高速鐵路特大橋建設對湖泊水環境影響的綜合模擬研究

摘要：高速鐵路是國家重要基礎交通設施，在各地經濟發展中起到重要作用。隨著我國高速鐵路交通網的完善，呈快速增長的特點。由于高速鐵路施工環境復雜，加上交通需求可能需要跨越多處地表以及水體，在施工過程中很可能造成湖泊水環境的污染，影響水生物多樣性以及生態環境。湖泊由于環境相對閉合且水流速度緩慢，在高鐵施工中容易受到影響。因此，文章主要針對高鐵特大橋建設對湖泊水環境影響進行綜合模擬，希望對相關工作提供指導。

關鍵詞：高速鐵路特大橋建設;湖泊水環境;綜合模擬

中圖分類號：X820 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-000-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.004

Comprehensive simulation study on the impact of high-speed railway bridge construction on lake water environment

Fu Jinchao

（Guohong Municipal Engineering Construction Co.，Ltd.，Sanya Hainan 572000，China）

Abstract：High-speed railway is an important national infrastructure transportation facility， which plays an important role in the economic development of various regions.With the improvement of my countrys high-speed railway transportation network，it is showing rapid growth. Due to the complex construction environment of high-speed railways and the need for transportation to cross multiple ground and water bodies， the construction process is likely to cause pollution of the lake water environment，affecting water biodiversity and ecological environment. Due to the relatively closed environment and slow water flow， the lake is easily affected during the construction of high-speed rail. Therefore， the article mainly aims at the comprehensive simulation of the impact of the construction of high-speed railway bridge on the lake water environment.

Key words：High-speed railway bridge construction;Lake water environment;Comprehensive simulation

高速鐵路修建對于協調地區經濟發展、優化產業結構等方面具有重要意義。但在發展過程中也要重視其對生態環境的影響，需要最大程度地避免高速鐵路特大橋建設對湖泊水環境的影響，確保經濟發展與生態環境相適應，這是目前需要解決的重要問題。

1 湖泊水環境保護的重要性

湖泊是重要的水源，為人們提供各種各樣的生態產品與服務，包括生活用水、工業用水、洪水調度、漁業養殖、娛樂休閑等。但是由于其形態相對閉合且水流速度慢的特點使得其容易被環境改變所影響[1]。高速鐵路特大橋建設過程中出現無法繞開湖泊的情況時，需要盡可能做好各種保護措施，避免湖泊水環境被破壞。

2 基于GIS模型選擇與參數修正

湖底地形的改變會對水體流場造成較大的影響，斜形底湖泊與碟形底湖泊所形成的流場在垂向方面有著明顯的差異。根據相關水動力學研究指出，地形是決定湖泊流場結構與強度的重要因素，對湖泊內藻類、水質以及物質轉移等因素有直接影響[2]。常規物理模型試驗很難反映進出口水湖泊流場特點，主要是由于湖泊水流速度小，因此，采取引水降污的方法，由此可見，進出水口對湖泊流場具有較大的影響。雖然有學者使用水電比模擬試驗對流場形態展開觀察，實驗中的出水量與進水量保持一致，但是由于實際流場存在蒸發與滲漏的情況，因此，需要對出水口流量進行適當的調整，不然會導致實驗結果產生誤差[3]。總體來說，湖底地形以及進出水量對于模型計算具有較大的影響。

湖底地形作為模型的重要參數，需要充分進行判斷，但是由于實際調查難度大，需要尋找計算精度高且關聯性強的方法。GIS技術能夠以數字信息反映離散與連續的自然事物，并以網格與矢量的方式顯示[4]。使用GIS以及配套軟件對湖底地形以及進出水量進行分析是一個比較好的方法。本次研究中使用LOCAL MORAN's I指數模型，其是目前空間分析最常用的模型，主要是用于局部與全局自相關分析，GIS系統中的空間統計分析功能可使用該模型進行分析計算[5]。在可視化數據庫中找到數字地形圖之后選擇相應的區域、單位以及精度之后，將數據導入GIS軟件，數字地圖主要是以網格數據形式儲存，并且對于不同湖泊地形，可以以數字形式進行空間分析。

以吞吐型湖泊為例，此類湖泊具有河道眾多的特點，水面比較小，因此對河岸的沖擊力也較小，需要以流量-時間開邊界的方式進行動力學模擬，同時需要進行進出水流量的修正。根據進出水量相關記錄，本次研究采用SWAT模型，其融合了多種模型的部分優點，在近些年來得到推廣使用，主要是利用GPS系統以及RS系統提供的不同水文環境理化變化過程，包括水量、水質、污染物轉移與轉化的過程[6]。最新的SWAT2009模型改進了細菌運移模塊、天氣預測情景模擬、土壤含水量或植被蒸散發的函數、植被過濾帶模型以及當地污水系統的建模，具有較好的應用價值。因此，在導入DEM數據之后可以將湖泊分為多個子流域，并對子流域覆蓋地面、土壤類型進行統一劃分，計算水平衡參數。

3 不同施工方案下湖泊水懸浮固體濃度場值模擬

實際施工過程中需要考慮到水源水質、底泥施放、污染物吸附以及降解等因素，而這些因素對于生活與工業用水、農業生產活動等方面造成影響，導致問題更加復雜[7]。根據高速鐵路特大橋實際施工情況，本文對湖泊水懸浮固體濃度場值進行分析，并基本忽略底泥施放、污染物吸附與講解等因素，僅考慮污染物在湖泊中的對流與輸移狀況，具體方程為：

其中Dx、Dy為水平擴散系數，C為污染物濃度，vx、vy代表x，y方向流速，S為源強濃度。

某高鐵特大橋湖泊中若按照建設墩為200個，每個墩共有10個樁來算，需要1個月完成1個墩，施工過程中鉆孔樁產生的泥漿總量約為148521m3。棧橋施工泥漿泄漏量如表1所示。根據棧橋施工特點來看，其對湖泊水質的影響是持續的。根據上述公式計算發現，湖泊水中懸浮固體濃度最高為0.0175kg/m3。

對于圍堰施工情況模擬主要是使用GIS系統模擬，經過模擬發現雖然施工附近區域懸浮物分布相對均勻，但是由于分地段施工以及陸地作業過程中與水體保持分離狀態，因此，對施工較遠湖區的影響較低，但是施工下游湖區的影響較高。選擇距離橋墩垂直方向上下距離300m同一點進行分析，比較不同施工方法對湖泊水懸浮固體濃度場值的影響，詳見表2。

從表2中可了解，圍堰施工法與棧橋施工法相比，對湖泊水懸浮固體濃度場值的影響更小，因此，在跨湖泊高速鐵路特大橋修建時，可以采用圍堰法進行施工。圍堰施工法主要是采取了分段式施工方法，在施工過程中水體流場不會被完全截斷，有利于水體生物的遷移，并且能夠加速污染物的稀釋。同時圍堰施工中陸地作業不會對水體造成污染影響。而棧橋施工全過程都需要與水體接觸，導致施工過程中任何階段都可能對水體泥沙濃度造成影響，導致湖泊水懸浮固體濃度場值要高于圍堰施工法。

總而言之，圍堰施工法在高速鐵路特大橋施工中具有較好的應用效果，在施工中為了避免渾水對湖泊養殖業的影響，會在施工60m區域設置圍欄，并且后期路上作業不需要與水體接觸，因此，對湖泊水懸浮固體濃度場值的影響更小，更加符合綠色施工的要求。

4 水生物監測

生物監測是環境監測的重要方法，與理化監測相比，更加能夠直觀的反映污染物對水體生物多樣性的影響，具有操作簡單、實用且可行性高的優勢。水生生物中不同種類生物的數量比在一定程度上能夠反映水體污染程度，例如：黃藻、甲藻數量少，但綠藻數量多，說明已經出現污染的情況，反之，則說明水質改善;同時甲殼類生物中橈足類與枝角類對環境污染的耐受度較低，此類生物數量減少，這說明環境污染加重。因此，可以通過采集不同時間段水生物數量與分布狀況的變化，能夠觀察水體污染程度的變化。

通過模擬發現，在圍堰拆除前水生物平均物種數量在10.5種，浮游動物豐富度與圍堰采樣距離指數為0.046（P<0.05），由此可見，距離圍堰越遠，浮油動物豐富度明顯升高，這說明圍堰修建對于水生動物有一定的影響;在拆除圍堰后，水生物平均物種數量為11.6種，可以看到水生物平均物種明顯增多，這說明在圍堰拆除之后物種多樣性明顯升高。

5 結束語

隨著我國交通網絡的快速完善，高鐵建設數量也在不斷增多，帶動了地區經濟的發展。但是在遇到無法繞過的湖泊時，高鐵大橋修建必不可免的對環境造成了一定的影響，因此，需要通過綜合模擬選擇更加環保的施工方案，減少高鐵大橋修建對水環境的影響。本次研究通過模擬發現圍堰施工法對湖泊水環境的影響更小，更加符合現代綠色環保施工理念的要求，可以推廣使用。

參考文獻

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[4]劉濤.高速鐵路橋梁鉆孔灌注樁施工對水環境的影響及預防對策[J].低碳世界，2017（25）：226-227.

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[7]張翼.水源敏感區域高速公路工程中水環境保護技術的綜合應用[J].湖南交通科技，2017，43（3）：106-109，200.

收稿日期：2020-09-11

作者簡介：符勁超（1980-），男，漢族，本科學歷，環境工程高級工程師，研究方向為環境保護、水質與水體自凈。