新孟河引江期間金壇城區調水方案研究

張絲葦

（上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200434）

0 前言

長三角一體化進程中,城市水環境改善、水生態文明建設成為高質量發展的重要組成部分。常州市金壇區位于太湖流域上游、湖西區腹地,是長三角城市群的重要組成部分,也面臨著典型平原城市河網面臨的水動力條件不足、水體滯流、水流往復等問題[1]。

金壇區水系整體呈自北向南,自西向東,北引運河,東、南排太湖的引排格局,金壇區水環境改善對于入湖水質提升有益。近年來控源截污工作日見成效,金壇城區水環境質量有所改善,但仍存在水動力條件差、水體流動性不佳、水體自凈能力差等問題。

目前,太湖流域骨干引排河道新孟河延伸拓浚工程即將實施完成。該工程是流域洪水北排長江的骨干工程之一,也是流域主要引水河道,具有改善水環境、提高防洪排澇和水資源配置能力等綜合功能和效益[2]。該工程的實施,將增加金壇北引長江水,汛期北排長江的通道,對于金壇區整體水資源配置能力的提升有益。但是新孟河大流量引江期間,其水位的抬升將導致金壇城區上下游水頭差進一步減小,城區河道水動力條件進一步惡化。因此,考慮因勢利導,通過實施城區水系連通及引調水方案,改善新孟河延伸拓浚工程實施后城區水動力條件是十分有意義的。

1 研究區域概況

1.1 區位概況

金壇區隸屬于江蘇省常州市,地處江蘇省南部,太湖湖西腹地,西枕茅山與鎮江句容市為界,東與常州武進區相連,南與溧陽市接壤,東南與無錫宜興市,西北及東北分別與鎮江丹徒區和丹陽市毗鄰。

金壇城區是金壇經濟、文化和政治中心,根據《金壇市城市總體規劃（2013 ~2030）》以及金壇城區經濟發展要求,金壇城區范圍為：東至銀湖路接丹陽邊界,西以新丹金溧漕河為界,南至常合高速,北以通濟河接老丹金溧漕河與丹陽邊界,總面積為168.8 km2。

1.2 水系及水利工程建設情況

金壇區水系整體呈自北向南,自西向東,北引運河,東、南排太湖的引排格局[3]；汛期金壇區主要來水為西部山區降雨徑流及丹金溧漕河；非汛期,丹金溧漕河為金壇區主要來水水源。丹金溧漕河上游連通京杭運河,其來水水量依托于湖西區引江口門[4]。丹金溧漕河多年平均徑流量為2.5 億m3。新孟河延伸拓浚工程實施后,隨著其引江能力的發揮,湖西區其他沿江口門引水量將有所減少,通過丹金溧漕河入金壇的水量將有所減少。另外,丹金溧漕河水質受上游丹陽來水影響很大?？傮w而言,作為金壇區現有來水水源,丹金溧漕河的水質、水量的保障性不高。

金壇城區水系（圖1）以丹金溧漕河為中軸,西連通濟河,東連柘蕩河、堯塘河、下塘河,南連下坵河、方洛港；湖蕩主要有錢資湖,北與濱湖新城水系及下坵河相連,南通過新建河、方洛港與長蕩湖相連,東與錢資東河相連,形成一個城區水系互連互通的河網格局。目前城區共有64 條河道,4 片水面,水面率為8.30%。

金壇城區采用城市大包圍與圩區建設相結合的防洪體系。良常樞紐、龍山樞紐、石橋樞紐、金花河閘站等形成中心城區大包圍；潘莊圩、南墅圩、小柘蕩圩等圩區內建筑物較多,為調水引流提供良好條件。

2 研究方法

2.1 模型介紹

太湖流域模型已應用于太湖流域防洪規劃、水資源綜合規劃、水環境綜合治理總體方案等重大規劃的水利計算,以及望虞河、新孟河、新溝河和走馬塘等流域性工程的論證工作,目前已較為成熟[2]。

2.2 模型搭建

利用太湖流域模型集成的大量基礎資料,在此基礎上,收集金壇城區及周邊區域河道、地形資料,對研究區域進行局部細化并構建金壇城區及其周邊河網水文-水動力-水質耦合模型,模型計算范圍見圖2。

計算水文年型采用2000 年流域平水年型。2000 年型降水過程與多年平均過程的基本相當,屬太湖流域的平水年：流域全年面雨量1074.2 mm,保證率為52%；湖西區全年降雨保證率為55%。從水文條件出發,2000 年可充分代表太湖流域及湖西區平水年年型[5]；且新孟河調引長江水改善太湖流域水環境方案研究的計算典型年也采用2000 年實測雨量水位過程,與其保持一致,本模型計算典型年采用2000 年。

采用2000 年金壇站、王母觀站實測水位對金壇城區水位進行率定,采用2018 年城區河道代表站點實測污染物指標濃度對水質進行率定,率定結果表明,計算值與實測值基本接近。

3 調水方案研究

根據新孟河延伸拓浚工程模型計算結果,2000 年平水年型下,新孟河全年總引水量35.13 億m3,8 月~9 月為連續引水期,引水量12.64 億m3,大約占全年引水量的36%[6]。新孟河延伸拓浚工程規劃工況下,新孟河與堯塘河交界處全年平均流量154 m3/s,7 月~10 月大流量引江期間平均流量245 m3/s,金壇城區上下游水位差僅3 cm（丹金閘處斷面作為城區上游水位代表斷面,新孟河與堯塘河相交處斷面作為城區下游水位代表斷面,見圖1）。選取連續引水期2000 年8 月作為本次調水方案研究時段。

調水方案結合流域整體“引江濟太”的格局：新孟河連續引江期間,水位高、流量大,一方面對城區河道產生頂托,導致城區河道滯流情況加重；另一方面也為金壇城區創造了較好的調水引流條件。同時,方案必須保障區域防洪排澇安全：當遇到暴雨時,服從流域調度,提前預降丹金溧漕河水位。

在此前提下,以城區上下游水位差作為主要控制因素,以水量、水質為參考指標,通過水系連通、束水建筑物改造、增加必要控導建筑物等措施,實現優化調度。調度規則如下：

當城區上下游水位差較小時,關閉堯塘河下游鋼壩（規劃新建）,石橋樞紐向北引水,復興河閘站向北引水,控制城區東側優質水資源通過錢資東河進入城區。關閉良常樞紐,控制一支水流入老丹金溧漕河,并通過控制金花河閘站引導另一支水流進入金花河,與復興河、堯塘河引水一同匯入堯塘河補充至經濟開發區東北片；濱湖高鐵新城片通過錢資湖樞紐引長蕩湖水多條路線給周邊配水；華科園片區通過岸頭翻水閘站或紅星樞紐向片區內引水,活水方式多樣。

以城區主要河道——新、老丹金溧漕河、堯塘河、下塘河、錢資東河、金花河等河道的流速情況為判斷條件,判斷調水方案前后城區水動力條件的情況。

具體方案見表1。

表1 計算方案設計列表

4 結果與分析

4.1 城區河道水位分析

統計方案一、方案二計算水位可知,新孟河工程引江期間,城區河道整體水位較現狀平均抬升17 cm。如表2 所示,城區上下游水位差由現狀的14 cm減少至3 cm。如圖3 所示,城區東片河道堯塘河、下塘河、電勝河、金花河、復興河等河道的水位更加趨于一致。總體而言,通水后,新孟河引江期間對金壇城區河道頂托作用明顯,東片河道尤甚；城區上下游水位差減小,水勢減小。

表2 新孟河通水前后上下游水位差值 單位：m

圖3 城區主要河道水位

4.2 城區河道流速分析

采取邊界為2000 年平水年8 月,現狀條件下（方案一）,城區骨干河道流速條件尚可,但規模較小河道流速基本接近于0；經統計,流速小于5 cm/s的河段占所有城區河道的33%。

新孟河工程引水期間（方案二）,由于其水位頂托,城區上下游水頭差進一步減少,城區城區東片河道受頂托尤甚,堯塘河等河道滯流嚴重、水流往復,上游丹金溧漕河來水無法順利進入東側河道,更多的水量自城區西側流出,新老丹金溧漕河流速增大。但總體而言,城區河道的水動力條件較現狀惡化；對城區主要河道進行統計,僅新丹金溧漕河流速大于0.1 m/s,流速在0~5 cm/s的河段占城區所有河道的80%以上。

如圖4 所示,采用水系溝通及調水方案改善后（方案三）,城區河道流速提升,水動力條件得到改善。方案三較方案二,主要河道流速提升約3 倍；較現狀（方案一）,流速提升約70%,城區水動力條件顯著改善。

圖4 城區主要河道流速

4.3 城區河道水質分析

采用水系溝通及調水方案改善后（方案三）,城區河道水環境容量增加,水質明顯改善。如表3 所示,方案三較現狀,NH3-N濃度下降約59%,TP濃度下降約16%。這也佐證了,調水引流工程可以促進平原河網水體有序流動,改善河湖水環境,是水環境綜合治理中一項非常必要的措施[7-8]。

表3 調水引流前后城區河道水質濃度 單位：mg/L

4.4 引水時段分析

2000 年平水年型,無任何調度情況下,金壇城區主要河道天然流速與上下游水頭差之間的關系見圖5 。據統計,水位差在0~5 cm之間時,城區河道流速情況最差、多條河道流速接近于0,且城區河道正向、逆向流動不一,流向紊亂；水位差在5 cm~15 cm時,主要河道呈正向流動,但流速較小,金花河、電勝河及局部小河道流速在0~5 cm/s之間；水位差>15 cm時,城區主要河道流速能達到5 cm/s,城區自然流速狀態較好,僅有局部小河道流速仍接近于0,需要通過閘泵調度實現流動。但是全年水位差>15 cm的時間全年僅29 天,且多集中在汛期,條件苛刻,實則可遇不可求。

圖5 城區主要河道天然流速與城區上下游水頭差的關系

考慮經濟性與實操性,引水時,應根據城區上下游實際水位、水質條件選擇適宜的調水模式。當城區上下游水位差較小時,推薦采用優化調度方案對城區水動力條件進行改善。水位差較大且丹金溧漕河水量水質占優時,可采取自流并配合局部片區小閘泵進行調度。

5 結論與展望

（1）基于金壇城區及其周邊河網水文-水動力-水質耦合模型計算成果,新孟河延伸拓浚工程引江期間,金壇城區河道受下游新孟河高水位頂托,滯流情況加重；在此情形下,可因勢利導,通過優化調度方案增加城區優質水資源,改善城區水動力條件,提升城區河道流速,并改善城區水質情況。

（2）金壇城區調水引流方案,應在服從流域防洪、水資源調度的前提下進行實施。引水時,應根據城區上下游實際水位、水質條件選擇適宜的調水模式。

（3）調水引流是改善平原區城市河網水動力條件的重要措施,也是水環境提升的重要基礎。通過促進水體有序流動、增加水體水環境容量實現對于水環境的改善。通過工程優化調度改善金壇城區水動力條件,進而為改善水環境制造有利條件。金壇區水環境的改善對于入湖水質提升有益。