長三角超低洼限制引排區域活水暢流研究
——以昆山市典型圩區為例

黃袆靜

(淞際環境規劃設計(上海)有限公司，上海 200030)

1 引言

隨著城市化進程的加速，水資源短缺問題日趨凸顯[1]。地處長江三角洲的蘇州、無錫等市地區水質型缺水問題嚴峻[2]。平原河網地區水系復雜，為保障防汛安全，低洼地區多建圩區[3，4]，圩口由閘站控制，日常處于關閉狀態，圩內水系連通不暢，流速較小，易造成水質惡化[5]?；钏畷沉魇翘岣唛L三角平原河網地區水環境的有效措施之一[6，7]。穆守勝[8]、張茜[9]、陳紫怡[10]等分別針對常州市主城區、無錫運東大包圍、常熟市古城區的河網情況，利用MIKE11、Infoworks ICM等水動力模型開展活水暢流方案研究，以改善區域水動力和水質。昆山市位于太湖流域腹部平原河網地區，建圩低洼區較多，同樣面臨水動力不足和水質問題[11]，本文以昆山市欄東圩為研究區域，基于河網水系、水利工程的現狀及規劃情況，考慮超低洼及限制引排情況，明確圩區活水暢流限制因素，分析引排方向及活水調度能力，構建精細化河網水動力數值模型，并模擬區域引排水情況，得出活水暢流關鍵問題，制定具有區域適用性的優化方案。

2 研究區域概況

研究區域欄東圩位于昆山市巴城鎮最北部。巴城鎮東鄰昆山高新區和周市鎮，南臨婁江，西瀕陽澄湖，北與常熟市沙家浜鎮、任陽鎮相鄰，總體呈矩形狀，區域面積157 km2。欄東圩面積7.01 km2，自然地面高程為2.5～4.8 m(吳淞高程，下同)，其區位情況見圖1。

圖1 欄東圩區位

欄東圩西以斗門涇、東以申涇河、北以后河涇、南以七浦塘為界。根據河道水質監測報告，圩外河道水質在Ⅱ～Ⅴ類之間。其中七浦塘水質為Ⅲ類，后河涇和申涇河水質為Ⅳ類，斗門涇水質最好，為Ⅱ類水。欄東圩內河道共計27條，圩內總水面積0.70 km2，水面率約10%。圩內現狀水系格局為西、東、北三部分，包括西部水系(常嘉高速以西)、東部水系(常嘉高速以東)以及北部水系(環垃圾場)。由于北部水系受垃圾場影響，研究主要考慮西部水系及東部水系(如圖2所示，其中不包含北部水系)。圩內現有站閘2座，強排站1座，總排澇流量為8.0 m3/s。依據《昆山市巴城鎮水系規劃(2019～2035年)》[12]，圩區將形成“兩橫三縱”格局，新建防洪閘4座、站閘3座，規劃總排澇流量為16.8 m3/s。

圖2 欄東圩水系分區

3 研究方案

3.1 限制因素分析

3.1.1 水位差因素

欄東圩屬于典型的超低洼區。依據巴城水位站2015～2017年水位數據分析，昆山市巴城鎮外河水位常年在3 m左右；聯圩控制水位調查統計資料顯示，欄東圩圩內最高控制水位2.4 m，較圩外河道常水位低約0.6 m，圩區內外水位差較大，圩口閘門日常處于關閉狀態。

3.1.2 限制引排因素

欄東圩南鄰七浦塘，七浦塘是太湖流域陽澄區骨干通江河道之一，連接陽澄湖飲用水源地，也是蘇州市引清通道，兩側嚴格建閘控制，禁止排水。按照蘇州市防辦關于七浦塘沿線口門的調度原則，七浦塘沿線太倉、昆山和常熟等地區實行水資源分配，其中昆山市分配流量為5.0 m3/s。欄東圩在考慮引排方向時，需避免向七浦塘排水，且需控制引水不得超過分配流量。由于流量分配難以把控，研究將其轉化為水量調度，根據計算，七浦塘對昆山市的可分配水量約43.2萬 m3/d。

3.1.3 其他相關因素

螃蟹養殖是巴城鎮的支柱產業[13]，欄東圩規劃有大量蟹塘。蟹塘養殖從周邊內河取水，經凈化后排放至圩內河道。尾水排放需滿足《太湖流域池塘養殖水排放標準》[14]，達到三級要求，因此排水對河道水質影響較小，但活水設計時需考慮到盡量不破壞已建的蟹塘。

欄東圩河網水系中分布有多處斷頭浜，由于其水體流動不暢，且圩區日常處于封閉狀態，水質易受到不利影響，影響區域整體水環境。因此需對現存斷頭浜進行分析，以得到水系連通優化方案。

3.2 模型構建

項目立足平原河網數值模型開展區域活水調度方案研究。針對巴城鎮區域河網水動力特性，采用水動力模型對研究區域范圍內的河道、湖泊、圩區及站閘工程進一步細化完善，水動力模型基本方程采用Saint-Ⅴenant方程組，數值離散方程采用成熟的Preismann四點隱式差分格式進行離散，聯立方程求解。

水量基本方程：一維明渠非恒定流Saint-Ⅴenant方程組

(1)

(2)

式(1)、(2)中：t為時間坐標；x為空間坐標；Q為流量；z為水位；U為斷面平均流速；n為糙率系數；C為謝才(Chezy)系數；A為過流斷面積；B為主流斷面寬度；R為水力半徑；q為旁側入流流量；Bw為水面寬度(包括主流寬度B及起調蓄作用的附加水面寬度)。

本次數值模型構建將包括欄東圩在內的巴城所有河道以及相關外圍河道全部納入，概化總河長約535 km，概化河段1048條段，詳見圖3(a)，其中欄東圩概化水系詳見圖3(b)。

(a)巴城鎮河網水系 (b)欄東圩河網水系

由于欄東圩屬于低洼圩區，圩外常水位高于圩內河道，在開閘自流引水期間，屬于閘孔淹沒出流。結合相關水閘的實際情況，根據閘孔出流的水力計算分析，最終依據底坎為寬頂堰型閘孔淹沒出流的計算公式：

(3)

式(3)中，Q為閘孔出流流量，m3/s；δs為淹沒系數；μ為閘孔自由出流的流量系數；b為閘孔寬，m；e為閘孔開度，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H0為閘孔全水頭，m(為簡化計算，一般約等于閘前水深)。

4 活水暢流方案

4.1 現狀工況活水方案分析

4.1.1 庫容計算

為分析水利工程調度相關細則，研究基于河網模型計算，得到欄東圩不同水位下對應的庫容，如表1所示。

表1 欄東圩不同水位條件下的庫容情況

4.1.2 活水調度分析

目前欄東圩東部水系中無可用排水泵站，水只能進不能出?，F狀工況下僅西部水系可開展活水調度。根據圩外河道分布和水質情況，西部水系引排方向為南引北排：南沿七浦塘通過西溇站閘(孔寬6 m)利用圩內外河道水位差自流引水；北沿后河涇利用欄東站(流量3.2 m3/s)開泵進行動力排水。

4.1.3 活水時長計算

現狀工況下，西部水系僅通過西溇站閘自七浦塘進行引水，當閘孔開度為0.5 m時，引水流量為10.6 m3/s，根據計算，調蓄庫容引水需8.8 h；水系通過欄東站向后河涇動力排水，根據計算，調蓄庫容排水需15.03 h。由于排水時長高于引水時長，因此以排水能力計算換水周期。計劃實施先排后引，每日排水2～3 h，排水5 cm左右，再引水至2.4 m，則可在7 d內進行一次調蓄庫容換水。

4.1.4 現狀問題

東部水系僅在南沿七浦塘處設有站閘，但由于七浦塘引清通道地位，受限制引排因素影響，東部水系無法排水。且水系的東部斷頭浜較多，不利于水系的交換與流動。

西部水系可利用水位差因素自流引水，但僅有東南角沿七浦塘設有站閘，中西部水動力不足，不利于水系流動。由于限制引排因素影響，西部水系自七浦塘取水受到水量限制，不得超過43.2萬m3/d。此外，水系排水能力相對不足，遠低于引水能力。中部、西部斷頭浜較多，影響圩內水系整體連通性。

4.2 方案優化

4.2.1 西部水系

根據規劃，西部水系規劃將廟灣河西端與斗門涇打通，并建廟灣河站閘，提高欄東圩西部水系3.2 m3/s的排水流量。方案優化后，欄東圩西部水系的引排方向為：南引七浦塘、西引斗門涇，北排后河涇(圖4)。根據計算，在方案優化情況下，欄東圩西部水系通過動力泵排水，從最高控制水位降低至最低控制水位需7.52 h，較現狀工況減少了50%。在方案優化后實施先排后引，每日僅需排水1 h左右，后引水至2.4 m，則可在7 d內進行1次調蓄庫容換水。此時每日自七浦塘引水量約0.285萬m3/d。

4.2.2 東部水系

根據規劃，東部水系規劃將北段步北端與后河涇打通，并建北段步站閘，增加3.2 m3/s的排水流量。北段步站閘建成后，欄東圩東部水系有了排水口門，可進行活水調度。方案優化后，東部水系引排方向為：南引七浦塘，北排后河涇(圖4)。根據計算，在方案優化情況下，水系通過動力泵排水，從最高控制水位降低至最低控制水位需6.49 h。計劃實施先排后引，每日排水1 h，后引水至2.4 m，則可在7 d內進行1次調蓄庫容換水。此時每日自七浦塘引水量約1.14萬m3/d。

圖4 欄東圩活水暢流優化方案引排方式

4.2.3 斷頭浜連通

斷頭浜連通可以提高水系暢通性，有利于圩內水系的交換與流動，改善水系的整體水質。斷頭浜連通可結合相關景觀工程，增強圩區景觀性，在提高水質的同時帶來長期的生態、社會效益[15]。針對欄東圩河網水系現狀及規劃情況，在避免破壞蟹塘的情況下，研究提出了圩內斷頭浜連通方案，連通西部水系斷頭浜5處，東部水系斷頭浜1處。其中，七浦塘沿線(東段)河道處開展濕地景觀工程建設，實施活水暢流(圖5)。

5 結論

研究針對欄東圩內外河道水位差較大、外河限制引排等限制因素，利用河網精細化模型模擬圩區活水調度情況，明晰現存問題，提出活水暢流優化方案。方案優化后西部水系活水時長減少了7.51 h，東部水系引排暢通，調度時長為6.49 h；圩區自七浦塘引清總水量為1.425萬m3/d，約占昆山可引總量的3.3%，對其他區域引清的影響甚微。研究得出，在超低洼地區，圩外水位大大高于圩內水位，可基于全域河道流向，在水質較好的外河與內河連接處設水閘，利用水位差自流引清，降低活水成本。限制引清流量時，可將流量轉化為水量開展計算，更利于調度控制研究。此外，在建設斷頭浜連通工程時，宜考慮濕地景觀等相關生態措施，在提高水質的同時為區域帶來長遠的生態效益和社會效益。