高速鐵路特大橋建設(shè)對湖泊水環(huán)境影響的綜合模擬研究

摘要：高速鐵路是國家重要基礎(chǔ)交通設(shè)施，在各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要作用。隨著我國高速鐵路交通網(wǎng)的完善，呈快速增長的特點。由于高速鐵路施工環(huán)境復(fù)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(huán)境的污染，影響水生物多樣性以及生態(tài)環(huán)境。湖泊由于環(huán)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(shè)對湖泊水環(huán)境影響進(jìn)行綜合模擬，希望對相關(guān)工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路特大橋建設(shè);湖泊水環(huán)境;綜合模擬

中圖分類號：X820 文獻(xiàn)標(biāo)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(xié)調(diào)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面具有重要意義。但在發(fā)展過程中也要重視其對生態(tài)環(huán)境的影響，需要最大程度地避免高速鐵路特大橋建設(shè)對湖泊水環(huán)境的影響，確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)，這是目前需要解決的重要問題。

1 湖泊水環(huán)境保護(hù)的重要性

湖泊是重要的水源，為人們提供各種各樣的生態(tài)產(chǎn)品與服務(wù)，包括生活用水、工業(yè)用水、洪水調(diào)度、漁業(yè)養(yǎng)殖、娛樂休閑等。但是由于其形態(tài)相對閉合且水流速度慢的特點使得其容易被環(huán)境改變所影響[1]。高速鐵路特大橋建設(shè)過程中出現(xiàn)無法繞開湖泊的情況時，需要盡可能做好各種保護(hù)措施，避免湖泊水環(huán)境被破壞。

2 基于GIS模型選擇與參數(shù)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(jù)相關(guān)水動力學(xué)研究指出，地形是決定湖泊流場結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的重要因素，對湖泊內(nèi)藻類、水質(zhì)以及物質(zhì)轉(zhuǎn)移等因素有直接影響[2]。常規(guī)物理模型試驗很難反映進(jìn)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(jìn)出水口對湖泊流場具有較大的影響。雖然有學(xué)者使用水電比模擬試驗對流場形態(tài)展開觀察，實驗中的出水量與進(jìn)水量保持一致，但是由于實際流場存在蒸發(fā)與滲漏的情況，因此，需要對出水口流量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不然會導(dǎo)致實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差[3]。總體來說，湖底地形以及進(jìn)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(shù)，需要充分進(jìn)行判斷，但是由于實際調(diào)查難度大，需要尋找計算精度高且關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的方法。GIS技術(shù)能夠以數(shù)字信息反映離散與連續(xù)的自然事物，并以網(wǎng)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(jìn)出水量進(jìn)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(shù)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(guān)分析，GIS系統(tǒng)中的空間統(tǒng)計分析功能可使用該模型進(jìn)行分析計算[5]。在可視化數(shù)據(jù)庫中找到數(shù)字地形圖之后選擇相應(yīng)的區(qū)域、單位以及精度之后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件，數(shù)字地圖主要是以網(wǎng)格數(shù)據(jù)形式儲存，并且對于不同湖泊地形，可以以數(shù)字形式進(jìn)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(jìn)行動力學(xué)模擬，同時需要進(jìn)行進(jìn)出水流量的修正。根據(jù)進(jìn)出水量相關(guān)記錄，本次研究采用SWAT模型，其融合了多種模型的部分優(yōu)點，在近些年來得到推廣使用，主要是利用GPS系統(tǒng)以及RS系統(tǒng)提供的不同水文環(huán)境理化變化過程，包括水量、水質(zhì)、污染物轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化的過程[6]。最新的SWAT2009模型改進(jìn)了細(xì)菌運移模塊、天氣預(yù)測情景模擬、土壤含水量或植被蒸散發(fā)的函數(shù)、植被過濾帶模型以及當(dāng)?shù)匚鬯到y(tǒng)的建模，具有較好的應(yīng)用價值。因此，在導(dǎo)入DEM數(shù)據(jù)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(jìn)行統(tǒng)一劃分，計算水平衡參數(shù)。

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(zhì)、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(yè)用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等方面造成影響，導(dǎo)致問題更加復(fù)雜[7]。根據(jù)高速鐵路特大橋?qū)嶋H施工情況，本文對湖泊水懸浮固體濃度場值進(jìn)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(kuò)散系數(shù)，C為污染物濃度，vx、vy代表x，y方向流速，S為源強(qiáng)濃度。

某高鐵特大橋湖泊中若按照建設(shè)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(chǎn)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(jù)棧橋施工特點來看，其對湖泊水質(zhì)的影響是持續(xù)的。根據(jù)上述公式計算發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)模擬，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)雖然施工附近區(qū)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(yè)過程中與水體保持分離狀態(tài)，因此，對施工較遠(yuǎn)湖區(qū)的影響較低，但是施工下游湖區(qū)的影響較高。選擇距離橋墩垂直方向上下距離300m同一點進(jìn)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(jìn)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(yè)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用效果，在施工中為了避免渾水對湖泊養(yǎng)殖業(yè)的影響，會在施工60m區(qū)域設(shè)置圍欄，并且后期路上作業(yè)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(jiān)測

生物監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要方法，與理化監(jiān)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(yōu)勢。水生生物中不同種類生物的數(shù)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(shù)量少，但綠藻數(shù)量多，說明已經(jīng)出現(xiàn)污染的情況，反之，則說明水質(zhì)改善;同時甲殼類生物中橈足類與枝角類對環(huán)境污染的耐受度較低，此類生物數(shù)量減少，這說明環(huán)境污染加重。因此，可以通過采集不同時間段水生物數(shù)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(fā)現(xiàn)，在圍堰拆除前水生物平均物種數(shù)量在10.5種，浮游動物豐富度與圍堰采樣距離指數(shù)為0.046（P<0.05），由此可見，距離圍堰越遠(yuǎn)，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(shù)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(jié)束語

隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)的快速完善，高鐵建設(shè)數(shù)量也在不斷增多，帶動了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(huán)境造成了一定的影響，因此，需要通過綜合模擬選擇更加環(huán)保的施工方案，減少高鐵大橋修建對水環(huán)境的影響。本次研究通過模擬發(fā)現(xiàn)圍堰施工法對湖泊水環(huán)境的影響更小，更加符合現(xiàn)代綠色環(huán)保施工理念的要求，可以推廣使用。

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收稿日期：2020-09-11

作者簡介：符勁超（1980-），男，漢族，本科學(xué)歷，環(huán)境工程高級工程師，研究方向為環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)與水體自凈。