武澄錫低片暢流活水方案研究

周 鍇，徐 紅，張 茜，劉 俊

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；2.張家港市長江防洪工程管理處，江蘇 蘇州 215600)

0 引 言

太湖流域是我國河網密度最高的地區之一。近年來，隨著城市化的快速發展，區域城市化率迅速提高，區域水面率下降、河道數目、長度大為減少的現象屢見不鮮，水體自然流動被嚴重破壞。在此背景下，河流污染負荷增加導致區域河網水體惡化，制約了城市經濟社會的穩定發展。因此，改善治理水環境，解決水環境諸多問題已迫在眉睫。

目前，我國已有許多改善城市河道水環境的措施。如，調水引流、控源截污等。其中，調水引流能夠非常快速有效地改善平原河網的水環境問題[1]。近代以來，較早的暢流活水相關實踐來源于日本[2]。20世紀90年代，福州市首次利用泵站引閩江水到福州市內河水系，促進了水體自凈能力提升[3]，是我國現代引流最早的實踐。21世紀初，杭州市實施錢塘江引水工程，使西湖和內河水系得到明顯改善[4]。太湖流域的“引江濟太”調水工程，減少了太湖水體的更新時間，自身的自凈能力也得到較大程度的提高[5- 6]。近幾年，上海、蘇州等市也實施了暢流活水來改善區域水環境[7- 8]。

本文通過建立一維水動力水質耦合模型，以太湖流域中武澄錫低片為研究區域，不同水源地的調度方式為研究對象，分析水體動力條件、現有工程調度的問題及水源的可用性和合理性，以此探究武澄錫低片區河網水質改善效果的最佳方案，為其他城市平原河網提供借鑒和依據，推進活水引流成為促進河網暢流活水、恢復水動力條件、促進河網水系良性循環，同時改善水環境的重要舉措。

1 研究方法

平原地區復雜河網不同于山區河網或簡單結構的河道，其水動力條件復雜、河網縱橫交錯、人工因素影響大，難以通過調度試驗或簡單的推導計算認識其規律，需借助完善的水量水質耦合模型。本文根據研究區水文環境等特征，構建一維水量水質耦合模型，模擬分析武澄錫低片的暢流活水方案。該模型可對分析區域的河道及現有工程做合理概化處理，以便較好地反映流域的水流特性[9]。

1.1 計算模型

本文利用經大量工程和研究實踐驗證的DHI MIKE11工具構建。研究對象為平原河網，采用MIKE11中的水動力模塊和水質模塊。水動力模塊采用動力波，輔以旁側入流，構成連續方程和動量方程組成的微分方程組[10]；水質模塊利用對流擴散方程進行污染物的計算。

1.2 水質計算

本文用調水前后污染物的濃度差與調水前污染物濃度的比值，來計算研究區內水體的水質改善程度，計算公式

ω=[C0-Ci/C0]×100%

(1)

式中，ω為污染物濃度下降率；C0為調水前污染物濃度；Ci為調水后第i天污染物濃度。

2 模型構建

武澄錫低片內，東部無錫市區、西部常州市區設有系統的城區防洪包圍控制工程，水動力條件相對較為獨立；北部河網水系距長江近，通常依靠長江潮位自引自排解決水體問題，具有獨特的地理優勢。本文研究針對的區域選取位于武澄錫低片中部的平原河網區域。此區域地面高程相對較低，圩區眾多，地面高程一般僅2.8～3.5 m；在現狀水體控制工程建設條件下，水體滯留情況嚴重；有不設控的運河穿區而過，區域水體并不完全受人工控制，是較為典型的武澄錫低片低洼平原河網區域。

2.1 計算范圍及概化

為保證研究區域邊界的相對穩定、提高計算精度、保證研究區域的完整性、保留一定的方案優化空間，以武澄錫虞區水利分區為基礎，概化范圍為北至長江、南至太湖、西至武進港、澡港河，東至錫澄運河的河網范圍內。本文選取的主要研究河網區域，北至環山河，南至洋溪河，西至武進港，東至錫澄運河，模擬計算范圍及評價區域見圖1。

圖1 研究區位置示意

本次研究主要概化內容包括河網、水工建筑物、污染源等。河道概化主要依據最新無錫市水利普查資料，河網中的內部湖泊、塘、溝以及斷頭浜等基本不起輸水作用的結構，以調蓄節點的形式概化到河道上[11-12]。對水工建筑物的概化，既要考慮區域防洪要求，設置防洪規則判斷語句，又保留方案規則接口，確保調度方案符合防洪安全要求。污染物概化以點源和面源的形式計算其入河比例以旁側入流的形式輸入到河道中。模型概化范圍、概化后的河網及水工建筑物見圖2。

圖2 武澄錫低片計算區域河網模型概化

2.2 參數率定與驗證

利用2012年11月～12月實測水位、長江潮位及降雨資料對模型進行率定。結合2012年最大7日降雨期間相應資料率定。對計算區域內青旸站、無錫站實測水位進行率定。選取2013年7月、2014年1月的實測資料進行驗證。顯示青旸站、無錫站的率定結果水位絕對平均誤差分別為6.0、1.2 cm，平均相對誤差分別為1.94%、0.69%，且水位趨勢與實際相符，峰值誤差在合理范圍內。

調研結果顯示，研究區內主要污染物為氨氮；故，以氨氮降解系數為本文率定指標。根據《太湖流域水環境容量計算與“十三五”規劃方案治理目標及污染控制總量分配研究專題報告》中武澄錫低片區水質模型率定參數，氨氮降解系數為設置為0.08/d[13]。選取2016年1月～3月監測斷面水質監測值和2013年7月和2014年1月長江實測潮位、太湖實測水位等邊界資料作為邊界水位進行率定，驗證武澄錫低片內2016年1月～3月11個監測斷面3個月水質監測平均值。驗證結果顯示，各監測斷面氨氮濃度相對誤差均小于23%，平均相對誤差為11%。

率定和驗證結果從水動力和水質上均能很好反映研究區水量水質狀況，可滿足在活水方案研究過程中水量水質的變化需求。

3 活水效果分析

3.1 方案設置

武澄錫低片區北接長江、南臨太湖，綜合考慮區域可利用水源后，從引江與引太兩個方向進行方案設計，分析比較兩者不同水源地、不同活水方式的優劣。方案依靠閘泵調度產生水位差促使水體流動性增加的方式進行暢流活水。

方案主要利用的水利工程有：新溝河沿江抽水站、西直湖港閘站樞紐、直湖港閘站樞紐、各骨干河道控制閘及引排水泵站等。因研究區河道自然水動力條件差，為保證方案的持續調度，達到較好的抬升水位、穩定流速效果，調水模擬時間初定為持續調度3周。在不執行活水方案時，河網水質現狀較差，河道基本呈緩流狀態，水體流速均小于0.05 m/s。將現狀情況設為方案0，根據不同水源及引水閘泵，擬定其他調度方案。具體模擬方案見表1。

表1 模擬調度方案

3.2 方案效果分析

研究區域基本位于無錫市范圍內。采用無錫市2016年監測斷面水質資料分析水質現狀。位于研究區內的6個斷面，即陸區西橋、陽山大橋、湖山橋、富安橋、錢橋、五牧橋中，劣V類斷面2個，占比34%；V類斷面2個，占比33%；IV類斷面2個，占比33%；無III類及III類以下水質類別的斷面，各斷面現狀平均水質為1.64 mg/L。各方案流速、水質情況與方案0對比后的結果見圖3。

圖3 各方案流速、水質對比

3.2.1 長江引水方案

(1)方案1。當研究區內河斷面、控制斷面流速達到或超過0.05 m/s時，活水所得到的流速改善效果佳，水體自凈能力改善效果佳；反之認為河道水體自凈能力不足。方案1通過新溝河江邊樞紐抽引長江水30.0 m3/s，新溝河至研究區域沿線閘門打開，清水經分流后進入西直湖港北樞紐，穿運河進入直湖港向橫向河道擴散。通過內河開閘自流，使整個片區的水動力條件得到明顯改善。模擬條件下，方案中各斷面現狀平均水質為1.64 mg/L，調水后平均水質為1.39 mg/L，水質平均改善15.2%。方案條件下調水后6個監測斷面中，水質類別為IV類水的有4個；水質類別為V類水的有2個。但長江距研究區較遠，新溝河沿線河道分流不完全受控，使方案水源不明確。估算進入研究區的水量僅占總引水量的43%，方案效率較差。

(2)方案2。針對上述問題，設計方案2進行優化，即在方案1基礎上，提高引水量至60 m3/s，其余設定基本保持與原方案一致。此方案增大引水動力以減輕沿線河道分流對研究區活水效果的影響。經模型計算后，發現流速、水質變化不大。綜合水動力模擬結果和水質模擬結果，與方案1相比，方案2依據江邊樞紐能力大幅提升了引水量，將進入研究區的水量提升至約25.4 m3/s。從活水效果來看，方案2對江南運河以北的河道水動力條件提升明顯，估算進入研究區的水量約占總引水量的42%，與方案1大致相同，方案效率仍較差。

方案1、2說明，僅通過提升引水總量難以抵消遠距離引水沿線分流產生的影響。

3.2.2 梅梁湖引水方案

(1)方案3。此方案由西直湖港樞紐向北抽排22.5 m3/s，尖岸泵站向西抽排8.0 m3/s，抽排動力共30.5 m3/s。對直湖港、新溝河和橫向各河道暢流活水。通過直湖港太湖口門開閘自流的方式，通過水頭差引入太湖水約9.4 m3/s，整個片區的水動力條件均有一定程度改善，監測斷面下的流速基本超過0.05 m/s。退水通過西直湖港北樞紐經過立交地涵經新溝河進入江南運河以北地區，后經新溝河沿線河道排入錫澄運河和江南運河。模擬條件下，方案中各斷面現狀平均水質為1.64 mg/L，調水后平均水質為1.38 mg/L，水質平均改善15.9%。方案條件下調水后6個監測斷面中，水質類別為III類水的有2個；水質類別為IV類水的有3個；水質類別為劣V類水的有1個。但平原河網水流不易受控的特點，使方案水源不明確，從梅梁湖引水僅占所引水量的約31%，活水效果不理想，甚至可能出現往復倒流。

(2)方案4。針對上述問題，設計方案4進行優化，即通過直湖港樞紐泵站，從太湖引水30.0 m3/s，開啟各橫向骨干河網的控制閘門，以抬高水位產生的水頭差使梅梁湖水進入武澄錫低片河網自然流動進行暢流活水，形成以主動引水為動力、內河由直湖港、新溝河橫向擴散流動的活水結構。模擬條件下，方案中各斷面現狀平均水質為1.64 mg/L，調水后平均水質為1.04 mg/L，水質平均改善37.5%。方案條件下調水后6個監測斷面中，水質類別為III類水的有3個；水質類別為IV類水的有2個；水質類別為V類水的有1個。方案4與方案3相比，引水結構發生變化，以直湖港湖邊口門調水泵站引水，保證了水源利用效果；在引水流量基本一致的前提下，引入研究區的水源較有保障，同時活水使片區各河道流速均有提升，各水質監測斷面流速均超過0.05 m/s。在引水規模基本一致的情況下，方案4明顯提高了方案的可靠性，明確了方案引水水源，達到了更好的引水效果。但在活水流量充足的條件下，由于各河道規模及河底高程、比降不同等自然原因，方案4之中研究區各河道水動力條件提升情況差異較大，部分河道流速改善極不明顯。

(3)方案5。針對方案4中的問題，設計方案5進行優化，即保持與方案4一致的引水規模，將引水流量分布到各骨干河道的小型排澇泵站或引水泵站。開啟引退水路徑的各骨干河網的控制閘門，同時開啟直湖港樞紐太湖口門節制閘配合研究區閘站控制工程，基本保證活水水源為梅梁湖。各斷面現狀平均水質為1.64 mg/L，調水后平均水質為1.16 mg/L，水質平均改善29.3%。方案條件下調水后6個監測斷面中，水質類別為III類水的有2個；水質類別為IV類水的有3個；水質類別為V類水的有1個。與方案4相比，進一步優化引水結構，將活水規模分布到研究區內主要河道，利用現有工程保障活水水源，在達到與優化方案2接近的水質提升效果的條件下，較好地解決了水動力提升不均勻、不同河道水體流動性差距較大的問題，且活水路徑明確，水體利用率高。

4 結 論

(1)本文基于太湖流域武澄錫地區實測資料建立了一維非恒定流水動力水質耦合模型。經率定與驗證，此模型基本可以反映武澄錫地區河網的現有情況；并給武澄錫低片典型區暢流活水方案研究提供了堅實的理論基礎。

(2)研究區有發達的縱向骨干河道(新溝河—直湖港)，橫向支河密布，主要水源明確。依靠長江和太湖(梅梁湖)兩個水源，通過制造水頭差促使河網水體流動皆可達到較好的活水效果，各活水方案使骨干河網水體由基本滯留改善至斷面流速普遍提升。

(3)橫向對比各方案內水質監測斷面的模擬結果表明，根據水體流向優化后的活水方案可顯著降低監測斷面的污染物濃度?；钏畬ξ廴疚锉镜诐舛容^高的斷面改善比例較大；受水源條件及活水路徑限制，對本底值較好的斷面改善不明顯。綜合比較各方案，分布式活水方案引水在論文所研究的武澄錫低片典型平原河網水系結構地區有較好的活水效果。