谭茜
关键词：生态补水；方案；线路；水量；水动力
中图分类号：X171 文献标志码：A
1研究背景
南淝河全长70 km，流域面积1464 km2，为巢湖一级支流。流域自身产水面积小，属资源性严重缺水地区。为保障城市生活供水和农业灌溉，在上游兴建董铺、大房郢2座大型水库及众兴、蔡塘、张桥、大官塘4座中型水库拦蓄径流，非降雨期间天然径流补给量少，河道水量大部分来自污水处理厂尾水及城镇地表径流，河流生态系统严重退化。近年来，许多学者从不同的角度对南淝河水生态环境进行了研究。吴睿，赖锡军，王海燕等利用MIKE11等模型开展水环境数值模拟，通过计算水环境容量、模拟河湖水质，提出污染物时空变化特征，从而指导污染防治措施。
水位、水流、水量是维护水生态环境的控制要素，也是调节水环境容量的重要途径。在继续提升污水处理效果的同时，利用滁河干渠输水通道和驷马山江水西引等工程，在开展了生态补水现场试验的基础上，通过MIKE11河流水动力模型，研究以南淝河生态基流改善为重点的补水方案是十分必要的。
2数据与方法
南淝河古称施水，为巢湖一级支流，发源于长丰、肥西两县毗邻地带大潜山余脉长岗南麓，东南流向，于施口注入巢湖，全长70 km，流域面积1464km2。南淝河主要一级支流有8条，左岸有四里河、板桥河、史家河、二十埠河（龙塘河）、店埠河、长乐河，右岸有二里河、关镇河。（见图1）
2.1生态基流计算
南淝河流域无完整的实测流量资料，计算南淝河流域天然径流量主要根据最新的董铺水库历年逐月径流量计算成果，结合区历年域降雨量和流域面积展延计算。按照《水工程规划设计生态指标与应用指导意见》（水利部水规总院2010.4）中的意见，南淝河处中国南北分界线以南区域，流量较小，当属直通湖泊的城市河流，因此计算采用非汛期按多年平均天然径流量的20%、汛期按多年平均天然径流量的40%计算作为其推荐的河流生态基流。基本生态环境需水量取天然径流量的25%，目标生态环境需水量取天然径流量的60%。计算得南淝河多年平均天然径流量为48566万m3，生态基流为16850万m3／年；其中非汛期2576万m3／年，汛期14274万m3／年。基本生态环境需水量12141万m3／年；目标生态环境需水量29140万m3／年。逐年入湖天然径流量见表1。
2.2水动力模型数据来源和计算方法
基于补水试验观测成果和河道地形资料等，结合天然径流和人河污染量，选择MIKE模拟软件，研制、率定和验证南淝河生态补水的水动力模型。MIKE 11是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组：
式（1）、式（2）中，日为断面水位，Q为流量，u为平均流速，g为重力加速度，B为不同高程下的过水宽度，qL为旁侧入流流量，R为水力半径，C为谢才（Chezy）系数，x、t为位置和时间坐标。
2.2.1模型构建
研究范围上游自滁河干渠的板桥河、二十埠河、店埠河分水口起，下游至巢湖，途径板桥河、二十埠河、店埠河三条线路至南淝河干流，如图2所示。其中板桥河共计23.5km、二十埠河30.8km、店埠河42.1km、南淝河41.07km。
以现状南淝河无引水条件为基础工况，研究对比南淝河生态补水试验不同补水方案（线路及水量）对水动力改善效果。模型的外部边界条件有5个，分别为南淝河上游端的入流、南淝河下游端的巢湖水位、板桥河上游入流、二十埠河上游入流以及店埠河上游入流。内部边界主要包括排污口调查统计得到的沿岸主要排口入流、沿岸主要污水处理厂尾水排放口入流及补水点人流等。
计算采用南淝河、店埠河等实测河道断面资料，建立断面文件，断面文件主要为每个断面起始距与河床高程的X-Z数据（横向距离一高程），依据断面资料计算断面的水力学参数，为水力计算提供依据。
2.2.2模型率定验证
研究利用2019年10月16日，2020年11月10日实施的2次生态补水现场试验观测资料，对构建的模型进行率定、验证。水动力模型的率定参数为糙率，经率定分析，各河段糙率值为：板桥河0.032，二十埠河0.035，店埠河0.031，南淝河上段0.027，中段0.032，下段0.03。
2.2.2.1水位验证
模型区域内各个站的水位计算值和模拟值比较结果均较为理想，水位在10.35 m～12. 85 m之间，模拟期间水位较为稳定。
2.2.2.2流量验证
对调水前和调水期间的流量分别率定，其中调水前主要核实枯季流量。调水前河道内仅有污水厂尾水和城市排污口流量，最大流量为13.5 m3/s（繁华大道），其次为6.2m3/s（当涂路桥），其余流量皆小于1m3/s。从模拟与实测对比看，由于总流量不大，个别点位计算结果绝对误差偏大，但模型计算结果总体合理。造成偏差的原因主要是，城市河流量较小，较小的随机扰动就能造成流量的波动，比如污水厂排放的日内不均匀性、排污口随机排放等。
2.2.2.3模型验证
基于生态补水观测数据进行水动力模型的验证工作，模型主要设置：（1）上游来水实测流量；（2）验证点当涂路桥、繁华大道桥实测流量。
模拟流量与实测流量的对比如图3所示。除个别点有跳动误差外，整体流量趋势一致，模型能够较好复演南淝河的水动力特征。
3补水方案
3.1构建原则
生态补水方案构建应当遵循以下原则：
（1）促进水体流动性。方案应考虑不同方案线路、水量、频次对河道流态变化、交换水量及交换过程的影响。
（2）考虑制约条件。方案构建受到排污口、水质、河道断面、防洪、航运、社会经济条件等多方面因素的影响。必须同时考虑各种限制因素，使生态补水方案切实可行。
（3）风险综合控制。水源区.补水线路、受水区的生态环境、水资源均会受到一定影响，因此必须在构建方案的同时进行风险评估与预测，对方案可能发生的风险进行综合控制。
3.2补水水量
南淝河河道内生态补水水源主要为淠史杭灌区弃水和驷马山江水西调工程水源，远期增加引江济淮水源。合肥市从淠河总干渠多年平均引水量为6.20亿m3，其中扣除供城市、农业种植等水量，约有0.75亿m3水量可用于河湖生态环境补水。驷马山灌区江水西调工程以长江为水源，经滁河现有的乌江站、一级站、二级站、三级站，以15 m3/s规模接入滁河干渠。结合泵站及河渠引水能力，规划工况补水规模为650～1300万m3，补水历时约510天，日均补水量65～130万m3/d，补水流量10～15m3/s。
3.3补水线路
滁河干渠与南淝河水系有多处连通，为不干扰董铺、大房郢城市优质水源，可供选择的补水线路有三条：（1）从板桥河注入再进入南淝河干流；（2）从二十埠河注入再进入南淝河干流；（3）从店埠河注入再进入南淝河干流。
3.4方案组合
根据前述方案构建原则，将补水线路方案（三条线路）的不同水量方案进行组合，形成规划工况下17个不同的生态补水方案。
预计在“十四五”末期，经完善后，口门过流条件与下游渠道相匹配，且均能满足15m3/s的过流需求，可分别引长江来水和淠史杭灌区来水。由于小流量条件下补水效果难以体现，方案以5m3/s为基础进行组合。另外，根据实际情况和渠道安全等因素，江水和淠水同时到达补水口门进行补水的可能性几乎不存在。其中江水补水线路为倒比降且沿程路径较长，损失较大，规划江水水源工况仅考虑最大流量10m3/s，到达最远端板桥河口门处流量还要适当减小。（见表2）
4模型模拟结果
三条引水路线引水长度、坡降不同，本节基于模型计算结果，统计不同方案下生态补水到达施口断面的水力传播时间。根据模拟结果，补水进入巢湖时间最短的为规划方案2，从二十埠河补水，补水流量为15 m3/s，进入巢湖时间为4.08天；其次为规划方案3，从店埠河补水，补水流量为15m3/s，进入巢湖时间为4.33天；规划方案7、12补水进入巢湖的时间相同，均为5.22天；规划方案1，从板桥河补水15m3/S进入巢湖的时间为5.42天。（见表3）
5结束语
南淝河生态补水方案研究可为主管部门在河湖生态水量保障等管理工作中，提供补水时机、补水水量、补水线路等决策依据。南淝河生态补水规模与天然降雨条件、沿河截污工程等密切相关，为科学确定生态补水规模，要充分考虑不同保证率的天然降雨条件和截污工程的实施程度。南淝河补水频率为一句补水1次，每次补水4天，补水规模为15m3/s，年补水量为1.8亿m3。如遇丰水期或河道生态条件明显好转，适当减少补水频次及补水规模，遇枯水期或河道生态条件明显恶化则增加补水频次及补水量。沿线反调节水库水量丰沛时，均可相机补充河道生态流量。生态补水应避开汛期补水以降低防洪压力，避开干旱年份，以减小生态用水与生活用水的矛盾。未来可结合生态补水观测数据，进一步研究补水对河道水生态改善效果。
