以“自流活水”為核心的吳江松陵城區水環境綜合治理方案

謝 忱，柳 楊，丁 瑞，劉珈熒，范子武

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

吳江松陵城區河網交織、水系復雜，是典型的平原河網區。近年來，隨著城市化的快速發展，城市水網密度下降、城區河道水體富營養化、河道生態系統退化等問題突出。為了改善水環境質量，吳江區2013年開始實施了為期3年的綜合整治和水系連通試點項目，2014年3月，實施了牛腰涇清水工程，通過內蘇州河和牛腰涇河向松陵城區內引水，2015年以“清淤、活水、保潔、生態”為主題，開展了暢流活水工程，以暢流為重點，通過水系溝通、河道疏浚、岸坡整治、拆壩建橋等多種措施治理水環境。經過多年的治理，吳江區河網水環境有所改善，但在自流活水工程實施前，部分河道水質仍不佳，甚至黑臭，城區水環境問題仍十分嚴峻。

目前，國內外主要通過物理、化學和生物等方法，控制水體外源性和內源性污染物的排入量，人工強化水體自身的凈化能力，以降低水體中污染物的濃度，提高水體溶解氧濃度，提升河道水質[1-5]，具體措施包括控源截污、底泥疏浚、引清調度、生態修復等，此外，還包括水系改造和水系連通性治理等工程措施[6-7]。對于吳江松陵城區而言，區域內河網縱橫、水系密布，具有一定的水資源調蓄能力，且緊靠東太湖和京杭大運河，水質優良，水量充沛，為此，本文綜合考慮吳江區水系及周邊水系和水利工程分布等區域特點，提出以“自流活水”為核心的水環境綜合治理方案，通過綜合治理，人工重構水位差，全面激活城區水系，提高水體流動性，同時配合區域低洼地改造、河道整治、信息化建設等綜合措施，提升河網水體品質[8-9]，促進吳江松陵城區及蘇州市生態文明建設。本文的研究成果可為其他平原城市的水環境提升提供技術借鑒和工程實踐經驗。

1 研究區域概況

吳江松陵城區西至內蘇州河，南至安惠港，東至京杭運河，北至柳胥港，位于吳江區最北部，總面積19.7 km2，處于長三角城市圈核心地帶，東望上海市，北近蘇錫常，南眺浙江省。區域內河網縱橫，京杭大運河穿境而過，京杭運河以西沿太湖一線，屬濱湖圩田平原型地貌，以東湖蕩密布，屬湖蕩平原類型。吳江松陵城區主要河道有32條，水面率偏低，水閘11座、泵站7座、閘泵10座。區域內京杭大運河常水位3.0～3.2 m(吳淞高程，下同)，東太湖水位3.2～3.4 m，城內水位控制3.0 m左右，不超過3.15 m，油車河、木中小區低洼易澇區圩內水位不超過2.6 m，其他低洼易澇區圩內水位不超過3.15 m。

為改善水環境，松陵城區實施了一系列的工程措施，但依然存在以下幾方面問題：城區水系復雜，水頭差小，僅靠自然水勢，水流引入后迅速從主干河道流走，難以分配進入內部中小河道；城區河道較彎曲束窄，連通性差，水流阻力大，主要靠閘泵抽排；存在多處低洼易澇小區，水位調控困難；河網內部缺乏控導工程，無法人為自由調控水流流量、流態；部分閘泵設施亟需翻新改造；部分河道兩岸截污不徹底；區內閘泵眾多，水網復雜，僅靠人工調度難以實現水資源高效利用等。

2 自流活水方案研究

2.1 引水水源比選

吳江松陵城區東臨太湖、西接京杭大運河，通過對比太湖和京杭大運河水體水質、水量、工程設施等確定引水水源。

選擇松陵大橋(太湖)和云里橋(大運河)兩個典型斷面的水質監測數據進行分析，如圖1所示。圖1可以看出，太湖的水質明顯優于大運河。太湖流域面積約36 000 km2，湖面面積約2 338 km2，正常庫容容量約為45億m3，從水量來看，太湖有著巨大的稀釋和自凈能力，并且，太湖常水位3.2～3.4 m，京杭大運河水位為3.0～3.2 m，太湖水位常年高于京杭大運河水位，另外，京杭大運河寬90～100 m，有通航要求，引水構筑物建設可能對通航不利。綜合分析太湖和京杭大運河的水體水質、水量和工程設施等因素，吳江松陵城區的引水水源確定為太湖。

圖1 太湖瓜涇口和大運河云里橋水質指標質量濃度對比

2.2 引排路徑分析

吳江松陵城區靠近太湖側已建成牛腰涇河提升泵站，其中牛腰涇泵站共4臺機組，內蘇州河泵站共6臺機組，牛腰涇河和內蘇州河引水流量分別為15 m3/s和10 m3/s，且都配有12 m寬閘門，因此，可選擇內蘇州河和牛腰涇河作為城區的兩條清水通道。太湖優質水源經三船路河閘引入后，自南向北進入內蘇州河，隨后分配進入其他中小河道，或經牛腰涇閘和牛腰涇提升泵站引水進入牛腰涇河和內蘇州河，其中，牛腰涇河清水主要供給松陵城區北部和東部，如西塘河、七里港、中山河等，內蘇州河清水供給西部河流，如翁家塘港、小廟港、知青河等。

2.3 生態補水頻次分析

依據河道實測斷面，通過數學模型計算河道槽蓄量，獲得松陵城區河網總水量，結合松陵城區引水工程總能力，并參考周邊城市生態補水頻次，制定松陵城區合理生態補水頻次，確保水資源高效利用。

在常水位3.0 m時，河網總槽蓄量約197萬m3，水位每增加10 cm，槽蓄量增加約9萬m3，如表1所示。依據現有引水工程，牛腰涇提升泵站最大能力25 m3/s，24 h引水量約為216萬m3，即1 d能蓄滿河槽。參考周邊城市生態補水頻次，約2～3 d水體能夠全部置換一次。

表1 河槽水位水量關系

2.4 自流活水方案制定

(1)水位重構與控導關鍵節點尋優

松陵城區河道是獨特的“X”型河道，吳家港河與新橋河交叉處是關鍵節點，將太湖好水按需分配到每一條河流，并維持河道有序流動是活水難點，而在原工程條件下，城區內部能夠用于調控水位的工程僅有梅石閘和西門閘，且東北部缺乏調控工程，無法實現人為分配水量。因此，通過新建3處控導工程，即西塘河溢流堰、水廠河閘、知青閘，增強內部調控能力，形成高水片和低水片，其中，高水片為溢流堰、西門閘、知青閘以西、溢流堰以北的區域，城區其他區域為低水片區。

(2)自流活水實現

自流活水方案的原則是充分利用現有閘門，通過科學調度和聯合調控盡可能自流。在原工程條件下，由于存在幾處低洼地尚未改造，水位難以抬升，但在低洼區整治后，可調控梅石閘、西門閘、水廠河閘、知青閘、溢流堰，配合大運河、安惠港沿線閘門，內蘇州河、牛腰涇河有條件抬高至3.5m高水位，低水平區則通過調節運河沿線和安惠港沿線閘門，控制水位約2.9 m，在高低水片形成后，經過區域內閘門精細調控，精確控制每條河道的分流比，讓每一條河道都按照理想狀態流動起來，實現全局調控。

3 水環境綜合治理方案

如前文所述，吳江松陵城區存在多處低洼易澇區域，水系復雜、工程眾多水位調控困難、區內閘泵眾多，因此，在自流活水方案實施的同時，需結合河道整治、低洼地改造、智慧管理等工程與非工程措施，既要確保河道滿足城市防洪排澇標準，保障居民安全，也要能夠提高水體流動性，促進河道水質穩定提升。

綜合吳江松陵城區水系、工程、地勢等特點，為全面改善吳江松陵城區河網水環境，本方案在城區內建設或改造的工程共包括5類，分別為控導工程、低洼地改造工程、河道整治工程、閘泵站改造工程以及信息化建設工程。

(1)控導工程。為前文所述活動溢流堰(西塘河溢流堰)、水閘(水廠河閘、知青河東閘)3座控導工程，用于增強內部河網的調控能力，能夠人為自由控制水位、流向、流量，也是自流活水的核心工程。

(2)低洼地改造工程。低洼易澇區的整治是達到最佳自流活水效果的必要前提。目前，吳江松嶺城區存在多處低洼地，雨水管道管底高程低，暴雨時排水不暢，甚至會發生雨水倒灌。另外，由于低洼地均是建成區，自流活水要抬高部分河道水位，低洼易澇區控制水位較低(2.6～3.1 m)，抬高地塊豎向不具備條件，不能滿足自流活水的整體要求。為保障居民的生命財產安全，維持日常生活秩序，低洼易澇區的整治至關重要。為此，本文針對城區內木中小區、油車小區的低洼地區，提出采用“小包圍”治理工程，其中，木中小區排水進入九龍河，利用閘站控制九龍河水位，可解決小區排水不暢問題；油車小區向油車河排水，利用油車河上現有閘站可降低油車河水位，防止油車小區北部的內澇積水，而油車小區南部低洼地采用調整后的“小包圍”治理措施，重新布置油車小區南的雨水管網，沿西塘河雨水出口封堵，使水流全部進入油車河，調整排水分區后采用“小包圍”工程治理。另外，對于振泰小區、西塘小區兩個低洼小區，依據海綿城市建設指南，在小區附近選擇合適的地點建設獨立的雨水花園，將雨水存于雨水花園，既可以抬高河道水位，滿足自流活水的要求，也不致小區內澇。

(3)河道整治工程。包括九龍河中段暗渠改箱涵及明渠、西段污水拆除和岸坡整治，油車河實施污水管改造，文化宮小內河和江新河斷頭浜整治，小廟港、翁家塘港兩條河道疏浚，梅石河束水斷面拓寬，高新河北段與新開河交接處打通等，這些河道整治工程均有利于城區活水方案的實施。

(4)閘站改造工程。為增強區域內的閘泵站調控能力，實施油車河閘、江新河上江新閘和江新泵站改造工程。

(5)信息化建設工程。建設城區防洪與活水聯控聯調信息化系統平臺，用于保障河網防洪和活水的精準程度與自動化程度，能夠自動監測和調控河道水位，依據不同水位、工況執行不同的調度方案，為城區水環境精準調控提供技術支撐。

4 方案實施效果分析

4.1 數值模擬

(1)工況設計

針對前文所述的控導工程、低洼地改造工程、河道整治工程及閘站改造工程建設完成后的情景進行模擬和計算。根據太湖、內河及大運河可能發生的水位情況進行組合，共設計3種活水工況，即自引自排(工況1)、自引泵排(工況2)和泵引自排(工況3)，其水位關系如圖2所示。當太湖水位高于內河水位還高于大運河水位時，城區內部河道閘門開啟、大部分泵站關閉，經過控導工程及閘門工程調控，可實現太湖優質水源自流進入城區內河再排入大運河，即工況1自引自排工況；當太湖水位高于內河水位并低于大運河水位時，需要開啟沿運河側大江河閘、北城河閘、東城河以及三江橋閘四座泵站排水入大運河，即工況2自引泵排工況；當太湖水位低于內河水位但高于大運河水位時，則需開啟牛腰涇提升泵站分別引水入牛腰涇及內蘇州河，促進城區活水自流，即工況3泵引自排工況。

圖2 3種活水工況對應水位示意圖(單位：m)

(2)模擬結果分析

利用構建的吳江市松陵城區水動力數學模型，計算3種工況條件下各河道的流量、流速，部分河道流量如表2所示?？梢钥闯?，經過精細調控，太湖優質水源不再從僅從骨干河道流走，而是進入城區內部中小河道，流量分配更加合理，大部分河道流速達到0.1 m/s以上。

表2 不同工況下城區河道流量統計結果 單位：m3/s

4.2 現場驗證

2019年底西塘河溢流堰等控導工程、低洼地改造工程、閘站改造工程、信息化工程建設完成，城區水環境綜合治理方案開始常態化運行，通過控導工程、信息化工程精確調控河道分流比，內部中小河道均流動起來，實現了城區全局調控和活水自流，吳江松陵城區水環境綜合治理部分工程，如圖3所示。

圖3 吳江松陵城區水環境治理工程

在城區水環境綜合治理工程建設完成并投入運行后，根據信息化系統導出的瓜涇港、吳家港及行船路3個典型斷面自2020年1—8月水質監測成果顯示(圖4)，NH3-N及CODMn質量濃度均穩定在Ⅲ類及以下水平，與以往相比，城區內水環境改善明顯。

圖4 吳江松陵城區典型斷面水質變化

5 結 語

吳江松陵城區為典型平原河網城市，水系呈獨特的“X”型河道，地理位置西臨太湖、東接運河，具有一定的代表性和獨特性。利用優質豐富的太湖水作為引水水源，綜合現有堤壩、閘、泵等水利工程科學調度，結合清淤拓浚、水系溝通、低洼地整治、控導工程、智慧管理等工程與非工程措施，形成了城區自流活水的河網格局，大部分河道平均流速達到0.1 m/s，同時最大程度減少泵站使用，避免了泵站抽排帶來的底泥翻起、水體感官變差、河道生態群落被干擾等問題。松陵城區水環境綜合治理工程順利實施后，提高了城區河網水體流動性，改善了水環境，促進了水資源可持續高效利用與水環境生態系統改善。本文提出以“自流活水”為核心的吳江松陵城區水環境綜合治理方案可在長三角地區乃至全國的平原河網地區城市進行推廣應用，對推動平原河網水環境改善具有一定參考價值。