周 鍇，徐 紅，張 茜，劉 俊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)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(wǎng)密度最高的地區(qū)之一。近年來，隨著城市化的快速發(fā)展，區(qū)域城市化率迅速提高，區(qū)域水面率下降、河道數(shù)目、長度大為減少的現(xiàn)象屢見不鮮，水體自然流動被嚴(yán)重破壞。在此背景下，河流污染負(fù)荷增加導(dǎo)致區(qū)域河網(wǎng)水體惡化，制約了城市經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定發(fā)展。因此，改善治理水環(huán)境，解決水環(huán)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(huán)境的措施。如，調(diào)水引流、控源截污等。其中，調(diào)水引流能夠非?？焖儆行У馗纳破皆泳W(wǎng)的水環(huán)境問題[1]。近代以來，較早的暢流活水相關(guān)實踐來源于日本[2]。20世紀(jì)90年代，福州市首次利用泵站引閩江水到福州市內(nèi)河水系，促進(jìn)了水體自凈能力提升[3]，是我國現(xiàn)代引流最早的實踐。21世紀(jì)初，杭州市實施錢塘江引水工程，使西湖和內(nèi)河水系得到明顯改善[4]。太湖流域的“引江濟(jì)太”調(diào)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(qū)域水環(huán)境[7- 8]。

本文通過建立一維水動力水質(zhì)耦合模型，以太湖流域中武澄錫低片為研究區(qū)域，不同水源地的調(diào)度方式為研究對象，分析水體動力條件、現(xiàn)有工程調(diào)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(qū)河網(wǎng)水質(zhì)改善效果的最佳方案，為其他城市平原河網(wǎng)提供借鑒和依據(jù)，推進(jìn)活水引流成為促進(jìn)河網(wǎng)暢流活水、恢復(fù)水動力條件、促進(jìn)河網(wǎng)水系良性循環(huán)，同時改善水環(huán)境的重要舉措。

1 研究方法

平原地區(qū)復(fù)雜河網(wǎng)不同于山區(qū)河網(wǎng)或簡單結(jié)構(gòu)的河道，其水動力條件復(fù)雜、河網(wǎng)縱橫交錯、人工因素影響大，難以通過調(diào)度試驗或簡單的推導(dǎo)計算認(rèn)識其規(guī)律，需借助完善的水量水質(zhì)耦合模型。本文根據(jù)研究區(qū)水文環(huán)境等特征，構(gòu)建一維水量水質(zhì)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(qū)域的河道及現(xiàn)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(jīng)大量工程和研究實踐驗證的DHI MIKE11工具構(gòu)建。研究對象為平原河網(wǎng)，采用MIKE11中的水動力模塊和水質(zhì)模塊。水動力模塊采用動力波，輔以旁側(cè)入流，構(gòu)成連續(xù)方程和動量方程組成的微分方程組[10]；水質(zhì)模塊利用對流擴(kuò)散方程進(jìn)行污染物的計算。

1.2 水質(zhì)計算

本文用調(diào)水前后污染物的濃度差與調(diào)水前污染物濃度的比值，來計算研究區(qū)內(nèi)水體的水質(zhì)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(diào)水前污染物濃度；Ci為調(diào)水后第i天污染物濃度。

2 模型構(gòu)建

武澄錫低片內(nèi)，東部無錫市區(qū)、西部常州市區(qū)設(shè)有系統(tǒng)的城區(qū)防洪包圍控制工程，水動力條件相對較為獨立；北部河網(wǎng)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(yōu)勢。本文研究針對的區(qū)域選取位于武澄錫低片中部的平原河網(wǎng)區(qū)域。此區(qū)域地面高程相對較低，圩區(qū)眾多，地面高程一般僅2.8～3.5 m；在現(xiàn)狀水體控制工程建設(shè)條件下，水體滯留情況嚴(yán)重；有不設(shè)控的運河穿區(qū)而過，區(qū)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(wǎng)區(qū)域。

2.1 計算范圍及概化

為保證研究區(qū)域邊界的相對穩(wěn)定、提高計算精度、保證研究區(qū)域的完整性、保留一定的方案優(yōu)化空間，以武澄錫虞區(qū)水利分區(qū)為基礎(chǔ)，概化范圍為北至長江、南至太湖、西至武進(jìn)港、澡港河，東至錫澄運河的河網(wǎng)范圍內(nèi)。本文選取的主要研究河網(wǎng)區(qū)域，北至環(huán)山河，南至洋溪河，西至武進(jìn)港，東至錫澄運河，模擬計算范圍及評價區(qū)域見圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意

本次研究主要概化內(nèi)容包括河網(wǎng)、水工建筑物、污染源等。河道概化主要依據(jù)最新無錫市水利普查資料，河網(wǎng)中的內(nèi)部湖泊、塘、溝以及斷頭浜等基本不起輸水作用的結(jié)構(gòu)，以調(diào)蓄節(jié)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(qū)域防洪要求，設(shè)置防洪規(guī)則判斷語句，又保留方案規(guī)則接口，確保調(diào)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(cè)入流的形式輸入到河道中。模型概化范圍、概化后的河網(wǎng)及水工建筑物見圖2。

圖2 武澄錫低片計算區(qū)域河網(wǎng)模型概化

2.2 參數(shù)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(jìn)行率定。結(jié)合2012年最大7日降雨期間相應(yīng)資料率定。對計算區(qū)域內(nèi)青旸站、無錫站實測水位進(jìn)行率定。選取2013年7月、2014年1月的實測資料進(jìn)行驗證。顯示青旸站、無錫站的率定結(jié)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(nèi)。

調(diào)研結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)主要污染物為氨氮；故，以氨氮降解系數(shù)為本文率定指標(biāo)。根據(jù)《太湖流域水環(huán)境容量計算與“十三五”規(guī)劃方案治理目標(biāo)及污染控制總量分配研究專題報告》中武澄錫低片區(qū)水質(zhì)模型率定參數(shù)，氨氮降解系數(shù)為設(shè)置為0.08/d[13]。選取2016年1月～3月監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)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(jìn)行率定，驗證武澄錫低片內(nèi)2016年1月～3月11個監(jiān)測斷面3個月水質(zhì)監(jiān)測平均值。驗證結(jié)果顯示，各監(jiān)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(jié)果從水動力和水質(zhì)上均能很好反映研究區(qū)水量水質(zhì)狀況，可滿足在活水方案研究過程中水量水質(zhì)的變化需求。

3 活水效果分析

3.1 方案設(shè)置

武澄錫低片區(qū)北接長江、南臨太湖，綜合考慮區(qū)域可利用水源后，從引江與引太兩個方向進(jìn)行方案設(shè)計，分析比較兩者不同水源地、不同活水方式的優(yōu)劣。方案依靠閘泵調(diào)度產(chǎn)生水位差促使水體流動性增加的方式進(jìn)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(qū)河道自然水動力條件差，為保證方案的持續(xù)調(diào)度，達(dá)到較好的抬升水位、穩(wěn)定流速效果，調(diào)水模擬時間初定為持續(xù)調(diào)度3周。在不執(zhí)行活水方案時，河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀較差，河道基本呈緩流狀態(tài)，水體流速均小于0.05 m/s。將現(xiàn)狀情況設(shè)為方案0，根據(jù)不同水源及引水閘泵，擬定其他調(diào)度方案。具體模擬方案見表1。

表1 模擬調(diào)度方案

3.2 方案效果分析

研究區(qū)域基本位于無錫市范圍內(nèi)。采用無錫市2016年監(jiān)測斷面水質(zhì)資料分析水質(zhì)現(xiàn)狀。位于研究區(qū)內(nèi)的6個斷面，即陸區(qū)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(zhì)類別的斷面，各斷面現(xiàn)狀平均水質(zhì)為1.64 mg/L。各方案流速、水質(zhì)情況與方案0對比后的結(jié)果見圖3。

圖3 各方案流速、水質(zhì)對比

3.2.1 長江引水方案

(1)方案1。當(dāng)研究區(qū)內(nèi)河斷面、控制斷面流速達(dá)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(rèn)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(qū)域沿線閘門打開，清水經(jīng)分流后進(jìn)入西直湖港北樞紐，穿運河進(jìn)入直湖港向橫向河道擴(kuò)散。通過內(nèi)河開閘自流，使整個片區(qū)的水動力條件得到明顯改善。模擬條件下，方案中各斷面現(xiàn)狀平均水質(zhì)為1.64 mg/L，調(diào)水后平均水質(zhì)為1.39 mg/L，水質(zhì)平均改善15.2%。方案條件下調(diào)水后6個監(jiān)測斷面中，水質(zhì)類別為IV類水的有4個；水質(zhì)類別為V類水的有2個。但長江距研究區(qū)較遠(yuǎn)，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(jìn)入研究區(qū)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(shè)計方案2進(jìn)行優(yōu)化，即在方案1基礎(chǔ)上，提高引水量至60 m3/s，其余設(shè)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(qū)活水效果的影響。經(jīng)模型計算后，發(fā)現(xiàn)流速、水質(zhì)變化不大。綜合水動力模擬結(jié)果和水質(zhì)模擬結(jié)果，與方案1相比，方案2依據(jù)江邊樞紐能力大幅提升了引水量，將進(jìn)入研究區(qū)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(jìn)入研究區(qū)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(yuǎn)距離引水沿線分流產(chǎn)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(qū)的水動力條件均有一定程度改善，監(jiān)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(jīng)過立交地涵經(jīng)新溝河進(jìn)入江南運河以北地區(qū)，后經(jīng)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(xiàn)狀平均水質(zhì)為1.64 mg/L，調(diào)水后平均水質(zhì)為1.38 mg/L，水質(zhì)平均改善15.9%。方案條件下調(diào)水后6個監(jiān)測斷面中，水質(zhì)類別為III類水的有2個；水質(zhì)類別為IV類水的有3個；水質(zhì)類別為劣V類水的有1個。但平原河網(wǎng)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(xiàn)往復(fù)倒流。

(2)方案4。針對上述問題，設(shè)計方案4進(jìn)行優(yōu)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(wǎng)的控制閘門，以抬高水位產(chǎn)生的水頭差使梅梁湖水進(jìn)入武澄錫低片河網(wǎng)自然流動進(jìn)行暢流活水，形成以主動引水為動力、內(nèi)河由直湖港、新溝河橫向擴(kuò)散流動的活水結(jié)構(gòu)。模擬條件下，方案中各斷面現(xiàn)狀平均水質(zhì)為1.64 mg/L，調(diào)水后平均水質(zhì)為1.04 mg/L，水質(zhì)平均改善37.5%。方案條件下調(diào)水后6個監(jiān)測斷面中，水質(zhì)類別為III類水的有3個；水質(zhì)類別為IV類水的有2個；水質(zhì)類別為V類水的有1個。方案4與方案3相比，引水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以直湖港湖邊口門調(diào)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(qū)的水源較有保障，同時活水使片區(qū)各河道流速均有提升，各水質(zhì)監(jiān)測斷面流速均超過0.05 m/s。在引水規(guī)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(dá)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(guī)模及河底高程、比降不同等自然原因，方案4之中研究區(qū)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(shè)計方案5進(jìn)行優(yōu)化，即保持與方案4一致的引水規(guī)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(wǎng)的控制閘門，同時開啟直湖港樞紐太湖口門節(jié)制閘配合研究區(qū)閘站控制工程，基本保證活水水源為梅梁湖。各斷面現(xiàn)狀平均水質(zhì)為1.64 mg/L，調(diào)水后平均水質(zhì)為1.16 mg/L，水質(zhì)平均改善29.3%。方案條件下調(diào)水后6個監(jiān)測斷面中，水質(zhì)類別為III類水的有2個；水質(zhì)類別為IV類水的有3個；水質(zhì)類別為V類水的有1個。與方案4相比，進(jìn)一步優(yōu)化引水結(jié)構(gòu)，將活水規(guī)模分布到研究區(qū)內(nèi)主要河道，利用現(xiàn)有工程保障活水水源，在達(dá)到與優(yōu)化方案2接近的水質(zhì)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(jié) 論

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

(2)研究區(qū)有發(fā)達(dá)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(wǎng)水體流動皆可達(dá)到較好的活水效果，各活水方案使骨干河網(wǎng)水體由基本滯留改善至斷面流速普遍提升。

(3)橫向?qū)Ρ雀鞣桨竷?nèi)水質(zhì)監(jiān)測斷面的模擬結(jié)果表明，根據(jù)水體流向優(yōu)化后的活水方案可顯著降低監(jiān)測斷面的污染物濃度。活水對污染物本底濃度較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(wǎng)水系結(jié)構(gòu)地區(qū)有較好的活水效果。