高速铁路特大桥建设对湖泊水环境影响的综合模拟研究

摘要：高速铁路是国家重要基础交通设施，在各地经济发展中起到重要作用。随着我国高速铁路交通网的完善，呈快速增长的特点。由于高速铁路施工环境复杂，加上交通需求可能需要跨越多处地表以及水体，在施工过程中很可能造成湖泊水环境的污染，影响水生物多样性以及生态环境。湖泊由于环境相对闭合且水流速度缓慢，在高铁施工中容易受到影响。因此，文章主要針对高铁特大桥建设对湖泊水环境影响进行综合模拟，希望对相关工作提供指导。

关键词：高速铁路特大桥建设;湖泊水环境;综合模拟

中图分类号：X820 文献标识码：A 文章编号：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

高速铁路修建对于协调地区经济发展、优化产业结构等方面具有重要意义。但在发展过程中也要重视其对生态环境的影响，需要最大程度地避免高速铁路特大桥建设对湖泊水环境的影响，确保经济发展与生态环境相适应，这是目前需要解决的重要问题。

1 湖泊水环境保护的重要性

湖泊是重要的水源，为人们提供各种各样的生态产品与服务，包括生活用水、工业用水、洪水调度、渔业养殖、娱乐休闲等。但是由于其形态相对闭合且水流速度慢的特点使得其容易被环境改变所影响[1]。高速铁路特大桥建设过程中出现无法绕开湖泊的情况时，需要尽可能做好各种保护措施，避免湖泊水环境被破坏。

2 基于GIS模型选择与参数修正

湖底地形的改变会对水体流场造成较大的影响，斜形底湖泊与碟形底湖泊所形成的流场在垂向方面有着明显的差异。根据相关水动力学研究指出，地形是决定湖泊流场结构与强度的重要因素，对湖泊内藻类、水质以及物质转移等因素有直接影响[2]。常规物理模型试验很难反映进出口水湖泊流场特点，主要是由于湖泊水流速度小，因此，采取引水降污的方法，由此可见，进出水口对湖泊流场具有较大的影响。虽然有学者使用水电比模拟试验对流场形态展开观察，实验中的出水量与进水量保持一致，但是由于实际流场存在蒸发与渗漏的情况，因此，需要对出水口流量进行适当的调整，不然会导致实验结果产生误差[3]。总体来说，湖底地形以及进出水量对于模型计算具有较大的影响。

湖底地形作为模型的重要参数，需要充分进行判断，但是由于实际调查难度大，需要寻找计算精度高且关联性强的方法。GIS技术能够以数字信息反映离散与连续的自然事物，并以网格与矢量的方式显示[4]。使用GIS以及配套软件对湖底地形以及进出水量进行分析是一个比较好的方法。本次研究中使用LOCAL MORAN's I指数模型，其是目前空间分析最常用的模型，主要是用于局部与全局自相关分析，GIS系统中的空间统计分析功能可使用该模型进行分析计算[5]。在可视化数据库中找到数字地形图之后选择相应的区域、单位以及精度之后，将数据导入GIS软件，数字地图主要是以网格数据形式储存，并且对于不同湖泊地形，可以以数字形式进行空间分析。

以吞吐型湖泊为例，此类湖泊具有河道众多的特点，水面比较小，因此对河岸的冲击力也较小，需要以流量-时间开边界的方式进行动力学模拟，同时需要进行进出水流量的修正。根据进出水量相关记录，本次研究采用SWAT模型，其融合了多种模型的部分优点，在近些年来得到推广使用，主要是利用GPS系统以及RS系统提供的不同水文环境理化变化过程，包括水量、水质、污染物转移与转化的过程[6]。最新的SWAT2009模型改进了细菌运移模块、天气预测情景模拟、土壤含水量或植被蒸散发的函数、植被过滤带模型以及当地污水系统的建模，具有较好的应用价值。因此，在导入DEM数据之后可以将湖泊分为多个子流域，并对子流域覆盖地面、土壤类型进行统一划分，计算水平衡参数。

3 不同施工方案下湖泊水悬浮固体浓度场值模拟

实际施工过程中需要考虑到水源水质、底泥施放、污染物吸附以及降解等因素，而这些因素对于生活与工业用水、农业生产活动等方面造成影响，导致问题更加复杂[7]。根据高速铁路特大桥实际施工情況，本文对湖泊水悬浮固体浓度场值进行分析，并基本忽略底泥施放、污染物吸附与讲解等因素，仅考虑污染物在湖泊中的对流与输移状况，具体方程为：

其中Dx、Dy为水平扩散系数，C为污染物浓度，vx、vy代表x，y方向流速，S为源强浓度。

某高铁特大桥湖泊中若按照建设墩为200个，每个墩共有10个桩来算，需要1个月完成1个墩，施工过程中钻孔桩产生的泥浆总量约为148521m3。栈桥施工泥浆泄漏量如表1所示。根据栈桥施工特点来看，其对湖泊水质的影响是持续的。根据上述公式计算发现，湖泊水中悬浮固体浓度最高为0.0175kg/m3。

对于围堰施工情况模拟主要是使用GIS系统模拟，经过模拟发现虽然施工附近区域悬浮物分布相对均匀，但是由于分地段施工以及陆地作业过程中与水体保持分离状态，因此，对施工较远湖区的影响较低，但是施工下游湖区的影响较高。选择距离桥墩垂直方向上下距离300m同一点进行分析，比较不同施工方法对湖泊水悬浮固体浓度场值的影响，详见表2。

从表2中可了解，围堰施工法与栈桥施工法相比，对湖泊水悬浮固体浓度场值的影响更小，因此，在跨湖泊高速铁路特大桥修建时，可以采用围堰法进行施工。围堰施工法主要是采取了分段式施工方法，在施工过程中水体流场不会被完全截断，有利于水体生物的迁移，并且能够加速污染物的稀释。同时围堰施工中陆地作业不会对水体造成污染影响。而栈桥施工全过程都需要与水体接触，导致施工过程中任何阶段都可能对水体泥沙浓度造成影响，导致湖泊水悬浮固体浓度场值要高于围堰施工法。

总而言之，围堰施工法在高速铁路特大桥施工中具有较好的应用效果，在施工中为了避免浑水对湖泊养殖业的影响，会在施工60m区域设置围栏，并且后期路上作业不需要与水体接触，因此，对湖泊水悬浮固体浓度场值的影响更小，更加符合绿色施工的要求。

4 水生物监测

生物监测是环境监测的重要方法，与理化监测相比，更加能够直观的反映污染物对水体生物多样性的影响，具有操作简单、实用且可行性高的优势。水生生物中不同种类生物的数量比在一定程度上能够反映水体污染程度，例如：黄藻、甲藻数量少，但绿藻数量多，说明已经出现污染的情况，反之，则说明水质改善;同时甲壳类生物中桡足类与枝角类对环境污染的耐受度较低，此类生物数量减少，这说明环境污染加重。因此，可以通过采集不同时间段水生物数量与分布状况的变化，能够观察水体污染程度的变化。

通过模拟发现，在围堰拆除前水生物平均物种数量在10.5种，浮游动物丰富度与围堰采样距离指数为0.046（P<0.05），由此可见，距离围堰越远，浮油动物丰富度明显升高，这说明围堰修建对于水生动物有一定的影响;在拆除围堰后，水生物平均物种数量为11.6种，可以看到水生物平均物种明显增多，这说明在围堰拆除之后物种多样性明显升高。

5 结束语

随着我国交通网络的快速完善，高铁建设数量也在不断增多，带动了地区经济的发展。但是在遇到无法绕过的湖泊时，高铁大桥修建必不可免的对环境造成了一定的影响，因此，需要通过综合模拟选择更加环保的施工方案，减少高铁大桥修建对水环境的影响。本次研究通过模拟发现围堰施工法对湖泊水环境的影响更小，更加符合现代绿色环保施工理念的要求，可以推广使用。

参考文献

[1]郭茂斌.高速公路施工期地表水环境影响及其保护措施[J].黑龙江交通科技，2019，42（10）：157-158.

[2]曾厚波.高速公路跨越敏感水环境桥梁桥面径流收集及处置技术研究[J].山西交通科技，2017，2（1）：77-80.

[3]赵兵.高速公路水环境敏感路段桥面径流污染生态环境效应试验研究[J].公路，2018，63（2）：243-248.

[4]刘涛.高速铁路桥梁钻孔灌注桩施工对水环境的影响及预防对策[J].低碳世界，2017（25）：226-227.

[5]郭茂斌.高速公路施工期地表水环境影响及其保护措施[J].黑龙江交通科技，2019，42（5）：219，221.

[6]张魁，张东，陈记，等.仁博高速公路坪山大桥桥面径流处理技术措施应用研究[J].公路交通科技：应用技术版，2018（6）：317-319.

[7]张翼.水源敏感区域高速公路工程中水环境保护技术的综合应用[J].湖南交通科技，2017，43（3）：106-109，200.

收稿日期：2020-09-11

作者简介：符劲超（1980-），男，汉族，本科学历，环境工程高级工程师，研究方向为环境保护、水质与水体自净。