江河湖連通的太湖上游河網水流運動規律探索

蔡 梅，李 琛，李勇濤，劉增賢，徐天奕

(太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434)

河湖水系是水資源的載體，是社會經濟發展的重要支撐。江河湖緊密連通的水網地區因其獨特的自然地理特征，水系十分復雜，隨著經濟的快速發展，部分地區的自然河網水系受到人類的強烈干擾，水流運動更加無序，導致水系功能退化，水安全問題愈加突出。因此，對復雜江河湖地區的水流運動規律進行探索，是保障自然-人工復合水網體系的有效運轉和維持，從而保障區域水安全的重要基礎[1,2]。

太湖流域是長江入海之前的沖積平原，江串河，河連湖，水系縱橫交錯，湖泊星羅棋布，流域獨特的平原河網為流域經濟社會發展提供了良好的水利條件。近年來，隨著城鎮化快速發展導致下墊面急劇變化，流域水文形勢發生了較大變化，且隨著二輪治太水利工程的建設及實施運用，流域內各區域的河網水系結構及水流運動特征更加復雜，特別是上游湖西區和武澄錫虞區，受太湖水環境保護的要求，以及區域內各城市為改善水環境開展的調水引流影響，兩區之間、區域與長江、太湖的水量交換成為太湖水環境綜合治理新的焦點[3]。本文以湖西區和武澄錫虞區為主要研究對象，采用數值模擬的方法，研究該區域水流運動的規律及水量交換特征，以期為太湖流域的綜合治理及管理提供科學依據和基礎支撐。

1 區域水系及水利工程概況

湖西區根據地形及水流情況，可分為運河水系、洮滆水系和南河水系三大水系。其中，北部運河水系是以京杭運河為骨干河道，通過京杭運河、九曲河、新孟河等溝通長江。中部洮滆水系主要由山區河道承接西部茅山及丹陽、金壇一帶高地來水，經由湟里河、北干河、中干河等河道入洮、滆湖調節，經太滆運河、殷村港等河道入太湖。南部南河水系，發源于宜溧山區和茅山山區，以南河為干流，經溧陽、宜興匯集兩岸來水經西氿、東氿，由城東港及附近諸港入太湖。三大水系間有南北向河道丹金溧漕河、扁擔河、武宜運河等聯結，形成南北東西相通的平原水網。區域主要水利工程包括沿長江控制工程，內部有丹金閘樞紐以及部分圩區控制工程[4]。

武澄錫虞區水系以京杭運河為界，分成京杭運河北部和南部兩部分，京杭運河自西向東貫穿區域。京杭運河北部地區以南北向通江河道為主，具有較好的引排水條件；東西向河道與通江河道相連，匯集區域來水排入長江。京杭運河以南北向入湖河道為主。區域主要水利工程包括沿長江控制工程、常州市、無錫市城市防洪工程、武澄錫虞區與湖西區交界的西控制線工程、入湖控制工程及區域相關圩區工程[5]。研究區骨干水系分布如圖1所示。

圖1 研究區骨干水系分布示意圖

2 研究方法

2.1 數學模型及模擬精度

本研究采用太湖流域水量水質數學模型開展研究，該模型在綜合分析太湖流域平原河網特點的基礎上，根據水文、水動力學等原理建立模型，模擬流域平原河網地區水流運動。模型系統包括降雨徑流模型、河網水量模型、廢水負荷模型、河網水質模型、太湖湖流模型和太湖湖區水質模型6個子模型，其邏輯關系如圖2所示。該模型系統已經相關部門評審鑒定，并在流域水資源綜合規劃、流域水量分配方案及相關技術論證等工作中得到檢驗[6]。目前，該模型概化的下墊面、取排水等信息以2016年為主[7]，為驗證模型計算精度，本研究采用2016年實測水雨情進行測試，限于篇幅，本文僅給出了太湖、王母觀(湖西區主要代表站)、無錫(武澄錫虞區主要代表站)水位過程線如圖3所示。可以看出，代表站水位計算過程與實測數據趨勢一致，模型模擬精度較高，可以較好的模擬研究區水流運動情況。

圖2 太湖流域水量水質數學模型基本架構示意圖

2.2 情景設計

選擇枯水年2013年、平水年2012年、豐水年2016年全面模擬區域總體流動情況。為避免初始條件對模型計算的影響，研究在選用不同典型年進行全年模擬計算的基礎上，選擇局部時段分析水流運動規律。模型中主要概化的水利工程包括湖西區、武澄錫虞區沿長江控制線、武澄錫虞西控制線、城市防洪工程、圩區工程及其他區域重要水利工程，工程調度依據《太湖流域洪水與水量調度方案》、《太湖流域引江濟太調度方案》、《蘇南運河區域洪澇聯合調度方案》以及鎮江、常州、無錫引清調水方案等進行模擬。

2.2.1 典型年

2013年流域年降水量1 067 mm，較常年偏少10%，降水頻率66%，接近于中等干旱年份，7-8月用水高峰期降水頻率達到94%。2012年流域年降水量1 341 mm，較常年偏多13%，降水頻率為12%，汛期5-9月降水頻率38%，接近中等偏豐年份。2016年流域年降水量1 792 mm，較常年偏多47%，位列1951年以來第一位，太湖水位達到僅次于1999年的歷史次高水位。

2.2.2 局部時段

為排除降雨的影響，選擇枯水年2013年3月26日-5月3日、平水年2012年5月31日-6月24日以及豐水年2016年2月7日-3月7日作為典型分析時段，研究少降雨期間，沿長江引水在湖西區及武澄錫虞區內部的水流運動及水量交換情況，具體時段特征見表1。

表1 小雨時段主要特征

考慮降雨的影響，選擇枯水年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日以及豐水年2016年5月20-31日作為典型時段，分析多雨時段，湖西區及武澄錫虞區的水流運動及水量交換情況，具體時段特征見表2。

表2 多雨或大雨時段主要特征

3 研究結果

3.1 總體水量平衡

由計算結果(表3)可知，湖西平原地區(5 m等高線以下地區)的總體水流運動情況是“自西向東、自北向南”，諫壁是湖西區沿長江的主要引水口門，從長江引水后，一部分水通過京杭運河向東流向武澄錫虞區，另一部分水過京杭運河繼續向南流入湖西腹地，進而匯入太湖。武澄錫虞區的總體水流運動情況與湖西區類似，呈現“自西向東、自北向南”的流態。

表3 研究區域水量平衡表 億m3

從不同典型年來看，枯水年湖西區的水量平衡總體表現為從長江引水、山丘區來水、區域內退水及從武澄錫虞區倒流水體進入太湖，武澄錫虞區的水量平衡總體表現為，從長江和太湖引水，一部分倒流入湖西區入湖，另一部分向東進入望虞河，以及通過京杭運河進入下游地區。平水年湖西區的水量平衡總體表現為從長江引水、山丘區來水及區域內退水，一部分進入太湖，另一部分進入武澄錫虞區，武澄錫虞區的水量平衡總體表現為，從湖西區來水和太湖引水，少部分排入長江，大部分排入望虞河及下游區域。豐水年湖西區的水量平衡總體表現與平水年一致，但較平水年2012年長江引水量大幅減少，武澄錫虞區的水量平衡總體表現為，上游湖西區來水與本地產水匯集后，北向長江排水、南向太湖排水，東向望虞河及下游地區排水。

平、枯水年，湖西區沿江引水(扣除排水量，下同)和本地降雨產水基本相當，總量在20～30 億m3左右，豐水年則以本地產水為主要來水；湖西區入太湖水量總體略超過沿江引水和本地產水總量，平、枯水年總量在60～70 億m3左右，豐水年總量超過100 億m3；武澄錫虞區在枯水年沿江口門以引水為主，引水總量在10～15 億m3左右，但平水年全年引江和排江總量基本相當，豐水年沿江口門則以排江為主。從兩區的水量交換來看，枯水年武澄錫虞區倒流入湖西區，總量為3.64 億m3，平、豐水年仍以湖西區入武澄錫虞區為主，但具體研究發現，兩區交界的錫溧漕河、錫溧運河常年均以倒流入湖西區為主。

3.2 局部時段水流運動

3.2.1 水體流向

從局部時段研究區水流流向計算圖(圖4和圖5)可知，在少雨期，湖西區和武澄錫虞區均以引長江水為主，湖西區沿長江引水水流總體流態是一部分沿著京杭運河向東流入武澄錫虞區，另一部分水流通過丹金溧漕河、扁擔河-孟津河、武宜運河往南，最終流入太湖。湖西區與武澄錫虞區交界地區水流運動情況來看，在無雨或少雨時段，京杭運河總體流向為湖西區流入武澄錫虞區，但京杭運河以南武澄錫虞區西控制線口門整體均呈現武澄錫虞區水流倒流入湖西區的現象，主要倒流河道為錫溧運河和錫溧漕河；同一時段，當湖西區引長江水量明顯多于武澄錫虞區引長江水量時，武澄錫虞區西控制線口門整體呈現從湖西區流入武澄錫虞區，但錫溧運河和錫溧漕河仍然呈現倒流入湖西區的狀態。在少雨時段，無錫城區一般會實施調水引流工程，從北部通江河道引水，通過城防工程排入京杭運河，此外，為改善梅梁湖和五里湖水質，無錫市從梅梁湖泵站引水進入五里湖，最終排入京杭運河。

圖4 小雨時段研究區水流流向示意圖

圖5 多雨時段研究區水流流向示意圖

在多雨期，湖西區仍然以引長江水為主的時段，該區域沿長江引水水流總體流態與小雨或無雨時段表現基本一致，但武澄錫虞區則從引長江水為主轉為向長江排水為主。湖西區與武澄錫虞區交界地區水流運動情況來看，在多雨或大雨時段，京杭運河總體流向為湖西區流入武澄錫虞區，京杭運河以南武澄錫虞區西控制線口門以湖西區流入武澄錫虞區為主，但錫溧漕河和錫溧運河仍然是從武澄錫虞區倒流入湖西區。

3.2.2 水量分配

從局部時段研究區計算水量結果(表4)以及不同時段日均降雨量和湖西區的日均引水量、日均入湖量關系(圖6)可知，湖西區入湖水量總體明顯多于湖西區引長江水量，鑒于少雨時段產流量較少，分析除湖西區引江水量以外，其他入湖水量主要來自于武澄錫虞區倒流入湖西區(估測占比達到湖西區入湖水量的1/5)，以及湖西區內部廢污水排放量(估測占比超過湖西區入湖水量的1/5)。

表4 不同時段研究區水量分配表 億m3

圖6 不同時段日均降雨量和湖西區的日均引水量、日均入湖量分布圖

從湖西區與武澄錫虞區的水量交換情況來看，京杭運河以南錫溧運河和錫溧漕河從武澄錫虞區倒流入湖西區的水量占倒流總量的80%以上，該兩條河均為三級航道，可見航道對平原水網地區的水流運動影響較大。

從京杭運河沿程水量變化情況(圖7)可知，丹金溧漕河、武宜運河對京杭運河的分流作用十分顯著，丹金溧漕河基本分流一半，這與湖西區2016年12月開展的調水試驗監測成果基本一致[8]，其認為丹金溧漕河對京杭運河的分流量超過40%。運河繼續向東匯集新孟河、德勝河來水后，水量略有增加，但過武宜運河后，水量再度減少，繼續向東過常州城區，最終到達洛社斷面時，水量基本減至奔牛斷面的1/3，但在少雨或無雨階段，洛社斷面總體水流方向仍是自西向東。

圖7 京杭運河沿程斷面過水量示意圖

研究發現，京杭運河的洛社站和無錫站水頭差均較小，分析其原因，認為無錫城區調水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭運河無錫站水位，導致京杭運河向東泄水不暢，洛社上游段也受到一定頂托，通過武進港、直湖港向南再過錫溧運河、錫溧漕河倒流入湖西區，最終進入太湖。多雨期丹金溧漕河、武宜運河對京杭運河的分流作用較小雨或無雨時明顯減小，無錫市城市防洪工程尚未啟用時，洛社斷面水量最高可達奔牛斷面水量的1/2，無錫市城市防洪工程啟用時，受無錫城區排水影響，京杭運河水位雍高，運河洛社斷面東泄受阻。研究與吳娟等[9]提出的洛社站水位近年來呈顯著上升趨勢的結論相呼應。

4 結 論

(1)太湖上游的湖西平原地區的總體水流運動情況是“自西向東、自北向南”，諫壁是湖西區沿長江的主要引水口門，從長江引水后，一部分水通過京杭運河向東流向武澄錫虞區，另一部分水過京杭運河繼續向南流入湖西腹地，進而匯入太湖。武澄錫虞區的總體水流運動情況與湖西區類似，呈現“自西向東、自北向南”的流態。但在枯水年，兩區之間的水量交換總體表現為武澄錫虞區倒流入湖西區。

(2)在少雨期，湖西區和武澄錫虞區均以引長江水為主，湖西區沿長江引水水流總體流態是一部分沿著京杭運河向東流入武澄錫虞區，另一部分水流通過丹金溧漕河、扁擔河-孟津河、武宜運河往南，最終流入太湖。湖西區入湖水量明顯多于湖西區引長江水量，分析認為其他入湖水量主要來自于武澄錫虞區倒流入湖西區(估測占比達到湖西區入湖水量的1/5)，以及湖西區內部廢污水排放量(估測占比超過湖西區入湖水量的1/5)。京杭運河以南武澄錫虞區西控制線口門整體均呈現武澄錫虞區水流倒流入湖西區的現象，同一時段，當湖西區引長江水量明顯多于武澄錫虞區引長江水量時，武澄錫虞區西控制線口門整體呈現從湖西區流入武澄錫虞區。無錫城區調水引流工程和梅梁湖泵站引水抬高了京杭運河無錫站水位，導致京杭運河向東泄水不暢，洛社上游段也受到一定頂托，通過武進港、直湖港向南再過錫溧運河、錫溧漕河倒流入湖西區，最終進入太湖。

(3)多雨或大雨期，湖西區仍然以引長江水為主的時段，湖西區沿長江引水水流總體流態與小雨或無雨時段表現基本一致，京杭運河總體流向為湖西區流入武澄錫虞區，京杭運河以南武澄錫虞區西控制線口門以湖西區流入武澄錫虞區為主，但錫溧漕河和錫溧運河仍然是從武澄錫虞區倒流入湖西區，需注意航道建設對平原河網水流運動的影響。

研究采用典型年的方法通過數學模型模擬得出上述結論，成果具有一定的局限性，鑒于太湖上游平原河網水系復雜，實測斷面數據較少，水流運動規律仍需在實踐中進行探索，通過加密監測斷面以及加大監測力度，獲取更多實測數據進一步驗證。

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