新孟河引水对沿程无闸控支河水动力泥沙特性的影响与修复对策

黄廷杰， 吴 忠， 邵 勇， 陆 彦， 吴 攀

(1.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029； 2.江苏省太湖治理工程建设管理局， 江苏 常州 213022)

新孟河属太湖流域湖西区沿江水系，新孟河延伸拓浚工程是《太湖流域水环境综合治理总体方案》安排的提高水环境容量(纳污能力)引排工程关键实施项目之一，河道全长116.69 km，平水年引长江水入湖水量达到25.2亿m3，枯水年流域水资源配置引江入湖水量21.4亿m3，100年一遇流域防洪排江水量7.9亿m3，对改善太湖西北部水域和上游地区河湖水环境具有重要的意义。

1 区域概况

新孟河延伸拓浚工程设计中长江—北干河段拓宽河道底宽至50～80 m，底高程为-3.0 m(图1)。该段工程中长江至大运河段沿线两岸支河口门实施控制，而新孟河穿京杭运河后平地开河至北干河之间的鹤溪河、夏溪河、湟里河等主要支河没有实施有效控制。支河现状底宽8～12 m，底高程0～1.8 m。无闸控支河将影响新孟河引水工程运行的稳定与工程效益的发挥，同时引水也将直接影响支河的水动力泥沙过程。为保障新孟河引水后工程有效运行，同时减少引水对支河生境的负面影响，需要探明新孟河引水沿线交无闸控支河交汇河口的水动力泥沙变化过程及其特征，制定有效的修复对策。

图1 新孟河引水沿线无闸控支河概化图

2 二维水动力泥沙数学模型建立与验证

2.1 控制方程

(1)二维水动力模型

连续性方程为

(1)

x方向动量方程为

(2)

y方向动量方程为

(3)

式中：h为水深；u为x方向的流速；v为y方向的流速；t为时间；g为重力加速度。

初始条件为二维模型给定各计算网格点上水位、流速初值，即

(4)

(2)二维泥沙输运模型

在水流模型的基础上进行泥沙运动数值模拟，悬移质不平衡输沙控制方程为

(5)

式中：s为泥沙的含沙量；E为泥沙的冲刷通量；D为泥沙的沉降通量。

泥沙输运模型采用隐式求解，含沙量定义在单元的中心。在单元i上积分方程(5)有

(6)

2.2 模型建立

在二维河网计算中，河道断面比较顺直，采用矩形网格计算效率较高。而在河口区域计算中，由于滆湖北侧区域岛屿较多，岸线曲折复杂，采用非结构网格对计算域进行剖分是非常合适的。采用非结构网格剖分计算域，既可以克服矩形网格锯齿形边界所造成的流动失真，也可以避免生成有结构贴体曲线网格的复杂计算和其他困难。因此，为了更好地拟合研究区域的形状以及岛屿等，采用的网格为三角形与四边形混合的非结构网格单元组成。

为了更好地反映各支河与新孟河交汇情况、支河入滆湖水沙情况，模型计算区域进口边界为界牌枢纽支河口门和扁担河在京杭运河口门，出口边界为鹤溪河交新孟河西侧汇流、夏溪河交新孟河西侧出流、湟里河交新孟河西侧出流、北干河交新孟河西侧出流、扁担河、孟津河的汇流，滆湖以及武南河、太滆运河、漕桥河、殷村港、烧香港等出湖河道的出流。此处采用的网格为三角形与四边形混合的非结构网格单元组成。模型网格如图2所示。

图2 模型网格

2.3 模型验证

根据《新孟河初步设计总报告》的设计资料对模型进行验证(表1～2)，在设计流量下各断面水位流量为瞬时最大值，只验证日均引水流量的水位。结果表明，在日均引水流量(Q=320 m3/s)条件下，运河以北段(长江—运河)的入江口断面(界牌枢纽)、过京杭运河断面(立交地涵)、南延段(运河—北干河)的3条支河以及北干河断面计算水位与设计值相差0.10 m以内。本研究建立的数学模型计算水位、流量结果与初设报告结果比较吻合。

表1 水位模型验证结果

表2 流量模型验证结果

3 引水对无闸控支河水动力的影响

水动力计算结果表明，新孟河引水后与鹤溪河、夏溪河和湟里河的交汇河口水位平均抬高10～20 cm，但交汇区域流速明显增加(表3)。

日均引水流量(Q=320 m3/s)条件下，新孟河沿线与各支河交汇河口西侧平均流速为0.14～0.26 m/s，东侧平均流速为0.14～0.19 m/s。其中，新孟河沿线与鹤溪河、夏溪河交汇断面的西侧平均流速高于东侧，而与湟里河交汇断面东侧平均流速较西侧略大(增幅约0.05 m/s)。以新孟河为界，从3条支河与新孟河的交汇地貌和流场分布来看(图3)。鹤溪河上游流场分布均匀，且水流仍然向下游流动，表明新孟河与鹤溪河上游入汇水流较为平顺，且受到新孟河引水影响，上游水流受到顶托作用，造成流速减小。而鹤溪河下游水流受到新孟河截流及引水影响，口门区域流速分布较为不均，平均流速也较上游减半，这也可能受到下游急弯段水流顶托的影响；夏溪河河型较为平直，与新孟河呈垂直交汇，因此交汇口门两侧流场均有不同程度的扰动，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，下游流场分布较为均匀，上游流速普遍高于下游(小于0.1 m/s)，这可能是受到交汇口门高程影响；湟里河与新孟河交汇区域恰处于2个连续弯道段，两侧入汇水流受一定程度弯道阻力的影响，从而使流速减小，口门区域流场分布也不均匀。但上游水流依然溯回，且上下游流速大小相当，下游受到弯道形态影响，流场分布较为不均。交汇区域东侧平均流速大于西侧，则是由于下游顺水流方向入汇，且水流运动轨迹与弯道凹岸深槽相一致。

表3 不同引水条件下新孟河沿线与支河交汇河口断面平均流速 单位：m/s

图3 不同引水流量条件下新孟河引水沿线与无闸控支河交汇河口的流速分布

设计引水流量(Q=745 m3/s)条件下，相比日均引水流量，新孟河沿线与各支河交汇河口及上下游河道流速普遍增加，西侧平均流速为0.16～0.42 m/s，东侧平均流速为0.19～0.25 m/s，各支河交汇河口的流速特征与日均引水流量条件下的流速分布变化又有不同，各交汇河口流速分布不均匀范围继续向两侧扩大，这当然是受到各入汇河口处水流动力增强的缘故。鹤溪河上游段水流溯回，而各支河下游段水流流速分布则基本以河道深槽为界，下游水流顺河道入汇与原河道地貌形态变化相一致。湟里河上游河道流速变化不大，这也可能是由于水位抬升后河道断面大幅展宽的影响。

另外，新孟河引水后在支河交汇河口的北岸区域存在低速区，流速0.1 m/s左右，而交汇处南岸区域受到来流顶冲，流速较大，流速最高可达到0.5 m/s。水流进入支河后，沿程逐渐恢复为均匀水流。流量不同时，河口段横断面的流速分配不均匀程度也不同，日均流量时低速区域较大，而设计流量下支河口口门区域断面流速差异性较小。

4 引水对无闸控支河泥沙输移的影响

长江水质较好，但含沙量相比各支河河道较大，从新孟河引水干流沿线河道冲淤变化来看(图4)，河道泥沙总体呈现由快速沉降到缓慢沉降的趋势，且随着含沙量增加，沿线泥沙呈现加速沉降趋势。

图4 新孟河引水沿线与无闸控支河交汇河口的冲淤分布

新孟河干线从上游向下游主要表现为先淤后冲的趋势，大部分泥沙淤积在新孟河口至鹤溪河河段。鹤溪河、夏溪河与新孟河引水沿线交汇河口两侧地形受到入汇水流动力较强，且河势较为平顺，因此呈冲刷趋势。而湟里河与新孟河沿线交汇河口受到两侧弯道形态影响，口门呈现微淤趋势，年冲淤幅度约3～9 cm。鹤溪河整体呈现微淤趋势(约0～3 cm)。各支河上游段以夏溪河淤积程度最高(约6～12 cm)，考虑其水动力条件受到引水后分流影响更强，口门的拓宽也使得上游分沙增大，造成上游普遍淤积，而下游交汇河口高程阻止了更多的分沙进入，河道整体呈现微冲趋势。随着泥沙向下游运动并不断淤积，湟里河与新孟河交汇区域水体含沙量已经大幅下降，弯道地貌形态阻止了更多的含沙量进入上下游河道，但水流惯性作用继续增强，造成上下游河段普遍冲刷(约0～9 cm)。下游新孟河干线冲刷强度则继续增大(最大约12 cm)。

由此看来，鹤溪河与夏溪河支河河口底质将从淤泥质基质向粉砂质基底发展，而湟里河口门的不断淤积将有可能影响上下游引水，从而影响该河段沿河生态条件。夏溪河下游及湟里河河道冲刷也会增加两岸岸坡稳固及生态风险。

5 引水工程交汇河口的修复对策

5.1 岸坡防护

新孟河引水对无闸控支河交汇河口的冲刷直接影响了河岸地质结构的稳定性，在今后应特别注意加强对各支河与新孟河沿线交汇河口两岸及各支河下游右岸岸坡的防护，保障新孟河引水干流通道的畅通。同时，引水后水位上升导致河水对支河岸坡的渗透作用增强，覆盖植被对岸坡的“锚固”作用被削弱，岸坡稳定性下降。

交汇河口的岸坡可采用防护性强、生态友好型的护坡形式，如生态护坡砖、钢丝网格护坡等。生态护坡砖具有较强的整体性，可采用连锁式设计，块体之间拼装紧密，能抵抗较大流速的冲刷；钢丝网格采用耐腐蚀、高强度、柔性好的钢丝编织成网笼，其内充填石料而成，具有整体性和透水性好、可适应变形、防水流冲刷等优点。两种护坡形式均可配合覆土和种植耐淹植物[2-3]，营造一定的生态景观。

5.2 生态修复

2018年与2019年分别对交汇河口及支河的生态环境进行了全面的调查，支河沿线河滨带分布有大片芦苇、菖蒲、菹草等水生植物。引水后适宜生长环境上移将使得现有挺水植物部分消亡，新扩展的河岸水深1.0 m区域内将逐渐成为挺水植物的主要分布区[4]。同时，在支河交汇河口流速增加(可高达0.5 m/s)，对柔性沉水植物可能造成割裂[5]。可考虑在支河交汇河口附近营造深潭地形，防止口门泥沙淤积；在交汇口下游的自然岸带，采用如植物扦插生态护坡、土工织物草皮护坡、杉木桩护岸等形式，重建河岸带生境，创造出适宜于水生生物生长的栖息环境。

6 结 语

新孟河延伸拓浚工程建成后引水将对沿线无闸控连通支河主要带来水动力泥沙、生态等方面的影响，同时反过来水动力泥沙和生态也影响引水工程的稳定运行，为此需要提前制定修复对策。水动力泥沙模型研究表明，新孟河引水后将使得无闸控支河水位升高、流速增大，对岸坡稳定性和生态产生影响，需引起足够重视。建议在无闸控支河与新孟河引水沿线交汇河口及其下游河段进行岸坡防护和生态修复，保证提高新孟河引水工程效益。