閘泵堰聯(lián)合調度下水質改善試驗研究

潘小保，范子武，柳 楊，謝 忱，楊 帆

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210098)

1 概述

平原河網地區(qū)閘泵堰等水工調控工程眾多，通過引清入城，既可以稀釋河水降低污染物濃度，有效增加河道的水環(huán)境容量和水體自凈能力；同時也可以借助閘泵堰等水利工程的聯(lián)合調度和數學模型，精確控制每條河道的分流比實現(xiàn)按需配水，增大河道流速，提高河水的復氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環(huán)境質量的綜合治理措施之一。

本文基于常州市運北主城區(qū)現(xiàn)狀水系及水利工程，建立了相關閘泵堰的聯(lián)合調度方案，通過現(xiàn)場試驗的方法，試驗期間對內部河網的水動力要素和水質要素開展了同步原型觀測，驗證閘泵堰聯(lián)合調度對河網流速、水質的影響。

2 研究區(qū)域概況

常州市地處江淮交匯，屬于長江三角洲上的太湖平原，地勢西南高、東北低，屬平原水網區(qū)，河道縱橫，水系豐富，河道水力坡降較小，水流緩慢，往復流動。本文以城市發(fā)展相對成熟、水環(huán)境治理需求大、百姓期盼值高的常州市主城區(qū)為研究重點，活水范圍北至新龍河和滬寧高速公路，東臨丁塘港，南到京杭運河，西靠德勝河，總面積179.2km2。

常州市主城區(qū)內部水系發(fā)達、呈輻射狀，以老運河、關河環(huán)抱老城區(qū)為中心，向外輻射有澡港河、北塘河、采菱港河、白蕩河、南運河、橫塘河等城區(qū)骨干河道。研究范圍內大小河道共113條，長約285km，其中斷頭浜43條，長約50km。

目前主城區(qū)骨干河道水質尚可，水環(huán)境問題主要在于：城區(qū)小河道水質較差，且引水難入中小河道，直接從骨干河道流走；河網較為分割，存在多處斷頭浜，水系暢通性差；河道兩岸截污不徹底，水質受污染；部分區(qū)域缺乏調控工程設施；河道水體渾濁、感觀較差。

分析城區(qū)德勝河橋(德勝河)、常新橋(澡港河)、連江橋(老運河)、鐘樓大橋(京杭運河)、陽湖大橋(京杭運河)、清樣橋(北塘河)等六個斷面近三年的水質情況發(fā)現(xiàn)德勝河橋超標率59%、常新橋超標率17%、連江橋超標率74%、鐘樓大橋超標率66%、陽湖大橋超標率33%、北塘河清樣橋超標率71%，城區(qū)水環(huán)境問題仍十分嚴峻。

3 調度方案

3.1 方案思路

常州市主城區(qū)北臨長江，長江水質穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類水平，可以作為城區(qū)暢流活水優(yōu)質水源，德勝河和澡港河骨干河道水質較好，可以作為兩條引水通道，分配進入城區(qū)中小河道。本文通過澡港河引清水進入城區(qū)后，部分供給東部中小河道，再通過北塘河、老桃花港北排，部分進入老運河后，供給南部河流，經京杭運河東排，形成的水流路徑既滿足活水的需要，也兼顧了區(qū)域內的防洪排澇，如圖1所示。

圖1 引水水流路徑

但是常州市運北主城區(qū)屬平原河網區(qū)，水系復雜水動力條件弱，水流入城距離較遠，引江水量沿程散失較大，江邊引水形成的水位差很快在河網中消散，總的進城水量僅占引水量的40%，并且引水直接從骨干河道流走，難入中小河道，城區(qū)小河道流動性無法提高，仍難以滿足城區(qū)活水需求。澡港河為城區(qū)重要引水通道，引水入城后，在主城區(qū)上游分流，一股從澡港河入城，一股從澡港河東支流走，為保證入城水量，需在澡港東支建設活動溢流堰；以關河、老運河包圍的老城區(qū)是常州市水環(huán)境提升的重點，以往調水中，該區(qū)域東西南北四條市河的水流流量均不大，為了保證引水能夠進入該區(qū)域，需要在關河建設活動溢流堰，抬升關河水位；澡港河東支分流后，在下游有分支老澡港河，在澡港河東支(老澡港河交匯口下游)布設活動溢流堰才能保證更多的水流進入城區(qū)。因此，提出在關河新市橋、關河洋橋、澡港河東支盤龍苑、澡港河東支恐龍園四處新建活動溢流堰作為控導工程，人工營造河網水位差，形成城區(qū)自流活水格局。

通過建設四座控導工程，形成三級梯級水位差。即澡港河為第一級水位、老運河為第二級水位、京杭大運河為第三級水位，通過創(chuàng)造高低水片條件，實現(xiàn)自流活水。四座控導工程及三級水位如圖2所示。

圖2 溢流堰位置及三級水位

總體來說來說，通過泵引長江水，調控4座活動堰和合理控制區(qū)域內的閘門開度，從而精確控制每條河道的分流比，讓更多的流量進入主城區(qū)，實現(xiàn)按需配水，最終達到水質提升、水生態(tài)恢復、水景觀改善、感官指標提升的總目標。

3.2 具體方案

本次“暢流活水”現(xiàn)場調試工作在非汛期開展，外圍水位3.4m左右，試驗條件良好。調試試驗時間為2018年11月19日8時—30日17時，主要對Ⅰ區(qū)河道進行調試，共計12天，見表1。

表1 試驗進度安排

調度方案包括溢流堰調度方案、沿江口門工程閘泵調度方案以及城區(qū)內閘泵調度方案，具體為澡港水利樞紐潮+泵引入城(水位抬升期潮引+泵引40m3/s，水位穩(wěn)定后泵引40m3/s，試驗后期潮引+泵引20m3/s)。城市大包圍閘泵工程：除北塘河樞紐、北塘河船閘、永匯河樞紐、鎖橋河泵站、西水關泵站、柴支浜東西站、三井河東西站等部分閘站現(xiàn)場調節(jié)；其余大部分閘站為泵站關閉，閘門開啟。四座溢流堰高程在試驗過程中根據實際調整。試驗期間確定的調度方案見表2—4。

表2 溢流堰調度方案

表3 沿江1口門工程閘泵調度方案

表4 城區(qū)內閘泵調度方案

注：I區(qū)范圍內其它閘泵控制工程按照2009年市水利局印發(fā)的《常州市區(qū)河道引清調水調度方案(試行)》調度。

圖3 試驗期間引水沿線關鍵點位水位變化過程

表5 活動溢流堰建成前后調水成果對比

4 水質改善效果分析

4.1 水位

本次試驗期間，引水沿線澡港河入城口(許家塘橋)、三堡街(老運河)、常州(三)等幾處關鍵點位的水位變化過程如圖3所示。從圖3中可以看出，經過一段時間的引水，水位穩(wěn)定后，澡港河入城口(許家塘橋)與三堡街(老運河)的水位差維持在20cm左右，形成了預期水位差，但受新閘工程未實施改造的影響，常州(三)水位與三堡街水位相近，水位差僅在5cm左右。因此僅能形成方案中的一二級水位差，即東北部城區(qū)可以實現(xiàn)活水效果，本次試驗也主要針對東北部城區(qū)。

4.2 流量

常州市主城區(qū)“暢流活水”I區(qū)階段性調度方案實施后，溢流堰建成前后活水流量對比情況見表5。試驗第一階段，澡港水利樞紐泵引40m3/s，城區(qū)內河道流量穩(wěn)定時，柴支浜流量流速提升倍數11倍，西市河、北市河、南市河流量分別提升31倍、61倍、8倍。試驗第二階段，澡港水利樞紐泵引20m3/s，聯(lián)合開閘潮引時，城區(qū)內流量相對減小，但各河道流量仍有提升，柴支浜流量流速提升倍數8倍，西市河、北市河、南市河流量和流速分別提升20倍、46倍、5倍。

2015—2018年活動溢流堰建成前后多次活水，歷次活水成果流量對比情況見表5，總體而言，溢流堰建成后I區(qū)內部河道流量均有較大提升，且本次活水各河道流量，相較于往年多次活水提升明顯。

4.3 水質

2018年11月29日，對所有76個監(jiān)測點進行水質采樣分析，受橫塘浜清淤和北橫塘河樞紐檢修的影響，本次試驗中，無法將清水引入橫塘浜沿線以及周邊河道、橫塘河以東片區(qū)，因此該部分區(qū)域河道流動性和水質未有提升，活水前后不同水質指標類別斷面占比如圖4所示。

圖4中除去不具備試驗條件的河道斷面和翠竹內河、柴支浜支浜、五奎河、常隆河幾條斷頭浜，活水后，I區(qū)范圍內水質綜合指標為Ⅱ類的斷面占比42%，Ⅲ類斷面占比51%，Ⅳ類的斷面占比7%，Ⅴ類和劣Ⅴ類斷面占比0%；I區(qū)范圍內95%的河道斷面水質有所改善，活水改善效果顯著。

圖4 活水前后不同水質指標類別斷面占比

5 結論

(1)采用常州市主城區(qū)一維河網水動力模型，模擬了五種方案下常州市主城區(qū)河網流速分布，提出了“利用長江優(yōu)質水源、打造兩條清水通道、新建四座活動溢流堰、形成三級水位差”的改善城市河網水環(huán)境的最優(yōu)方案，為常州市主城區(qū)水環(huán)境治理提出了科學的依據。

(2)采用現(xiàn)場試驗驗證的方法，通過澡港河北引長江水入城，四座活動溢流堰調控，實現(xiàn)了城區(qū)內部(目前為東北部城區(qū))河道均衡合理分配流量。通過引水入城、合理配水和自流活水，城區(qū)河道水質綜合指標達到IV類且大部分處于III類，實現(xiàn)了城區(qū)水環(huán)境改善和提升。