濱江復雜河網地區智慧調水方案研究

許建平 陳伯進 康艷萍 丁金鳳 蘆荀

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇南京 210017；2.江陰市白屈港水利樞紐工程管理處，江蘇江陰 214400）

1.研究區域

江陰市位于 31°40′34″N～31°57′36″N，119°59′～120°34′30″E，北枕長江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州。地處太湖平原河網區，境內河港縱橫交叉、溝塘密布，河流密度4.98km/km2，水勢流向比較復雜；總面積約為986.97km2，陸地面積811.7km2，水域面積175.8km2，其中長江水面56.7km2。沿江深水岸線長達35km，城市建成區面積125km2，全區地貌主要分為長江沖積平原、太湖水網平原及低山丘陵。江陰屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明、光照充足、雨量豐沛。年平均氣溫15.8℃，歷年最高氣溫41.3℃，歷年最低氣溫-14.2℃，年平均日照數2113.3h，平均無霜期227d，平均降雨量1117.1mm，年最大降雨量2217.5mm（2016年），年最小降雨量為581.8mm（1978年）。多年平均日照數為2026.6h。

2.研究方法

2.1 模型構建

2.1.1 水文水動力模型

（1）降雨徑流模型。根據江陰市地理特征，將江陰市土地利用分為旱地、水面、水田、建設用地四大類。分別采用上述4類下墊面產水模式，模擬江陰市降雨產流過程。

（2）坡面匯流模塊。根據江陰市河道、泵閘，將區域劃分成多個河網多邊形，各單元內可以分別建立分布式水文模型，對水面、水田、旱地、建設用地等不同下墊面的分布特征分別建立產匯流模型，最后耦合形成本小區內的分布式水文模型。在各多邊形區域中近似劃分各河道的集雨面積，采用近似單位線的方法確定每個河道集雨區的坡面匯流時間。將該河道集雨面積上的產流按照單位線法以旁側入流的形式均勻匯入該河道。

（3）河網水動力模型。江陰市水動力模型可分為一維河道模型、零維模型，前者用于模擬平原河網內水流的運動，后者則主要考慮湖泊、塘壩、葦蕩等的調蓄作用。

（4）水利工程模型。水閘、泵站等水利工程是江陰白屈港水環境調度中最重要的控制工具，可通過水力學的方法來模擬水閘、泵站等的水流運動[1]。

（5）工程調度模型。基于江陰水文水動力模型及水利工程模型，通過水利工程運行規則來控制各閘、泵等水利工程的運行，從而實現江陰市白屈港的調水。

2.1.2 水環境模型

（1）污染負荷模型。非點源污染負荷的定量化研究是流域污染治理的重要基礎性工作，針對非點源污染負荷時空分布不均勻的特點，將區域非點源污染分為城市和城鎮降雨徑流污染、畜禽養殖污染、農田降雨徑流污染、農村生活污染和水產養殖污染等五種類型，分別計算其流失過程。污染負荷模型從結構上分為產生模塊和處理模塊兩大部分，產生模塊用于計算各種污染源的產生量；處理模塊計算污染物經過各個處理單元后的污染負荷入河量。

（2）河網水質模型。河網模型系統中的水質模型分別是調蓄節點水質模型、河網水質模型。調蓄節點水質模型主要模擬流域內除太湖以外的湖泊水質變化規律，河網水質模型用于研究太湖平原河網污染物的運移轉化規律。水質模型與水量模型耦合聯算，采用控制體積法進行數值離散。

（3）來水組成。來水組成模型是以水質模擬計算為基礎的，在模型方程中只考慮了對流項，沒有考慮源項，計算結果不同于水質模擬，來水組成計算有理論解，考慮了所有水源，對任何一個河段或斷面，各種來水組成比例總和等于1或100%。

2.2 方法實施

首先基于河道地形、湖泊地形、水利工程規模及位置等資料，構建水動力模型[2]，基于行政分區、下墊面信息、流域站網、水田灌溉資料等，構建水文模型[3]，基于區域取排水、污染負荷資料等，構建取排水模型及污染負荷模型，并采用2018—2019年水文水環境監測資料，實現區域水量水質的模擬。在了解現有調水路線的基礎上，基于白屈港水環境調水模型，模擬、分析各調水方案下湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水環境改善情況。

3.研究結果

基于白屈港調水模型，組合各水利工程不同的運行方式[4]，形成多種調水方案，模擬、分析不同調水方案下各水利工程對晃山橋、湖莊橋、鳳凰三站水環境狀況的影響；篩選、推薦分別滿足三站、二站、單站水質達標要求的3種較優調水方案。將上述3種方案通過調度預案的方式設入模型，實現3種調水方案的智能決策。

3.1 湖莊橋、鳳凰、晃山橋水質改善調水方案

白屈港樞紐引水流量為80m3/s，白屈港西側各閘（東橫河東閘、西閘、斜涇河閘、馮涇河閘、青祝河閘、文林節制閘）基本關閉，白屈港東側蘆墩浜閘、周莊套閘、文林套閘、璜塘套閘、祝塘套閘等適當開啟，使長江來水分別主要通過蘆墩浜閘、璜塘閘、周莊套閘（或祝塘套閘）、文林套閘，沿白屈港河段、張家港河段、富貝河段、東清河段等完成湖莊橋、晃山橋、及鳳凰三站水環境循環改善[5]。調水路線見圖1。

圖1 調水路線圖

基于上述調水方案，依據2020年歷史水文水環境資料，模擬、計算2020年平水期1月湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水質情況。通過調水方案，湖莊橋、晃山橋、鳳凰三站的水環境狀況基本可達Ⅲ類水。水質氨氮濃度具體結果見圖2。

圖2 水質模擬圖

從上圖中可以看出，該調水方案下湖莊橋水質改善最完全，鳳凰次之，晃山橋最差。

3.2 湖莊橋、鳳凰水質改善調水方案

湖莊橋水環境改善主要通過白屈港輸水河段，經過璜塘套閘引江水來實現。而鳳凰水環境改善則主要通過璜塘套閘、祝塘套閘，經過張家港河、青祝運河引江水實現。在調水時，白屈港抽水站流量保持80m3/s，關閉白屈港西側各閘，開啟周莊套閘、祝塘套閘。本調水路線下，湖莊橋和鳳凰橋的水質均有較大程度的改善，濃度達到Ⅲ類水的標準。表明該方案可以達到改善2個站點水質的效果。

3.3 晃山橋水質改善調水方案

晃山橋位于江陰市白屈港調水區域東南的東清河上，水質狀況主要受周莊套閘、文林套閘等運行影響較大。在調水過程中，需關閉白屈港西側各閘，開啟璜塘套閘、文林套閘，使長江水盡可能多地到達晃山橋。本調水方案下，晃山橋站長江來水比例為10%～20%，晃山橋水質在持續調水之后可以達到Ⅲ類水標準。

4.結論與展望

本文基于白屈港調水模型，組合各類白屈港調水水利工程運行方式，設計、構建各類調水方案。并采用歷史水文水環境資料，模擬、分析各類調水方案下晃山橋、湖莊橋、鳳凰3站的水質濃度情況。依據晃山橋、湖莊橋、鳳凰3站水環境達到Ⅲ類水的標準，篩選、推薦江陰市白屈港水環境調度較優方案，實現江陰市白屈港水環境的優化調度。

由于本文僅利用部分邊界資料，長江大通站缺少水質監測資料，大通水質邊界采用Ⅰ類水來模擬，楊林站缺少實測水質、潮位資料，楊林水質邊界、潮位邊界均采用肖山實測水質、水位數據來模擬，常州、太湖缺少實測水質資料，二者水質邊界分別采用璜土丁莊、瓜涇口西來模擬。另外，缺少沿江樞紐、望亭立交等重要水利樞紐的具體運行規則資料。上述資料的缺失，勢必會影響模擬精度，后期應加強資料收集和研究。