宜興新城區水系連通方案研究

封 瓊，畢忠飛，汪 惠，周文琦，劉 俊

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；2.德清縣水利水電工程質量安全中心，浙江 德清 313200)

0 引 言

隨著我國城鎮化的快速發展，城市建設活動侵占河道的現象屢見不鮮，水系渠化、硬化，水系連通性下降，繼而引發洪澇災害、水質污染等水問題[1]。城市化地區水系結構變化也引發了大量學者的探討[2]，2009年Lesschen等用模型模擬徑流的水文水力過程的改變對水系連通的影響[3]，2011年Karim等采用MIKE21模型模擬洪泛平原與其水系連通的時空特性[4]。

進入21世紀以來，以改善城市水環境為目的的生態水網建設也相繼出現，如武漢2009年大東湖生態水網、鄭州市2010年生態水系等[5]。本文針對宜興新城區的水系連通性下降產生的水安全和水環境問題，基于《宜興市王婆河以東區域防洪排澇規劃》設定4組水系連通方案，利用MIKE11構建水文水質模型，探究科學合理的水系連通方案，為研究區城市化建設工作提供參考。

1 研究區概況

研究區域宜興市城區位于城市東端、東氿北側，規劃面積約6.06 km2，研究區域內部河道現狀共有21條，總長15.58 km。其中，鎮級河道3條，村級河道18條。現狀20年一遇排澇限制水位圩內4.8 m，圩外為5.2 m，規劃范圍周邊現狀有灌溉泵站或灌排泵站8座。研究區域宜興市城區現狀水系如圖1所示。

圖1 研究區現狀水系

2 水文水力水質模型構建

2.1 模型選擇

宜興新城區屬于長江下游平原河網地區，地勢低平、河網交錯流向不定，受人類干預影響較大。地處太湖西岸，發生暴雨洪澇時易受當地降雨、上游客水和下游太湖水位頂托的影響，邊界條件和降雨徑流條件組合多變。因此，針對以上研究區水文模擬的難點，本文選擇丹麥水力研究所開發的河網非恒定流模型MIKE11模型對研究區防洪排澇和水質情況進行模擬分析，MIKE11模型相較于其他模型功能完善，可在模型同一框架中處理多個子匯水區、復雜河網、水工建筑物調度、污染物遷移等模擬，滿足研究區的水文、水力、水質三方面的數值模擬需求[6]。本次建立水動力模塊(HD)，降雨徑流模塊(NAM)和對流擴散模塊(AD)耦合的河網非恒定流模型，對研究區域水文水質情況進行模擬計算。

2.2 模型構建

2.2.1 河網概化與水文概化

本次將研究區域東邊界范蠡大道合理東延至水系邊界南酷河，計算范圍為7.50 km2。現狀條件共概化河段41條，閘泵8座(見圖2)。研究區位于平原河網地區，河道縱橫交錯，且受人為干預較多，直接使用DEM數據提取數據可能會有較大的誤差；因此，本文基于地形、下墊面資料及河流的流向等條件，將各主干河道定為基本邊界進行集水區域的劃分[7]，將劃分的集水面積作為模型NAM模塊的輸入信息，完成水文模塊的概化，與河網建立連接形成研究區域水文水力耦合模型，用于排澇水文模擬分析。

圖2 現狀河網概化

2.2.2 污染源概化

根據2019年12月～2020年7月規劃區域內各市級河道的水質監測數據，發現規劃區域內河道水體的主要污染物為NH3-N；因此，本研究的河網污染物質主要考慮NH3-N，其他河網污染物質不做詳細模擬。工業及企業以點源污染為主，直接將排污規模、污染物濃度等信息根據排污口位置加入概化河網相應河段中；農村耕地面源污染、城鎮與農村生活面源污染根據《宜興年鑒(2019)》提供的人口、耕地等數據進行估算；然后參照規劃區域土地利用現狀圖將面源污染概化分各河段中，按完全混合模型進行計算。

2.3 模型率定

2.3.1 邊界條件

(1)排澇水文分析計算邊界。根據《宜興市城市總體規劃(2017～2035年)》，選用靠近團氿處的宜興西站1950年～2016年共計67 a的水位資料進行水位頻率分析。根據計算成果本次模型排澇水文計算邊界東氿與南酷河20年一遇防洪水位定為4.9 m，蕪申運河和東湛瀆港20年一遇防洪水位定為5.0 m。

(2)枯水期水質分析計算邊界。進行水質分析的邊界水位設定為枯水期水位，東氿與南酷河水位設定為2.9 m，蕪申運河和東湛瀆港水位則設定為3.0 m。邊界水質條件選取2020年1月水質監測數據為枯水期污染物濃度值，邊界污染物主要設置NH3-N，污染物濃度設置定值。

2.3.2 模型參數

(1)水動力水文參數率定。在現狀河道水系的基礎上選用2020年8月3日～8月9日每日08∶00與20∶00的實測數據進行水動力和水文模塊的率定，模型邊界條件為邊界點水位實測值，降雨數據采用監測點1實測降雨量，監測點1與2的實測水位用于模型擬合，監測點位分布見圖3。經過率定水動力模塊的參數河段糙率取曼寧系數n為0.026～0.032。主要的降雨徑流模型NAM參數的取值情況見表1。監測點1與2的水位率定結果見圖4，驗證結果見圖5。

對比分析結果顯示，水位率定結果基本符合實測情況，計算所得監測點1與監測點2的均方根誤差分別為0.029和0.030，均小于0.05，在誤差合理標準范圍內。

圖3 研究區水系片區劃分及監測點位

表1 NAM模型參數值

圖4 監測點實測水位與率定結果

圖5 監測點實測水位與驗證結果

(2)水質參數率定。在水文水動力模型的基礎上進行對流擴散模塊的參數率定與驗證，選用2020年8月3日～8月9日每日8∶00與20∶00的實測數據進行水質模塊的率定，2020年8月24日～8月30日每日08∶00與20∶00的實測數據進行水質模塊的驗證，監測點1與2的實測水質用于模型率定和驗證，率定結果見圖6，驗證結果見圖7。經計算，率定結果的最大偏差為17.88%，驗證結果的最大偏差為18.10%，均小于20.00%，表明水質參數率定結果基本合理。率定得到，主要水質指標降解系數K氨氮取0.07/d。

圖6 監測點水質實測值與率定結果

表2 各方案對比情況

圖7 監測點水質實測值與驗證結果

3 方案擬定

為使研究區在因城鎮建設填埋了部分河道之后能進一步達到防洪和水環境的要求，逐步實現水系結構的優化布局，本文在現狀的基礎上，基于《宜興市王婆河以東區域防洪排澇規劃》設定4組水系連通方案，按照水系連通規模由小到大進行編號排序。由水系連通帶來的下墊面變化忽略不計，模型計算的邊界條件和相關參數設定與現狀一致。各方案對比情況見表2，河網概化見圖8。

4 水系連通對水文水質的影響分析

4.1 水系連通對水文影響分析

排澇水文模擬分析時重點關注水位的變化情況[8]，主要比較河道水位的抬升與降低情況，利用研究區水文水力耦合模型計算各方案20年一遇降雨條件下各河道水位，計算結果見表3，其中水位降低指本方案比前一個方案降低的水位值。為方便進一步分析研究區域水系連通方案下的水文水質狀況，將研究區域水系劃分為圩內片區、東北片區、西南片區、東南片區，水系分區見圖3。根據表3做出各方案與前一個方案相比各河道水位的升降情況圖(見圖9)。

圖9顯示，從方案1到方案4水系連通度越大，水位下降幅度越大，受影響的河道數量越多。圩內片區由于進出水系受到閘泵控制，因此4種方案下均未受影響。

方案1相較于現狀水系總長減少了1 434 m，46.3%的河段20年一遇排澇水位有不同幅度的抬升，東南片區的河道水位抬升最為明顯，水位有5～7 cm的上升，主要是下游河段要承受局部水面率下降造成的排澇壓力，上游河段由于下游排水不暢水位也有一定抬升，填埋河道下游水位抬升比下游水位抬升更明顯。

圖8 各方案河網概化

表3 各方案系20年一遇河道水位 m

圖9 各方案河道水位升降示意

方案2相較于現狀水系總長增加了915 m，有38.8%的河段20年一遇排澇水位有不同幅度的下降，新開河段江南大學環繞河和新源河附近最高水位降低最多。各河道20年一遇水位整體降低，且南側水系水位降低比北側明顯，斷頭浜附近盡管因為新開河道水系連通性有所上升；但水位仍無法有效降低反而抬升了0.13 m。

方案3相較于現狀水系總長增加了1 378 m，有40.4%的河段20年一遇排澇水位有不同幅度的下降。從方案2到方案3僅連通部分河段，水系總長增長463 m，由于新開河段長度較短因此河道系20年一遇排澇水位降低與方案2相比不是特別明顯。由于改善了臨澤濱的斷頭浜、增加了蔣巷河-新源河-西橫河-五瀆河之間的“日”字形水網的水系連通性，部分河段的水位也有所降低。

方案4相較于現狀水系總長增加了1 770 m，有46.7%的河段20年一遇排澇水位有明顯的下降，隨著官瀆港-唐角村河、對方圩河-東九村河斷頭浜的連通，東南側水系的水位降低明顯。從方案3到方案4僅連通部分河段、減少斷頭浜，水系總長增長392 m；但20年一遇排澇水位降低比方案3更明顯，主要是因為斷頭浜的減少改善了水系連通性，增加了水系調蓄洪澇的能力。

4.2 水系連通對水質影響分析

研究區域各方案的部分河網水環境狀況計算成果見表4，表中計算結果為主要連通河段與填埋河段周圍的河道NH3-N狀況。

表4顯示，總體來說現狀到方案1污染物濃度整體升高，方案1～4污染物濃度有所下降，但水質在類別上太大的變化，部分河道從V類水變為IV類水。各方案以NH3-N為例進行水系連通對水質的影響分析，見圖10，其中削減率為各方案相較于前一個方案的污染物濃度削減率。

根據圖10分析各方案水系連通下水質的變化顯示，圩內片區由于進出水系均受到閘泵控制，因此水質未受影響。

方案1相較于現狀整體污染物濃度升高了2.19%，圩內污染物濃度無明顯變化，東北部水系的污染物濃度有0.83%的下降，西南部水系和東南部水系受到填埋河道的影響，平均污染物濃度分別有4.06%、8.39%的升高。

方案2相較于方案1整體污染物濃度下降了3.05%，東北部水系平均污染物濃度有0.50%的下降，西南部水系由于新開通了新源河平均污染物濃度下降了4.38%，東南部水系因新開西側江南大學環繞河，平均污染物濃度下降了6.27%。其中，新開河段附近的中家橋河、蔣巷村河污染物濃度降低最多。

方案3相較于方案2整體污染物濃度下降了0.49%，總體來說連通性增加的附近河段污染物濃度有所下降，當新源河和林澤濱部分河段能夠連通的情況下，西南片水系和東南片水系污染物濃度分別降低了1.59%、0.53%，各河道水質整體變化不大。從方案2到方案3僅連通部分河段，水系總長增長463 m，水質情況與水位變化一致，水系連通影響不大。

方案4相較于方案3整體污染物濃度下降了3.29%，東北部水系由于官瀆港-唐角村河的斷頭浜建立了連接，平均污染物濃度有4.38%的下降，西南部水系的污染物濃度有1.68%的下降，東南片水系由于對方圩河-東九村河建立了水系通道并填埋了部分斷頭浜，平均污染物濃度下降了3.80%。

表4 枯水期各方案下研究區域的河網水環境狀況 mg/L

圖10 各方案河道NH3-N濃度削減情況

5 結 論

(1)水文影響分析主要分析水位改變情況，現狀到方案1整體水位抬升，方案1～方案4整體水位降低。與現狀相比，方案1水系總長減少了1 438 m，河道水位有明顯抬升，方案2、3、4水系總長分別增分別了915、1 378、1 770 m，分別有38.8%、40.4%、46.7%的河段20年一遇排澇水位有明顯降低。

(2)水質影響分析主要分析NH3-N的濃度削減情況，污染物濃度削減率整體從現狀到方案1降低，方案1～方案4升高，方案1的平均污染物濃度比現狀升高了2.19%，方案2、3、4的平均污染物濃度分別比前一個方案降低了6.27%、0.49%、3.29%。

(3)從方案3到方案4，水系總長增量不多；但由于改善、減少了斷頭浜，連通形成了“日”字形水網，水系連通度增大，對水位下降、平均污染物濃度降低的效果更好。因此在進行水系連通布局時，除了控制水系總長和水面率，優化水系結構布局可以有效增大水系連通度，改善排澇不暢、水環境等水問題。