以上，该两条河均为三级航道，可见航道对平原水网地区的水流运动影响较大。

从京杭运河沿程水量变化情况(图7)可知，丹金溧漕河、武宜运河对京杭运河的分流作用十分显著，丹金溧漕河基本分流一半，这与湖西区2016年12月开展的调水试验监测成果基本一致[8]，其认为丹金溧漕河对京杭运河的分流量超过40%。运河继续向东汇集新孟河、德胜河来水后，水量略有增加，但过武宜运河后，水量再度减少，继续向东过常州城区，最终到达洛社断面时，水量基本减至奔牛断面的1/3，但在少雨或无雨阶段，洛社断面总体水流方向仍是自西向东。

图7 京杭运河沿程断面过水量示意图

研究发现，京杭运河的洛社站和无锡站水头差均较小，分析其原因，认为无锡城区调水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭运河无锡站水位，导致京杭运河向东泄水不畅，洛社上游段也受到一定顶托，通过武进港、直湖港向南再过锡溧运河、锡溧漕河倒流入湖西区，最终进入太湖。多雨期丹金溧漕河、武宜运河对京杭运河的分流作用较小雨或无雨时明显减小，无锡市城市防洪工程尚未启用时，洛社断面水量最高可达奔牛断面水量的1/2，无锡市城市防洪工程启用时，受无锡城区排水影响，京杭运河水位雍高，运河洛社断面东泄受阻。研究与吴娟等[9]提出的洛社站水位近年来呈显著上升趋势的结论相呼应。

4 结 论

(1)太湖上游的湖西平原地区的总体水流运动情况是“自西向东、自北向南”，谏壁是湖西区沿长江的主要引水口门，从长江引水后，一部分水通过京杭运河向东流向武澄锡虞区，另一部分水过京杭运河继续向南流入湖西腹地，进而汇入太湖。武澄锡虞区的总体水流运动情况与湖西区类似，呈现“自西向东、自北向南”的流态。但在枯水年，两区之间的水量交换总体表现为武澄锡虞区倒流入湖西区。

(2)在少雨期，湖西区和武澄锡虞区均以引长江水为主，湖西区沿长江引水水流总体流态是一部分沿着京杭运河向东流入武澄锡虞区，另一部分水流通过丹金溧漕河、扁担河-孟津河、武宜运河往南，最终流入太湖。湖西区入湖水量明显多于湖西区引长江水量，分析认为其他入湖水量主要来自于武澄锡虞区倒流入湖西区(估测占比达到湖西区入湖水量的1/5)，以及湖西区内部废污水排放量(估测占比超过湖西区入湖水量的1/5)。京杭运河以南武澄锡虞区西控制线口门整体均呈现武澄锡虞区水流倒流入湖西区的现象，同一时段，当湖西区引长江水量明显多于武澄锡虞区引长江水量时，武澄锡虞区西控制线口门整体呈现从湖西区流入武澄锡虞区。无锡城区调水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭运河无锡站水位，导致京杭运河向东泄水不畅，洛社上游段也受到一定顶托，通过武进港、直湖港向南再过锡溧运河、锡溧漕河倒流入湖西区，最终进入太湖。

(3)多雨或大雨期，湖西区仍然以引长江水为主的时段，湖西区沿长江引水水流总体流态与小雨或无雨时段表现基本一致，京杭运河总体流向为湖西区流入武澄锡虞区，京杭运河以南武澄锡虞区西控制线口门以湖西区流入武澄锡虞区为主，但锡溧漕河和锡溧运河仍然是从武澄锡虞区倒流入湖西区，需注意航道建设对平原河网水流运动的影响。

研究采用典型年的方法通过数学模型模拟得出上述结论，成果具有一定的局限性，鉴于太湖上游平原河网水系复杂，实测断面数据较少，水流运动规律仍需在实践中进行探索，通过加密监测断面以及加大监测力度，获取更多实测数据进一步验证。

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