常州市运北片主城区畅流活水工程运行效果评估

洪 昕，柳 杨，范子武，陈阿萍，谢 忱，潘小保

(1. 常州市水利局，江苏 常州 213022；2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210098)

1 概述

水体流动性差是平原城市基流匮乏型黑臭河流形成的关键原因[1- 2]，近年来，在平原城市河网区，特别是太湖流域大规模地实施了活水工程，大幅提升了区域河道水动力条件，提高了水体的自净能力，显著改善了城市水环境[3- 7]。

在上述研究中，大多学者主要关注方案制定与可行性分析、水质改善情况以及模型建立和优化等方面，而不同季节环境下水动力指标提升对不同类型受纳河道水体的不同水质指标敏感性和改善程度分析仍较为缺乏。为此，本文基于常州市畅流活水工程，对比分析了2018年夏、秋两次活水前后常州市主城区的水环境改善效果，计算了在不同季节环境下河网水体关键水动力指标(河道流量)对关键水质指标(溶解氧DO、总磷TP、氨氮NH3-N、透明度、高锰酸盐指数等)的贡献率，评估了常州市主城区畅流活水工程的运行效果。本文的研究成果可为其他平原河网区城市水环境治理提供一定的理论依据及工程应用参考价值。

2 研究区域概况

常州市运北片主城区北至新龙河和沪宁高速公路，东临丁塘港，南到京杭运河，西靠德胜河，面积179.2km2，属平原河网区，水系复杂水动力条件弱，水环境较差。根据长江的地理位置及周边河网的水质情况分析，长江可作为其优质的引水水源。但以往的调水试验发现，引长江水量沿程散失较大，长江边引水形成的水位差很快在河网中消散，总的进城水量仅占引水量的40%，并且引水直接从骨干河道流走，难入中小河道，城区小河道流动性无法提高[15- 16]。

依据常州市运北片主城区河网水系、水利工程分布及水环境状况，制定了常州市运北片主城区畅流活水方案，即充分利用长江优质水源引水入城区，新建四座控导工程，形成三级梯级水位差，实现主城区畅流活水。其中，澡港河为第一级水位、老运河为第二级水位、京杭大运河为第三级水位，通过创造高低水片条件，引导水流有序流动、按需分配水量，实现自流活水[17- 18]。

常州市畅流活水工程引水水流路径、新建的四座控导工程(溢流堰工程)及三级水位如图1所示，该方案于2017年6月通过专家审查，同年，畅流活水主要工程——四座控导工程开工建设，并于2018年6月主体工程建设完成，具备工程运行条件。

图1 常州市畅流活水工程引水水流路径

3 试验方案

2018年7月(夏季)和11月(秋季)，在常州市主城区开展了现场活水试验，两次试验期间的调度方案相同，均是依据前期经过论证的常州市主城区畅流活水方案，即通过澡港水利枢纽引长江水40m3/s，调控四座活动堰和合理控制区域内的闸门开度，从而精确控制每条河道的分流比，让更多的引江流量进入主城区，实现按需配水、水质提升、水生态恢复、水景观改善、感官指标提升的总目标。试验期间同步测定河道水位、流量、流速及pH值、透明度、溶解氧、总磷、高锰酸盐指数和氨氮等。

试验期间，由于部分工程未能完工，仅东北部城区具备试验条件，因此两次试验主要针对东北部城区开展，两次试验的监测成果为本文评估工程运行的水动力及水环境的改善效果及河网水体水动力指标对水质指标的贡献研究提供数据支撑。

4 试验结果与讨论

4.1 流量分析

2018年常州两次现场活水试验期间实测河道流量监测结果显示，两次流量分配基本一致。夏季活水试验，利用澡港水利枢纽泵引40 m3/s，通过盘龙苑堰和恐龙园堰联合调控，入城流量显著提升，达到30 m3/s，盘龙苑溢流堰溢流约8.00m3/s。支浜、三井河形成西引东排自流格局，过流各大致3.60m3/s，经恐龙园堰调控，入园流量显著增加，进入老澡港河(恐龙园南侧)流量7.40 m3/s，盘活了恐龙园及周边水系。通过恐龙园堰溢流4.37 m3/s。澡港河进入古城区流量大致26.00m3/s，经新市桥堰和洋桥堰调控后，西市河过流量6.70m3/s，北市河过流量5.50 m3/s，东市河过流量5.50 m3/s，南市河由于施工断流仅过流0.10m3/s，主城区过流量大幅提升。

秋季活水试验，利用澡港水利枢纽泵引40m3/s，入城流量显著提升，达到31 m3/s，盘龙苑溢流堰溢流约8.00m3/s。柴支浜、三井河各分流达到3～4m3/s。通过恐龙园堰的调控，入园流量显著增加，达到7.6m3/s。进入古城区水量约23.8m3/s，西市河入流6～7 m3/s，北市河入流5～6 m3/s，东市河入流3～4 m3/s，南市河入流2～3 m3/s，主城区过流量大幅提升。

两次活水试验前后流量、流速对比情况见表1，2018年夏季活水试验河道流量提升倍数在1.6～55倍，2018年秋季活水试验河道流量提升倍数在1.7～61倍，大部分河道流量和流速在活水后显著提升。

表1 两次活水试验前后流量流速对比表

4.2 水质分析

2018年夏季活水试验前后水质变化情况见表2。试验前水质本底值总体情况较好，除南市河琢初桥处因施工导流过水不畅、横塘浜河黄龙桥处因污染严重，水质为劣V类外，其余点位水质为III-IV类。活水试验后，除南市河、横塘浜河由于上述原因水质提升效果不佳以外，其余点位均保持现有水质等级或提升一个等级，大部分河道达到III类及以上，水质改善效果明显。

表2 2018年夏季活水试验前后水质变化

2018年秋季对研究范围内76个监测断面水质进行摸底。活水试验前水质本底情况：综合指标为Ⅱ类的断面占比9%，Ⅲ类断面占比32%，Ⅳ类断面占比33%，Ⅴ类断面占比19%，劣Ⅴ类断面占比7%，水质总体较差。

活水后研究范围内76个监测断面水质情况：水质综合指标为Ⅱ类的断面占比42%，Ⅲ类断面占比51%，Ⅳ类的断面占比7%，Ⅴ类和劣Ⅴ类断面占比0%。

活水前后研究范围内水质变化情况：受横塘浜清淤和横塘河北枢纽检修的影响，本次试验中，无法将清水引入横塘浜沿线以及周边河道、横塘河以东片区，因此该部分区域河道流动性和水质未有提升。除去不具备试验条件的河道断面和翠竹内河、柴支浜支浜、五奎河、常隆河等几条断头浜，研究范围内95%的河道断面水质有所改善，活水改善效果显著。

5 水动力水质响应关系分析

5.1 夏季水动力水质响应关系

2018年夏季活水试验测点流量和水质变幅对应关系见表3。从表3中可以看出，城区骨干河道和中小河道流量提升，TP和CODMn均有所改善，但DO、NH3-N、透明度变化规律不统一，由此可见，本次试验中，TP和CODMn随流量的提升具有较好的响应关系，但由于DO浓度变化与夏季气温有一定关系，温度高时，水中微生物耗氧量增大，导致部分测点DO浓度下降，因此随流量的提升部分河道的DO指标改善效果不明显。本次试验发现，对于骨干河道而言，流量提升5倍，TP和CODMn浓度分别减小48%、18%，而对于中小河道而言，流量提升1～55倍，TP和CODMn浓度分别减小19%～60%和0%～36%，本次试验发现增大流量有减小透明度的风险。

表3 2018年夏季水动力水质响应关系表

注：表中负数表示活水试验后相应的水质指标浓度低于试验前，正数表示活水试验后水质指标浓度高于试验前，下同。

表4 2018年秋季水动力水质响应关系表

5.2 秋季水动力水质响应关系

2018年秋季活水试验测点流量和水质变幅对应关系见表4。从表4中可以看出，DO、透明度、TP三项水质指标随流量的提升响应明显，对于骨干河道，流量提升3～95倍，DO和透明度分别增大0%～35%和3%～45%，TP浓度降低14%～54%，对于中小河道而言，流量提升1～61倍，DO和透明度分别增大4%～65%和20%～90%，TP浓度降低9%～78%；NH3-N和CODMn变化趋势不统一，流量增大对中小河道的NH3-N浓度改善具有较好的效果(降低17%～94%)，但对骨干河道的NH3-N浓度改善效果不佳，与之相反，骨干河道的CODMn浓度均由流量增大而降低(降低0%～38%)，但中小河道的响应并不显著。另外，本次试验也发现增大流量可能会引起透明度降低。

5.3 综合分析

为了能够定量分析水动力提升对常州市主城区水环境的作用效果，定义单位流量增幅对水质改善贡献率的平均值作为比较参数，其计算公式如下：

(1)

式中，ΔI—水质指标变幅，ΔQ—流量提升倍数，n—河道数量。

针对夏秋两季，分别利用式(1)计算其单位流量增幅对水质改善贡献率的平均值，为了统一所选河道的数量和点位，选取柴之浜、三井河、北市河、西市河、东市河及老运河的相关数据进行计算，计算结果见表5。

由表可知，流量提升对DO的贡献，秋季>夏季；对TP的贡献，秋季>夏季；对NH3-N的贡献，秋季>夏季；对CODMn的贡献，夏季>秋季；对透明度的贡献，秋季>夏季。总体来说，在秋季，流量提升对水环境的改善效果优于夏季。

表5 单位流量增幅对水质改善贡献率的平均值统计表

6 结论

(1)2018年常州两次现场活水试验结果表明，常州市运北片主城区畅流活水工程运行后大幅提升了城区河道水动力条件，显著改善了城市水环境。

(2)夏季活水试验结果发现，TP和CODMn随流量的提升具有较好的响应关系，对于骨干河道而言，流量提升5倍，TP和CODMn浓度分别减小48%、18%，对于中小河道而言，流量提升1～55倍，TP和CODMn浓度分别减小19%～60%和0%～36%；秋季活水试验结果显示，DO、透明度、TP三项水质指标随流量的提升响应明显，对于骨干河道，流量提升3～95倍，DO和透明度分别增大0～35%和3%～45%，TP浓度降低14%～54%，对于中小河道而言，流量提升1～61倍，DO和透明度分别增大4%～65%和20%～90%，TP浓度降低9%～78%。

(3)单位流量增幅对水质改善贡献率计算结果表明，在秋季，流量提升对DO、TP、NH3-N及透明度的贡献均高于夏季，但对CODMn的贡献，夏季>秋季。总体来说，流量提升对水环境的改善效果，秋季优于夏季。