流域生态水文的研究展望（太湖流域长江边界水文特性研究）

摘 要：

太湖流域长江边界是长江下游镇江市至上海市的一段河道，全长311.6 km,属感潮河段，是太湖流域平原河网的外边界，深刻影响着太湖流域水资源调配。为明确该河段水文特征，支撑流域水量调度方案，采用一维水动力模拟方法，选取Mike11水动力模型，利用实测水文数据率定和验证，证明了模型模拟精度。基于大通水文站长系列流量，选取了丰、平、枯典型年，并对应到了近年有实测潮位资料的年份，主要计算22个太湖流域河网入长江口门的水位过程，典型年份计算结果显示径流对太湖流域长江边界水位影响更大。同时，选取不同典型年径流与实测潮位组合成不利计算情景，结果显示在入海流量较小、潮汐作用较大的情况下，边界全段潮差较大、高潮位均较高，易发生咸潮入侵；入海流量大、潮汐作用也大的情况下，边界水位抬升明显。

关键词：

太湖流域长江边界;感潮河段;径潮作用;年最高潮位;一维水动力模型;

作者简介：

唐兵(1988—),男，硕士，主要从事水利规划工作。

基金：

国家重点研发计划课题(2016YFC0401506);

引用：

唐兵，肖昌虎，黄金凤，等． 太湖流域长江边界水文特性研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 2) : 52-59.

TANG Bing，XIAO Changhu，HUANG Jinfeng，et al． Hydrological characteristics of the Yangtze Ｒiver boundary of Taihu Basin［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 2) : 52-59.

0 引 言

太湖流域位于长三角的核心地区，经济发达，城市密布，流域内有国家中心城市上海，大中城市苏州、杭州、无锡、常州、嘉兴、镇江及湖州等。随着近年来长三角一体划发展上升为国家战略，太湖流域迎来了高质量发展的关键机遇，新形势下对流域水量调配提出了更高的要求，今后一段时间内，对复杂平原河网进行一些精细化的水资源联合调度是应对太湖流域复杂水问题、实现流域水资源优化配置、保障水安全的关键。然而，面对太湖流域复杂的水系结构及复杂的长江外边界条件，如何实现精细化的水量、水质调度，是未来需解决的重要问题。太湖流域主要河流均汇入长江边界，受潮汐顶托作用影响，水流在此区域表现为往复流，河流流向、流速随时间和空间变化明显，深刻影响该流域水资源调配。本文针对太湖流域长江边界，研究其水文特征，特别是受潮汐影响下的水位变化规律，可为今后太湖流域水资源联合调度的研究提供重要基础。

太湖流域长江边界是从镇江市上游至上海市的一段长江干流，边界右岸沿长江江堤长311.6 km, 其中江苏段207.2 km, 上海段104.4 km, 沿边界分布的众多口门可引长江水补充太湖流域水量，也可外排流域内洪水，太湖流域内水资源状况与其长江边界有着重要的关联。太湖流域长江边界以徐六泾为界，下游为长江口河口区，河势更加复杂，一般需采用二维、准三维或三维模型进行模拟分析，同时需考虑风[6]、温度等因素。因此，本研究对徐六泾以上河段采用一维水动力模型分析，徐六泾以下河段则采用实测插值的方法。一维水动力模型涉及口门和重点断面22处，分别为京口闸、谏壁闸、新孟河枢纽、浦河闸、魏村枢纽、澡港枢纽、桃花闸(新河闸)、利港闸、申港闸、新沟闸、新夏港闸、江阴闸(定波闸)、白屈港枢纽、张家港闸、太子圩港闸、十一圩闸、走马塘江边枢纽、福山闸、常熟枢纽、常熟海洋径闸、浒浦闸、徐六泾。

太湖流域长江边界属感潮河段，上游镇江河段在洪水期处于潮区界范围内，枯水期处于潮流界范围内,受潮汐作用明显，径流和潮流在此区域共同作用，咸水与淡水此消彼长。以往研究成果表明，该河段的水文特征受径流、潮汐、河势、气候气象、海平面变化的共同作用，其中径流与潮汐是最主要的影响因子，并基于此提出了大量的经验模型和水动力模型。但大多研究集中在海洋与河流之间的物质交换和各自流态特征，对太湖流域河流入长江河口水文特征的细化研究较少，长江对太湖流域水资源的影响仍不十分明确。因此本文收集了太湖流域长江边界入河口门的基本参数，采用一维水动力模型和插值研究口门水文特点，分析不同水情下口门水文规律，可满足当前太湖流域水量调配的紧迫要求，为未来感潮河段与区域水资源调配的耦合研究提供借鉴。

1 模型构建

1.1 模拟模型选择

长江大通以下干流河段地势平坦，河道宽阔，流路曲折，河流横向断面水位、流量相对差别较小。鉴于MIKE11模型在一维非恒定流数值模拟方面的强大功能，且已在国内的一些大型水利水文工程中广泛应用，如：上海苏州河治理、淮河流域水质管理与应用、北京南沙河流域管理与规划、松辽流域水资源管理系统、上海市主要河流调水方案的水质影响分析，以及温瑞塘河河网水质模型研究等。因此本研究采用MIKE11模型建立长江大通以下干流水动力数学模型。模型采用Abbott六点隐式格式来对圣维南方程组进行数值求解，模拟水文特征值(水位和流量),基本原理如下。

式中，Q为河流断面径流量(m3/s);x为沿水流方向的距离(m);t为时间(s);A为过水断面面积(m2);q为单位河段长度的旁侧入流量，包括均匀旁侧入量和集中旁侧入量(m2/s);α为动量校正系数；K为流量模数；g为重力加速度(m2/s)。

1.2 模型构建

考虑到感潮河段的潮区界位于大通水文站附近，不出现往复流，宜作为模型上游边界。徐六泾以下属河口段，河槽分汊多变，宜以徐六泾作为下游。因此本研究模型模拟范围为长江大通—徐六泾河段，约500 km。为准确构建水动力模型，需要详实的内外边界条件以及河道地形数据。本次建模收集了大通水文站长系列流量资料，徐六泾水文站长系列水位资料，大通—徐六泾河段典型年的引排资料，能够详尽地反映边界内外条件。模型的初始条件一般为计算初始的水位或水深，模型将模拟时段初始水位实测值设定为初始条件。

1.2.1 河网概化

长江大通以下河网水系复杂，两岸汇入的支流较多，如图1所示，左岸主要有土桥河、风凰颈、裕溪河、石跋河、驻马河、老江口、大运河等汇入长江，右岸主要有大通河、荻港河，九华河、青弋江、水阳江、漳河、古溪河、清江、秦淮河、龙潭河、便民河、南运河，丹徒河等汇入长江。

图1 河网断面分布示意

若将各支流作为单一河道列入河网文件参与计算，工作量会很大，甚至无法满足计算机硬件及运算时间的要求。为提高计算效率，减少工作量，有必要对各支流进行概化处理。概化的基本原则是要真实反映干流河道的基本水动力特性，且概化后的干流河道在输水和调蓄能力上必须与实际河道尽量保持基本一致。长江大通以下各支流的数量虽然众多，但流量与长江干流相比很小，而且有些支流上游已建闸，对长江大通以下干流的输水和调蓄影响极小。因此，长江大通以下干流河网文件可概化为单一河道，将各支流作为干流河道点源处理。

1.2.2 断面情况

模型建立所需的长江干流河道断面数据采用实测河道断面地形资料，选用50个断面建立模型河道断面数据文件。断面间距在7～19 km之间，仅3组断面之间间距超过15 km, 平均间距10.6 km。典型断面如图2所示。

图2 沿江主要断面形状示意

1.3 模型率定与验证

1.3.1 模型率定

水动力模型的参数率定、验证过程主要是调整水动力参数文件中的河道糙率。糙率是衡量河床边壁粗糙程度对水流运动影响并进行相应水文分析的一个重要系数，天然河道的糙率的确定很复杂，实际情况与很多影响因素有关，如河床砂、砾石粒径的大小和组成，河道断面形状的不规则性，河道的弯曲程度，沙地上的草木，河槽的冲积以及河道中设置的人工建筑物等。因此，采用实测资料率定的方法得到水动力参数。

考虑模型计算稳定性与计算时间的要求，时间步长设定为10 min。以大通站水位日实测值和徐六泾流量实测日过程为率定条件(大通站流量和徐六泾水位为模型计算边界条件)。率定时间从2005年1月1日至6月30日，共26 064步。通过调整河道各段糙率值，使大通站水位和徐六泾流量模拟值与实测值尽量一致。图3和图4分别为模型参数率定后大通站水位模拟值和徐六泾流量模拟值与实测值对比结果，通过对比结果可以看出，率定时段大通站水位模拟值和徐六泾流量模拟值与实测过程较一致，二者吻合度良好，计算实测与模拟值均方根误差为0.5。调整糙率，计算不同糙率下实测与模拟值的均方根误差，糙率分别增大、缩小10%和20%计算所得均方根误差如图5所示，证明糙率选择是合理的。

图3 大通水文站处(率定时段)水位模拟值与实测值比较

图4 徐六泾水文站处(率定时段)流量模拟值与实测值比较

图5 模型率定敏感性分析

1.3.2 模型验证

模型验证是指在不再对模型率定过程中已经确定了的河道断面、糙率系数等设定参数作进一步改变和调整的前提下，将其他时段的流量、水位边界条件及初始水位输入模型，对模型的适应性、可靠性和有效性进行检验。基于上述考虑，选用2005年7月1日至12月31日为模拟时段对模型进行验证。图6和图7分别为模型验证时段大通站水位模拟值和徐六泾流量模拟值与实测值对比结果，通过对比结果可以看出，验证时段大通站水位模拟值和徐六泾流量模拟值与实测过程较一致，二者吻合度良好。

图6 大通水文站处(验证时段)水位模拟值与实测值比较

图7 徐六泾水文站处(验证时段)流量模拟值与实测值比较

通过模型率定与验证，结果表明所建长江大通以下一维水动力模型能够反映大通至徐六泾河段的水文水动力特征，能进一步应用于长江大通以下干流河段不同来水和潮汐条件、不同引水和排水情况下，对主要口门水文特征的分析。

1.3.3 典型年选取

大通水文站，作为中下游最后一级流量站，实测资料系列较长，测验精度较高，受长江口的潮汐影响微弱，选取大通水文站作为本次典型年选择的主要依据站。根据资料系列排频，25%丰水年采用1989年典型；50%平水年采用1981年典型；75%枯水年采用1985年典型；95%特枯水年采用1972年典型。

为更好分析三峡工程运行后所产生的的影响，在三峡工程运行后2003—2015年共13年的情况中选择了与各典型年流量相近的年份作为对照。对应关系分别为丰水年(1989年和2012年);平水年(1981年和2005年);枯水年(1985年和2008年);特枯水年(1972年和2011年)。

1.3.4 计算数据与方案

根据长江干流来水条件和不同外海潮汐条件拟定计算方案，选择入流典型丰水年(2012年)、平水年(2005年)、枯水年(2008年)和特枯年(2011年)。潮汐资料选择2003—2013年长系列资料。在此基础上，将不同年径流、潮汐组合成不利工况。将计算方案分为2类共7个方案，如表1所列。

实际发生情景。计算各典型年(25%、50%、75%、95%)实际情况下的水文状况，采用实测流量与潮位。

不利情景。考虑3种不利情景：(1)考虑长江干流下游水资源与地区的用水需求存在着严重矛盾的时期主要是枯水期，特别是枯水年的枯水期，当潮汐作用较弱时，水位条件更加不利，将p=95%来水与低潮位外江条件组合，代表取水不利情景1,即方案5。(2)考虑长江来水较小，口外潮汐作用强烈时将容易引发咸潮入侵，将p=95%来水与最高潮差年组合，代表不利情景2,即方案6。(3)考虑长江来水较大，同时潮汐作用强烈，河段水位可能过高不利于引水，将25%的来水与最高潮位年组合，代表不利情景3,即方案7。

进一步分析不利情景下游潮位边界的选取，2003—2013年间最大年潮差发生在2012年，最大平均年潮差为2013年，但这两年相差不大，而2012年平均高潮位是历年来最高，因此选取2012年为不利潮差情景，可作为方案6的潮位边界条件。2003—2013年间最大年最高潮位发生在2005年，明显高于其他年份，年最低潮位、年平均低潮位均较高，平均高潮位处于多年平均水平，因此选择2005年为年潮位最高年作为方案7边界条件。2003—2013年间年最高潮位最小值出现在2011年，相比其他年份，其年最低潮位、年平均高潮位、年平均低潮位值均较小，因此以2011年潮汐代表统计年潮位最低年。2011年潮位与2011年流量组合为方案5,方案5与方案4相同。

2 结果分析

2.1 不同典型年计算结果

经过模型计算，加入五号沟实测数据分析不同典型年潮差沿河变化如图8所示，选取边界起始、末端为谏壁、五号闸两个口门，以及利港、十一圩和钱泾三个口门，位置如图1所示，口门分布较为均匀，可以看出沿着太湖流域长江边界，越向下游，潮差越大，证明潮汐作用越向下游越明显，太湖流域长江边界上边界潮差在0.6～1.4 m之间，下边界在2.5～3 m之间。同时可以看出，潮汐作用在各典型年之间变异性较小，且越往下游年际差异越小。

图8 各典型站潮差统计值

选择平均高潮位、平均低潮位两个指标评价不同典型年的水位变化，如图9与图10所示，结果表现出较好的一致性，各典型年结果均显示越向上游平均高潮位、平均低潮位越高，但不同典型年也表现处一些差异。如图9所示，来水量越丰的年份，平均高潮位越高，且沿程潮位变化越大(水面坡降越陡),如丰水年2012年谏壁闸处水位比特枯水年平均高潮位大0.68 m, 五号沟处水位比特枯水年高潮位大0.13 m。整体上，太湖流域长江边界平均高潮位在1.65～2.95 m之间，在特枯水年平均高潮位在1.55～2.26 m之间。如图10所示，各典型年平均低潮位年际变化小于平均高潮位，这与潮差表现出的规律极为相似，可进一步推论，平均低潮位与潮汐作用更加相关。这可以通过2005年的统计数据进一步证明：2005年虽是平水年，但潮汐年内波动较大，高于其他3个典型年，而平均低潮位沿程变化幅度明显高于其他3个典型年。

图9 不同典型年下各站平均高潮位值

图10 不同典型年下各站平均低潮位值

2.2 不利工况计算结果

工况6和工况7的计算结果分别对应不利情景2和不利情景3。不利工况2可代表潮汐作用强、径流较小的极端情况，方案将p=95%来水与最高潮差年组合，即2011年来水与2012年潮位组合，潮差计算结果如图11所示，可以看出，当长江干流来水较小，口外潮汐作用强烈时，水位在十一圩处发生突变，进一步分析，由于来水较小，径流作用明显，加上河势原因，在十一圩附近产生较大的潮汐作用，潮汐作用明显高于河段其他部分，平均高潮位高于其上游，形成了明显的咸潮入侵趋势。本方案计算结果具有重要参考价值，即潮差作用强烈，径流较弱时，太湖流域长江边界潮差在0.99～2.99 m之间，其中十一圩附近潮差达到了2.77 m, 五号沟潮差达到了2.99 m, 超过了典型年计算成果最大值。应作为太湖流域水量调配需考虑的重要边界。

图11 方案6年最高潮位

不利情景3可代表长江来水较大、潮汐作用强烈造成河段水位抬升的不利情况，方案将25%的来水与最高潮位年组合，即2012年来水与2005年潮位组合，年平均高潮位均高于典型年计算工况，高潮位在1.87～3.07 m之间，高于典型年高潮位最高值0.03～0.32 m, 年最高潮位达到了3.31～5.92 m, 结果如图12所示。太湖流域长江边界下游部分，年平均低潮位与典型年计算工况近似，在太湖流域长江边界上游部分，年平均低潮位高于典型年计算成果，在谏壁附近，高于典型年计算成果最高值0.27 m。通过本方案计算，该河段在强径流与强潮汐共同作用下，河段整体水位抬升，其中感潮河段上游抬升更加明显。

图12 方案7年最高潮位

3 结 论

太湖流域长江边界属感潮河段，受径流潮流、人类活动、气候变化影响，水文状况复杂，本文通过搜集部分站点长系列、典型年历史资料，采用一维水动力模拟的方法，考虑沿江取水，求得了太湖流域长江边界22个主要口门的长系列水文数据，对太湖流域长江边界的水文特性进行了初步分析。分典型年和不利工况分别拟定了计算方案。典型年结果显示，径流对水面线影响更大，来水越丰，年平均高潮位越高，且沿程潮位变化越大(水面坡降越陡);潮差大小与来水丰枯无关，不同来水情况下同一断面年平均潮差基本相同，越向下游，潮差越大，但越往上游，潮差年际变幅越大，越接近外海，潮差年际变幅越小。不利工况计算结果显示，在径流量小、潮汐作用弱的情况下，太湖流域长江边界上段受径流影响水位稳定，下段受潮流影响波动较大；在流量小、潮汐作用大的情况下，受潮流影响易发生咸潮入侵，潮流可影响至十一圩附近；在流量大、潮流作用大的情况下，潮流受径流制约，影响范围比小流量情况略小，但河道整体水位受径流影响，抬升明显。通过典型年和不利工况的分析，基本明确了太湖流域长江边界的水文特征，特别是各口门处的水位(潮位)变化规律。可以进一步指导流域水量调度方案的制定，形成太湖流域完善的水量调度方案。本文根据实测资料，选取典型年分析太湖流域长江边界的水文特性，但边界受人类活动、气候变化的影响，水文特征仍会发生持续变化。

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水利水电技术（中英文）

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