無為縣環城河活水工程引水規模研究

(長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

0 引言

無為縣隸屬蕪湖市，地處皖中，南瀕長江、北依巢湖，承東啟西。縣政府駐地無城鎮，為全縣政治、經濟、文化中心，地理環境優越、區位優勢獨特[1]。城鎮老城區西部和北部古護城河與東部花渡河故道相通，組成現在的環城河。

歷史上，環城河從康乾年間一直到民國均與外圍花渡河和西河連通，老城區與外界通過吊橋或拱橋相通[2]。建國后，由于防洪需要，先后建了西河大堤、花渡河大堤、二紡廠閘、城防站，并開鑿5.24km花渡河下游人工河道，進而阻斷了環城河與花渡河、西河的水力聯系[3]。后為完善交通系統，環城河之上先后修建起了13座橋梁或交通斷壩，將環城河隔斷成互不連通或連通性很差的若干段水體。隨著縣城人口的持續增長、經濟的快速發展和城鎮化進程的不斷推進，環城河在人類活動的影響下，水環境問題日益嚴重，水體不連通更加劇了水質的惡化[4]。

1995年以來，無為縣人民政府投入大量資金開展景觀打造、環境治理、清淤清障等工作，取得了一定的整治效果，但仍存在截污不徹底、水系割裂、水體流動不暢等問題，導致環城河水生態環境持續惡化。2018年8月環城河水體再次暴發大面積藍藻，基于系統科學理念的水環境綜合整治破在眉睫[5-7]。

在近期控源截污工程難以快速實施的情況下，為了滿足無為縣城區環城河水質迅速改善，城市風貌得到顯著提升的需求，本著“先易后難、標本兼治”的原則[8]，首先研究環城河活水方案，確定其引水規模。本文研究結果對于環城河活水工程布置、引水規模確定、閘站調度具有重要的指導意義。

1 現狀及存在問題

1.1 環城河水系格局及問題

環城河上游通過二紡廠閘與花渡河有連通條件，下游通過城防站穿堤涵管可與西河連通。環城河設計景觀水位為7.5m(黃海高程)，西河豐、平、庫水年水位過程線如圖2所示。除豐水年極端降雨情況下，西河水位絕大多數時間都位于7.5m以下[9]，環城河水入西河有自流條件。花渡河入西河處新建了一座閘門(新花渡閘)，通過該閘門的調度可抬高二紡廠閘處花渡河水位，以營造花渡河—環城河—西河的自流條件。

連通環城河與花渡河的花渡河故道被4處斷壩、若干養殖壩分割成互不連通的水體，卡死了花渡河水入環城河的入口；環城河西段大安橋、小安橋橋下涵洞過流能力較差。環城河西段水下地形整體高于東段，北段高于南段，導致活水線路上水力條件極差，且引水后約80%的大水從東段走。因篇幅有限，本文不做工程布局及規模論證，假設已對水下地形超過6.0m的區域進行了清淤、清障，各卡口已通過清除或者建設涵管的形式連通，在環城河東西段連接處建設了活動溢流堰以調節兩個河段的分流比(圖3b)，在此基礎上對環城河引水規模、引水保證率進行論證。

1.2 環城河及周邊水系水環境現狀及問題

2018年11月在整個研究區范圍內布設了10個水質監測點位，對水質主要指標pH、化學需氧量、氨氮、總磷、濁度進行了監測分析。

根據水質監測結果，花渡河城區上游來水水質為III類，花渡河故道水體為III～Ⅳ類；環城河內水體水質均為劣Ⅴ類，水質不達標，主要超標因子為氨氮、總磷。根據 《無為縣城市總體規劃 (2009—2030)》[1]，環城河被劃為Ⅳ類水環境功能區，執行地表水Ⅳ類水質標準，現狀水質離規劃目標差距較大。

2 研究技術方法

2.1 水質達標需水計算

本文采用丹麥水資源及水環境研究所(DHI)開發的MIKE21二維水動力水質模型對水質達標引水規模進行計算。

2.1.1 模型簡介[10]

(1)水動力學方程

二維水動力控制方程為笛卡爾坐標系(Cartesian Coordinates)下的納維—斯托克斯方程組(Navier-Stokes equations)，該方程組由水流連續性方程、沿水流方向(x方向)的動量方程和垂直水流方向(y方向)的動量方程組成。

(1)

(2)

(3)

(2)水質模型

根據質量守恒定律，考慮污染物運移過程中的對流、擴散和降解等因素，污染物的運移方程可寫為：

(4)

式中：c為污染物的濃度；(Dx,Dy)為x和y方向的擴散系數；Kd為污染物線性降解系數。

2.1.2 計算條件

(1)計算范圍

模型研究范圍為二紡廠閘至小河口站之間環城河水域，研究面積約1.5km2。根據上述確定的模型計算范圍，結合計算范圍內河道形態和可能影響河道水流結構的相關因素，對計算水域采用三角形網格進行剖分，共劃分三角形網格1448個。

(2)計算年型

本次引水規模比選考慮最不利水文條件，選取典型年為90%保證率的枯水年，即2013年，模型計算時間從2013年1月1日0時至2014年1月1日0時。

(3)初始邊界條件

根據2018年水質監測結果，環城河超標最嚴重的污染因子為氨氮，因此選取氨氮為計算指標，引水水體氨氮濃度為0.895mg/L，環城河水體本底氨氮濃度為3.3mg/L。入河污染物點源考慮沿岸控源截污工程的開展，削減為現狀的50%；面源保持不變；內源全部削減。經計算枯水年氨氮點源入河量為28.2t，面源入河量為11.7t。

(4)計算工況

環城河入流為設計引水流量。花渡河豐水年、平水年、枯水年年平均流量分別為3.37m3/s、2.77m3/s、2.49m3/s，考慮可引水量不超過年平均流量，本次模型計算選取1m3/s、1.5m3/s、2m3/s、2.5m3/s、3m3/s、3.5m3/s、4m3/s分別作為設計引水流量。

(5)調度規則

通過小河口站調控，使環城河水位維持在7.5m；當小河口站出口西河水位<7.5m，且花渡河流域及環城河排澇分區無防洪、排澇任務時，則實施引水，否則關閉二紡閘停止引水。

實施引水時，若花渡河來水量小于既定引水規模，則來多少引多少；若花渡河來水量大于既定引水規模，則通過對二紡閘的控制，按照設定規模引水，其他來水通過開閉新花渡閘進行調蓄，二紡閘處水位低于10.5m之前，可以通過關閉新花渡閘蓄在河道內，當超過10.5m時，則開啟新花渡閘將來水排出。

2.2 生態需水計算

河流生態需水是將河流生態系統結構、功能和生態過程維持在一定水平所需要的水量，包括維持河流生物多樣性功能、自凈功能、調節水量、維持河道形態、文化功能等。結合環城河水體使用功能，本次方案采用Tennant法計算河流生態需水。

Tennant法根據水文資料和現場調查結果，以年平均徑流量百分數來描述河道內流量狀態。為了使河道達到非常好的狀態，河道生態基流取河道多年平均流量的10%～30%[11]。在此流量條件下，大部分河道將沒于水中，大部分邊槽將有水流，許多河岸將成為魚類的活動區，許多流速快的河段和大部分旋渦區的深度將足以作為魚類的活動場所。

2.3 景觀需水計算

在對河道實施清淤、護岸、綠化等措施后，通過維持一定水深可取得較好的景觀效果。根據河道水深、河道寬度、河道長度、交換次數確定景觀需水，公式如下：

Whe=B×H×L×n

(5)

式中：Whe為河流日生態需水量，m3；B為河流寬度，m；H為河流水深，m；L為河流長度，m；n為日交換次數。

3 引水規模計算

3.1 引水水源

環城河周邊西河、花渡河均滿足引水水量和水質需求，本著充分利用現有河道、水閘、泵站工程，及“自流優先”的原則，選取花渡河為引水水源。

3.2 引水線路

本方案擬通過新花渡河閘抬高花渡河水位至7.5m(環城河景觀設計水位)以上，使得花渡河水體通過二紡廠閘自流進入花渡河故道，在植物園處分流，一部分水體流入古護城河，另一部分水體進入花渡河故道，水體最終由小河口站流入西河，活水線路拓撲關系見圖4。

3.3 引水量計算

3.3.1 常年引水規模分析

(1)水質達標需水量分析

圖5為基于MIKE21模擬得到的不同引水工況下銨氮濃度變化趨勢圖。由圖5可知，若不引水，則環城河水質始終無法達到Ⅳ類水水質目標，引水1m3/s和1.5m3/s時，環城河在豐水期部分時段水質無法達到Ⅳ類，水質全年達標率分別為95.5%和97.5%，其主要原因是降雨導致環城河周邊大量面源污染物進入河道內，導致短時間內水質變差。當引水流量≥2m3/s時，環城河水質全年可以達標，且部分時段可以達到或接近Ⅲ類水標準。

(2)生態需水分析

實施活水工程后，環城河與花渡河和西河連通，相當于花渡河的河段，因此采用花渡河平水年流量過程(年平均流量2.8m3/s)和Tennant法(豐水季30%，枯水季20%)計算環城河生態需水量，根據計算可得環城河生態需水量約為0.65m3/s。

(3)景觀需水分析

環城河景觀設計水位為7.5m，根據實測水下地形、清淤深度確定環城平均水深(H)約為1.6m，河長(L)約為8200m，河道平均寬度(B)約為180m。根據相關研究，平原湖泊換水周期(n)為25d時生態系統已經可以非常穩定，環城河類似狹長型湖泊，n值取25[12]，計算得到景觀需水量約為1.1m3/s。

綜合水質達標需水、生態需水和景觀需水的計算，環城河活水工程常年引水量確定為2m3/s。

3.3.2 應急引水規模分析

環城河水質在夏天時受溫度升高、初期雨水入河、沿河排污管道溢流等因素影響，極易發生短期的水質惡化、水華現象，此時2m3/s的常年引水流量已不足以維持環城河水質，因此需對應急情況下引水規模進行分析。

圖6為應急條件下引水規模分析圖。由圖6可知，當環城河水體為劣Ⅴ類時，引水1m3/s、1.5m3/s、2 m3/s、2.5 m3/s、3 m3/s、3.5 m3/s和4 m3/s 時，水質達到Ⅳ類水標準的時間分別為18.3d、14.6d、10.4d、8.3d、7.2d、6.4d和5.8d，二者關系如圖7所示。本文建議應急條件下，采用4m3/s的引水規模。在該引水規模下，環城河水質6d內可恢復目標水質。

3.4 引水保證率

圖8為豐、平、枯水年引水流量、來水流量和花渡河調蓄水量變化趨勢圖。當引水流量為2m3/s時，通過新花渡閘的調蓄，豐、平、枯水年可以保證引水流量達到2m3/s的時間分別為94.5%、81.4%和59.2%，其他時間引水量為基流，引水量占來水量的比例分別為58.6%、68.8%和71.7%。

3 結論

本文在對環城河、花渡河、西河典型年水文、水質資料分析的基礎上，計算了環城河生態需水量和景觀需水量，并采用MIKE21模型對不同引水工況下環城河水質達標情況進行了模擬，最終確定常年引水流量為2m3/s，應急引水流量為4m3/s。在引水流量為2m3/s的情況下，可保證豐、平、枯水年引水時水質均達到Ⅳ類水水質目標，應急引水為4m3/s的情況下，可保證環城河水質在6d內，從劣Ⅴ類水改善為Ⅳ類水。

當引水流量為2m3/s時，通過新花渡閘的調蓄，豐、平、枯水年可以保證引水流量達到2m3/s的時間分別為94.5%、81.4%和59.2%，其他時間引水量為基流，引水量占來水量的比例分別為58.6%、68.8%和71.7%。