武澄锡低片畅流活水方案研究

周 锴，徐 红，张 茜，刘 俊

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；2.张家港市长江防洪工程管理处，江苏 苏州 215600)

0 引 言

太湖流域是我国河网密度最高的地区之一。近年来，随着城市化的快速发展，区域城市化率迅速提高，区域水面率下降、河道数目、长度大为减少的现象屡见不鲜，水体自然流动被严重破坏。在此背景下，河流污染负荷增加导致区域河网水体恶化，制约了城市经济社会的稳定发展。因此，改善治理水环境，解决水环境诸多问题已迫在眉睫。

目前，我国已有许多改善城市河道水环境的措施。如，调水引流、控源截污等。其中，调水引流能够非常快速有效地改善平原河网的水环境问题[1]。近代以来，较早的畅流活水相关实践来源于日本[2]。20世纪90年代，福州市首次利用泵站引闽江水到福州市内河水系，促进了水体自净能力提升[3]，是我国现代引流最早的实践。21世纪初，杭州市实施钱塘江引水工程，使西湖和内河水系得到明显改善[4]。太湖流域的“引江济太”调水工程，减少了太湖水体的更新时间，自身的自净能力也得到较大程度的提高[5- 6]。近几年，上海、苏州等市也实施了畅流活水来改善区域水环境[7- 8]。

本文通过建立一维水动力水质耦合模型，以太湖流域中武澄锡低片为研究区域，不同水源地的调度方式为研究对象，分析水体动力条件、现有工程调度的问题及水源的可用性和合理性，以此探究武澄锡低片区河网水质改善效果的最佳方案，为其他城市平原河网提供借鉴和依据，推进活水引流成为促进河网畅流活水、恢复水动力条件、促进河网水系良性循环，同时改善水环境的重要举措。

1 研究方法

平原地区复杂河网不同于山区河网或简单结构的河道，其水动力条件复杂、河网纵横交错、人工因素影响大，难以通过调度试验或简单的推导计算认识其规律，需借助完善的水量水质耦合模型。本文根据研究区水文环境等特征，构建一维水量水质耦合模型，模拟分析武澄锡低片的畅流活水方案。该模型可对分析区域的河道及现有工程做合理概化处理，以便较好地反映流域的水流特性[9]。

1.1 计算模型

本文利用经大量工程和研究实践验证的DHI MIKE11工具构建。研究对象为平原河网，采用MIKE11中的水动力模块和水质模块。水动力模块采用动力波，辅以旁侧入流，构成连续方程和动量方程组成的微分方程组[10]；水质模块利用对流扩散方程进行污染物的计算。

1.2 水质计算

本文用调水前后污染物的浓度差与调水前污染物浓度的比值，来计算研究区内水体的水质改善程度，计算公式

ω=[C0-Ci/C0]×100%

(1)

式中，ω为污染物浓度下降率；C0为调水前污染物浓度；Ci为调水后第i天污染物浓度。

2 模型构建

武澄锡低片内，东部无锡市区、西部常州市区设有系统的城区防洪包围控制工程，水动力条件相对较为独立；北部河网水系距长江近，通常依靠长江潮位自引自排解决水体问题，具有独特的地理优势。本文研究针对的区域选取位于武澄锡低片中部的平原河网区域。此区域地面高程相对较低，圩区众多，地面高程一般仅2.8～3.5 m；在现状水体控制工程建设条件下，水体滞留情况严重；有不设控的运河穿区而过，区域水体并不完全受人工控制，是较为典型的武澄锡低片低洼平原河网区域。

2.1 计算范围及概化

为保证研究区域边界的相对稳定、提高计算精度、保证研究区域的完整性、保留一定的方案优化空间，以武澄锡虞区水利分区为基础，概化范围为北至长江、南至太湖、西至武进港、澡港河，东至锡澄运河的河网范围内。本文选取的主要研究河网区域，北至环山河，南至洋溪河，西至武进港，东至锡澄运河，模拟计算范围及评价区域见图1。

图1 研究区位置示意

本次研究主要概化内容包括河网、水工建筑物、污染源等。河道概化主要依据最新无锡市水利普查资料，河网中的内部湖泊、塘、沟以及断头浜等基本不起输水作用的结构，以调蓄节点的形式概化到河道上[11-12]。对水工建筑物的概化，既要考虑区域防洪要求，设置防洪规则判断语句，又保留方案规则接口，确保调度方案符合防洪安全要求。污染物概化以点源和面源的形式计算其入河比例以旁侧入流的形式输入到河道中。模型概化范围、概化后的河网及水工建筑物见图2。

图2 武澄锡低片计算区域河网模型概化

2.2 参数率定与验证

利用2012年11月～12月实测水位、长江潮位及降雨资料对模型进行率定。结合2012年最大7日降雨期间相应资料率定。对计算区域内青旸站、无锡站实测水位进行率定。选取2013年7月、2014年1月的实测资料进行验证。显示青旸站、无锡站的率定结果水位绝对平均误差分别为6.0、1.2 cm，平均相对误差分别为1.94%、0.69%，且水位趋势与实际相符，峰值误差在合理范围内。

调研结果显示，研究区内主要污染物为氨氮；故，以氨氮降解系数为本文率定指标。根据《太湖流域水环境容量计算与“十三五”规划方案治理目标及污染控制总量分配研究专题报告》中武澄锡低片区水质模型率定参数，氨氮降解系数为设置为0.08/d[13]。选取2016年1月～3月监测断面水质监测值和2013年7月和2014年1月长江实测潮位、太湖实测水位等边界资料作为边界水位进行率定，验证武澄锡低片内2016年1月～3月11个监测断面3个月水质监测平均值。验证结果显示，各监测断面氨氮浓度相对误差均小于23%，平均相对误差为11%。

率定和验证结果从水动力和水质上均能很好反映研究区水量水质状况，可满足在活水方案研究过程中水量水质的变化需求。

3 活水效果分析

3.1 方案设置

武澄锡低片区北接长江、南临太湖，综合考虑区域可利用水源后，从引江与引太两个方向进行方案设计，分析比较两者不同水源地、不同活水方式的优劣。方案依靠闸泵调度产生水位差促使水体流动性增加的方式进行畅流活水。

方案主要利用的水利工程有：新沟河沿江抽水站、西直湖港闸站枢纽、直湖港闸站枢纽、各骨干河道控制闸及引排水泵站等。因研究区河道自然水动力条件差，为保证方案的持续调度，达到较好的抬升水位、稳定流速效果，调水模拟时间初定为持续调度3周。在不执行活水方案时，河网水质现状较差，河道基本呈缓流状态，水体流速均小于0.05 m/s。将现状情况设为方案0，根据不同水源及引水闸泵，拟定其他调度方案。具体模拟方案见表1。

表1 模拟调度方案

3.2 方案效果分析

研究区域基本位于无锡市范围内。采用无锡市2016年监测断面水质资料分析水质现状。位于研究区内的6个断面，即陆区西桥、阳山大桥、湖山桥、富安桥、钱桥、五牧桥中，劣V类断面2个，占比34%；V类断面2个，占比33%；IV类断面2个，占比33%；无III类及III类以下水质类别的断面，各断面现状平均水质为1.64 mg/L。各方案流速、水质情况与方案0对比后的结果见图3。

图3 各方案流速、水质对比

3.2.1 长江引水方案

(1)方案1。当研究区内河断面、控制断面流速达到或超过0.05 m/s时，活水所得到的流速改善效果佳，水体自净能力改善效果佳；反之认为河道水体自净能力不足。方案1通过新沟河江边枢纽抽引长江水30.0 m3/s，新沟河至研究区域沿线闸门打开，清水经分流后进入西直湖港北枢纽，穿运河进入直湖港向横向河道扩散。通过内河开闸自流，使整个片区的水动力条件得到明显改善。模拟条件下，方案中各断面现状平均水质为1.64 mg/L，调水后平均水质为1.39 mg/L，水质平均改善15.2%。方案条件下调水后6个监测断面中，水质类别为IV类水的有4个；水质类别为V类水的有2个。但长江距研究区较远，新沟河沿线河道分流不完全受控，使方案水源不明确。估算进入研究区的水量仅占总引水量的43%，方案效率较差。

(2)方案2。针对上述问题，设计方案2进行优化，即在方案1基础上，提高引水量至60 m3/s，其余设定基本保持与原方案一致。此方案增大引水动力以减轻沿线河道分流对研究区活水效果的影响。经模型计算后，发现流速、水质变化不大。综合水动力模拟结果和水质模拟结果，与方案1相比，方案2依据江边枢纽能力大幅提升了引水量，将进入研究区的水量提升至约25.4 m3/s。从活水效果来看，方案2对江南运河以北的河道水动力条件提升明显，估算进入研究区的水量约占总引水量的42%，与方案1大致相同，方案效率仍较差。

方案1、2说明，仅通过提升引水总量难以抵消远距离引水沿线分流产生的影响。

3.2.2 梅梁湖引水方案

(1)方案3。此方案由西直湖港枢纽向北抽排22.5 m3/s，尖岸泵站向西抽排8.0 m3/s，抽排动力共30.5 m3/s。对直湖港、新沟河和横向各河道畅流活水。通过直湖港太湖口门开闸自流的方式，通过水头差引入太湖水约9.4 m3/s，整个片区的水动力条件均有一定程度改善，监测断面下的流速基本超过0.05 m/s。退水通过西直湖港北枢纽经过立交地涵经新沟河进入江南运河以北地区，后经新沟河沿线河道排入锡澄运河和江南运河。模拟条件下，方案中各断面现状平均水质为1.64 mg/L，调水后平均水质为1.38 mg/L，水质平均改善15.9%。方案条件下调水后6个监测断面中，水质类别为III类水的有2个；水质类别为IV类水的有3个；水质类别为劣V类水的有1个。但平原河网水流不易受控的特点，使方案水源不明确，从梅梁湖引水仅占所引水量的约31%，活水效果不理想，甚至可能出现往复倒流。

(2)方案4。针对上述问题，设计方案4进行优化，即通过直湖港枢纽泵站，从太湖引水30.0 m3/s，开启各横向骨干河网的控制闸门，以抬高水位产生的水头差使梅梁湖水进入武澄锡低片河网自然流动进行畅流活水，形成以主动引水为动力、内河由直湖港、新沟河横向扩散流动的活水结构。模拟条件下，方案中各断面现状平均水质为1.64 mg/L，调水后平均水质为1.04 mg/L，水质平均改善37.5%。方案条件下调水后6个监测断面中，水质类别为III类水的有3个；水质类别为IV类水的有2个；水质类别为V类水的有1个。方案4与方案3相比，引水结构发生变化，以直湖港湖边口门调水泵站引水，保证了水源利用效果；在引水流量基本一致的前提下，引入研究区的水源较有保障，同时活水使片区各河道流速均有提升，各水质监测断面流速均超过0.05 m/s。在引水规模基本一致的情况下，方案4明显提高了方案的可靠性，明确了方案引水水源，达到了更好的引水效果。但在活水流量充足的条件下，由于各河道规模及河底高程、比降不同等自然原因，方案4之中研究区各河道水动力条件提升情况差异较大，部分河道流速改善极不明显。

(3)方案5。针对方案4中的问题，设计方案5进行优化，即保持与方案4一致的引水规模，将引水流量分布到各骨干河道的小型排涝泵站或引水泵站。开启引退水路径的各骨干河网的控制闸门，同时开启直湖港枢纽太湖口门节制闸配合研究区闸站控制工程，基本保证活水水源为梅梁湖。各断面现状平均水质为1.64 mg/L，调水后平均水质为1.16 mg/L，水质平均改善29.3%。方案条件下调水后6个监测断面中，水质类别为III类水的有2个；水质类别为IV类水的有3个；水质类别为V类水的有1个。与方案4相比，进一步优化引水结构，将活水规模分布到研究区内主要河道，利用现有工程保障活水水源，在达到与优化方案2接近的水质提升效果的条件下，较好地解决了水动力提升不均匀、不同河道水体流动性差距较大的问题，且活水路径明确，水体利用率高。

4 结 论

(1)本文基于太湖流域武澄锡地区实测资料建立了一维非恒定流水动力水质耦合模型。经率定与验证，此模型基本可以反映武澄锡地区河网的现有情况；并给武澄锡低片典型区畅流活水方案研究提供了坚实的理论基础。

(2)研究区有发达的纵向骨干河道(新沟河—直湖港)，横向支河密布，主要水源明确。依靠长江和太湖(梅梁湖)两个水源，通过制造水头差促使河网水体流动皆可达到较好的活水效果，各活水方案使骨干河网水体由基本滞留改善至断面流速普遍提升。

(3)横向对比各方案内水质监测断面的模拟结果表明，根据水体流向优化后的活水方案可显著降低监测断面的污染物浓度。活水对污染物本底浓度较高的断面改善比例较大；受水源条件及活水路径限制，对本底值较好的断面改善不明显。综合比较各方案，分布式活水方案引水在论文所研究的武澄锡低片典型平原河网水系结构地区有较好的活水效果。