城市河網圩區活水調度方案研究

吳 蕓，於家紅

(昆山市水利設計院有限公司 昆山開發區水利(水務)站，江蘇 昆山 215300)

城市河網為滿足洪澇災害、景觀營造、文化傳承等需求，經歷了不同程度的人工干預，包括渠化改造、填埋侵占、閘泵工程控制等。實施人工干預首先直接改變了城市河網的形態和連通關系，導致河網水流流態發生變化，出現水流不暢的滯緩流區和死水區，水流滯流時間和置換周期顯著增加，水環境容量顯著降低。同時，由于污染排放重視不夠，加上水環境保護措施建設滯后，河網匯入污染和內源污染嚴重，我國多個城市河網水體水質長時間處于Ⅴ類或劣Ⅴ類。控源截污是保護河道水質最關鍵、最根本的方法。在有條件的地區，采用水利工程引清水改善水環境是一種見效快、效果明顯的方法。

昆山開發區地處陽澄淀泖區腹地，水力坡降較小，水流相對緩慢。防洪排澇采用“高低分開、筑堤建圩、洪澇分治”工程布局，形成西河圩、合興圩、城南圩、包橋圩、孔巷圩、北大圩、南大圩7個主要聯圩，圩內河道流速滯緩。經濟持續快速發展，不可避免出現了水環境污染問題。昆山開發區擬采取“分圩治理、河岸一體、截污優先、同步活水”的治理思路，著力推進水環境治理工作。本文擬通過對昆山開發區7個聯圩的活水調度方案的研究，為城市河網圩區活水調度和城市水環境綜合治理提供決策依據。

1 研究方法

本文利用平原感潮河網水動力學模型預測分析不同控制條件下河網水位和流量、流速變化。本次概化模型包括了昆山開發區的7個圩區內部河道以及圩外河道，涉及區域面積113.8km2、總河長288.1km，共概化河段389條段、節點361個、水利構筑物75座。

2 調度方案及優化

2.1 初步方案

依據近些年水質監測資料，昆山開發區圩外骨干河道水質差異較大，其中小虞河、北環城河水質最優(達到Ⅲ類)，婁江、吳淞江水質次之(達到Ⅳ類)，夏駕河、太倉塘、郭石塘水質也能達到Ⅴ類。本方案引水水源為圩區外圍水質較好的外河水源。

在服從昆山市引排格局和確保防汛安全的基礎上，昆山開發區的活水調度堅持“引排分開、閘站結合、經濟合理”的原則，充分發揮既有水利工程作用，分析論證提出滿足圩內河道流速不低于5cm/s(參考蘇州古城區、昆山城區活水暢流調度流速值)的活水調度方案。

由于夏駕河景觀功能要求，兩端閘控，內部封閉管理，所以夏駕河不能作為引排水通道。7個聯圩活水調度引排初步方案見表1。調度效果統計見表2。可見利用現有水利工程，圩內河道完全改變了滯緩狀況，70%以上河道能達到最低流速5cm/s標準。

表1 開發區7個聯圩活水調度引排方式統計表

2.2 優化方案

7個聯圩中，合興圩、城南圩80%以上的河道流速能達到標準要求。其余5個聯圩優化方案如下：

西河圩屬引排不匹配、引多排少情況。優化方案為擴大東門塘站閘規模，增加排水動力，提高東門塘河水體流速。

南大圩屬引排不匹配、引少排多情況。南大圩引水口門僅一處，若排水站閘全部開啟，將造成排水站閘頻繁啟閉，河道零流速持續時間長，流速變化大，而平均流速較小。優化方案為排水站閘錯時調度，即關閉沿郭石塘四座站閘中的兩座站閘。模型計算結果顯示，錯時調度對維持南大圩河道流速作用較為明顯，水體滯流時間縮短，河道平均流速由0.057m/s提升到0.084m/s。

北大圩屬東西向骨干河道流速滿足要求，南北向骨干河道流速不滿足要求情況。北大圩東西向河道與外圍站閘直接順接，采用北引東排方式，東西向河道流速較大，南北向河道的流速較小。優化方案為北引東排、南排。南側郭石塘沿線站閘為主調站閘，東側沿東方河-尺涇的站閘為輔助站閘，南北向河道流動的同時也帶動東西河道的流速。方案優化后，北大圩達5cm/s流速河道達23條，河道平均流速提升到0.011m/s。

包橋圩屬骨干河道流速滿足要求，支河流速很小情況。包橋圩骨干河道均較為順暢，引排流速控制較好。南部區域小支流，骨干河道對其分流很小，流速很幾乎為零。優化方案為，通過該區域的多處分級排澇泵閘的調度，減少骨干河道流量，增大支流流量，改善支流流速。

孔巷圩圩內絕大部分河道流速滿足最低控制要求，但古春浜流速尚未達到最低控制要求，根據其自北向南的流向分析，初步認為南側友誼河站閘同步引水造成頂托所致。優化方案為開展錯時調度，即部分時段關閉友誼河站閘。

優化調度后開發區7個圩區調度示意如圖1所示。

圖1 開發區活水調度示意圖

表2 開發區7個聯圩活水調度初步方案效果統計表

3 調水時間研究

調水時間的研究采用質點示蹤模擬法及庫容換水周期分析法，綜合兩種方法的分析結果，得出本項目調度時間，具體見表3。推薦每日調水時間為6～10h，調水時段為7∶00～17∶00，達到既能改善區域水動力條件，也能給市民打造流水視覺效果的綜合效益。

表3 開發區7個聯圩活水調度時間安排統計表

4 水質改善效果

南大圩是開發區最先開始活水調度的圩區。該圩區引水水源為夏駕河(南段)，據監測資料顯示，夏駕河氨氮0.8～1.8mg/L。2018年9月1—10日間，換水時間為3、4、7、8日，每日換水時間為8h，水質監測采樣時間為上午10∶00左右。監測數據分析可知，6條河道氨氮最低值出現在9月4日及9月8日，如圖2所示。換水期間水質改善幅度為20%～130%。整體水質差的河道改善效果明顯。良好水動力條件是河流水體自凈的前提和保障。水質較優的河道，由于水動力改善后，污染物得到一定程度的降解，水質也有所改善。在不換水期間，水質明顯惡化。

圖2 開發區南大圩活水期間氨氮變化示意圖

5 結語

昆山開發區活水方案制定過程中可遵循以下原則：①引多排少情況下，可采用增加排水動力的優化方案；②引少排多情況下，可采用錯時調度排水泵站的優化方案；③引排匹配，骨干河道流速往往可以得到保障，支河需通過水利設施改善水動力條件；④引排主方向可選擇河道暢通性較差的方向，以達到全聯圩水體流速改善的目的。

優化活水方案后，河道中大部分水體通過站閘的調度，水體流速由原來的滯流提高到平均5cm/s。斷頭浜或由管涵連接的河道較多，成為活水的“腸梗阻”，是活水盲區。

從水質改善效果看，水質差的河道換水前后受入河污染物的影響水質變化明顯。水質較優的河道活水后也有所改善。