宜兴新城区水系连通方案研究

封 琼，毕忠飞，汪 惠，周文琦，刘 俊

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；2.德清县水利水电工程质量安全中心，浙江 德清 313200)

0 引 言

随着我国城镇化的快速发展，城市建设活动侵占河道的现象屡见不鲜，水系渠化、硬化，水系连通性下降，继而引发洪涝灾害、水质污染等水问题[1]。城市化地区水系结构变化也引发了大量学者的探讨[2]，2009年Lesschen等用模型模拟径流的水文水力过程的改变对水系连通的影响[3]，2011年Karim等采用MIKE21模型模拟洪泛平原与其水系连通的时空特性[4]。

进入21世纪以来，以改善城市水环境为目的的生态水网建设也相继出现，如武汉2009年大东湖生态水网、郑州市2010年生态水系等[5]。本文针对宜兴新城区的水系连通性下降产生的水安全和水环境问题，基于《宜兴市王婆河以东区域防洪排涝规划》设定4组水系连通方案，利用MIKE11构建水文水质模型，探究科学合理的水系连通方案，为研究区城市化建设工作提供参考。

1 研究区概况

研究区域宜兴市城区位于城市东端、东氿北侧，规划面积约6.06 km2，研究区域内部河道现状共有21条，总长15.58 km。其中，镇级河道3条，村级河道18条。现状20年一遇排涝限制水位圩内4.8 m，圩外为5.2 m，规划范围周边现状有灌溉泵站或灌排泵站8座。研究区域宜兴市城区现状水系如图1所示。

图1 研究区现状水系

2 水文水力水质模型构建

2.1 模型选择

宜兴新城区属于长江下游平原河网地区，地势低平、河网交错流向不定，受人类干预影响较大。地处太湖西岸，发生暴雨洪涝时易受当地降雨、上游客水和下游太湖水位顶托的影响，边界条件和降雨径流条件组合多变。因此，针对以上研究区水文模拟的难点，本文选择丹麦水力研究所开发的河网非恒定流模型MIKE11模型对研究区防洪排涝和水质情况进行模拟分析，MIKE11模型相较于其他模型功能完善，可在模型同一框架中处理多个子汇水区、复杂河网、水工建筑物调度、污染物迁移等模拟，满足研究区的水文、水力、水质三方面的数值模拟需求[6]。本次建立水动力模块(HD)，降雨径流模块(NAM)和对流扩散模块(AD)耦合的河网非恒定流模型，对研究区域水文水质情况进行模拟计算。

2.2 模型构建

2.2.1 河网概化与水文概化

本次将研究区域东边界范蠡大道合理东延至水系边界南酷河，计算范围为7.50 km2。现状条件共概化河段41条，闸泵8座(见图2)。研究区位于平原河网地区，河道纵横交错，且受人为干预较多，直接使用DEM数据提取数据可能会有较大的误差；因此，本文基于地形、下垫面资料及河流的流向等条件，将各主干河道定为基本边界进行集水区域的划分[7]，将划分的集水面积作为模型NAM模块的输入信息，完成水文模块的概化，与河网建立连接形成研究区域水文水力耦合模型，用于排涝水文模拟分析。

图2 现状河网概化

2.2.2 污染源概化

根据2019年12月～2020年7月规划区域内各市级河道的水质监测数据，发现规划区域内河道水体的主要污染物为NH3-N；因此，本研究的河网污染物质主要考虑NH3-N，其他河网污染物质不做详细模拟。工业及企业以点源污染为主，直接将排污规模、污染物浓度等信息根据排污口位置加入概化河网相应河段中；农村耕地面源污染、城镇与农村生活面源污染根据《宜兴年鉴(2019)》提供的人口、耕地等数据进行估算；然后参照规划区域土地利用现状图将面源污染概化分各河段中，按完全混合模型进行计算。

2.3 模型率定

2.3.1 边界条件

(1)排涝水文分析计算边界。根据《宜兴市城市总体规划(2017～2035年)》，选用靠近团氿处的宜兴西站1950年～2016年共计67 a的水位资料进行水位频率分析。根据计算成果本次模型排涝水文计算边界东氿与南酷河20年一遇防洪水位定为4.9 m，芜申运河和东湛渎港20年一遇防洪水位定为5.0 m。

(2)枯水期水质分析计算边界。进行水质分析的边界水位设定为枯水期水位，东氿与南酷河水位设定为2.9 m，芜申运河和东湛渎港水位则设定为3.0 m。边界水质条件选取2020年1月水质监测数据为枯水期污染物浓度值，边界污染物主要设置NH3-N，污染物浓度设置定值。

2.3.2 模型参数

(1)水动力水文参数率定。在现状河道水系的基础上选用2020年8月3日～8月9日每日08∶00与20∶00的实测数据进行水动力和水文模块的率定，模型边界条件为边界点水位实测值，降雨数据采用监测点1实测降雨量，监测点1与2的实测水位用于模型拟合，监测点位分布见图3。经过率定水动力模块的参数河段糙率取曼宁系数n为0.026～0.032。主要的降雨径流模型NAM参数的取值情况见表1。监测点1与2的水位率定结果见图4，验证结果见图5。

对比分析结果显示，水位率定结果基本符合实测情况，计算所得监测点1与监测点2的均方根误差分别为0.029和0.030，均小于0.05，在误差合理标准范围内。

图3 研究区水系片区划分及监测点位

表1 NAM模型参数值

图4 监测点实测水位与率定结果

图5 监测点实测水位与验证结果

(2)水质参数率定。在水文水动力模型的基础上进行对流扩散模块的参数率定与验证，选用2020年8月3日～8月9日每日8∶00与20∶00的实测数据进行水质模块的率定，2020年8月24日～8月30日每日08∶00与20∶00的实测数据进行水质模块的验证，监测点1与2的实测水质用于模型率定和验证，率定结果见图6，验证结果见图7。经计算，率定结果的最大偏差为17.88%，验证结果的最大偏差为18.10%，均小于20.00%，表明水质参数率定结果基本合理。率定得到，主要水质指标降解系数K氨氮取0.07/d。

图6 监测点水质实测值与率定结果

表2 各方案对比情况

图7 监测点水质实测值与验证结果

3 方案拟定

为使研究区在因城镇建设填埋了部分河道之后能进一步达到防洪和水环境的要求，逐步实现水系结构的优化布局，本文在现状的基础上，基于《宜兴市王婆河以东区域防洪排涝规划》设定4组水系连通方案，按照水系连通规模由小到大进行编号排序。由水系连通带来的下垫面变化忽略不计，模型计算的边界条件和相关参数设定与现状一致。各方案对比情况见表2，河网概化见图8。

4 水系连通对水文水质的影响分析

4.1 水系连通对水文影响分析

排涝水文模拟分析时重点关注水位的变化情况[8]，主要比较河道水位的抬升与降低情况，利用研究区水文水力耦合模型计算各方案20年一遇降雨条件下各河道水位，计算结果见表3，其中水位降低指本方案比前一个方案降低的水位值。为方便进一步分析研究区域水系连通方案下的水文水质状况，将研究区域水系划分为圩内片区、东北片区、西南片区、东南片区，水系分区见图3。根据表3做出各方案与前一个方案相比各河道水位的升降情况图(见图9)。

图9显示，从方案1到方案4水系连通度越大，水位下降幅度越大，受影响的河道数量越多。圩内片区由于进出水系受到闸泵控制，因此4种方案下均未受影响。

方案1相较于现状水系总长减少了1 434 m，46.3%的河段20年一遇排涝水位有不同幅度的抬升，东南片区的河道水位抬升最为明显，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涝压力，上游河段由于下游排水不畅水位也有一定抬升，填埋河道下游水位抬升比下游水位抬升更明显。

图8 各方案河网概化

表3 各方案系20年一遇河道水位 m

图9 各方案河道水位升降示意

方案2相较于现状水系总长增加了915 m，有38.8%的河段20年一遇排涝水位有不同幅度的下降，新开河段江南大学环绕河和新源河附近最高水位降低最多。各河道20年一遇水位整体降低，且南侧水系水位降低比北侧明显，断头浜附近尽管因为新开河道水系连通性有所上升；但水位仍无法有效降低反而抬升了0.13 m。

方案3相较于现状水系总长增加了1 378 m，有40.4%的河段20年一遇排涝水位有不同幅度的下降。从方案2到方案3仅连通部分河段，水系总长增长463 m，由于新开河段长度较短因此河道系20年一遇排涝水位降低与方案2相比不是特别明显。由于改善了临泽滨的断头浜、增加了蒋巷河-新源河-西横河-五渎河之间的“日”字形水网的水系连通性，部分河段的水位也有所降低。

方案4相较于现状水系总长增加了1 770 m，有46.7%的河段20年一遇排涝水位有明显的下降，随着官渎港-唐角村河、对方圩河-东九村河断头浜的连通，东南侧水系的水位降低明显。从方案3到方案4仅连通部分河段、减少断头浜，水系总长增长392 m；但20年一遇排涝水位降低比方案3更明显，主要是因为断头浜的减少改善了水系连通性，增加了水系调蓄洪涝的能力。

4.2 水系连通对水质影响分析

研究区域各方案的部分河网水环境状况计算成果见表4，表中计算结果为主要连通河段与填埋河段周围的河道NH3-N状况。

表4显示，总体来说现状到方案1污染物浓度整体升高，方案1～4污染物浓度有所下降，但水质在类别上太大的变化，部分河道从V类水变为IV类水。各方案以NH3-N为例进行水系连通对水质的影响分析，见图10，其中削减率为各方案相较于前一个方案的污染物浓度削减率。

根据图10分析各方案水系连通下水质的变化显示，圩内片区由于进出水系均受到闸泵控制，因此水质未受影响。

方案1相较于现状整体污染物浓度升高了2.19%，圩内污染物浓度无明显变化，东北部水系的污染物浓度有0.83%的下降，西南部水系和东南部水系受到填埋河道的影响，平均污染物浓度分别有4.06%、8.39%的升高。

方案2相较于方案1整体污染物浓度下降了3.05%，东北部水系平均污染物浓度有0.50%的下降，西南部水系由于新开通了新源河平均污染物浓度下降了4.38%，东南部水系因新开西侧江南大学环绕河，平均污染物浓度下降了6.27%。其中，新开河段附近的中家桥河、蒋巷村河污染物浓度降低最多。

方案3相较于方案2整体污染物浓度下降了0.49%，总体来说连通性增加的附近河段污染物浓度有所下降，当新源河和林泽滨部分河段能够连通的情况下，西南片水系和东南片水系污染物浓度分别降低了1.59%、0.53%，各河道水质整体变化不大。从方案2到方案3仅连通部分河段，水系总长增长463 m，水质情况与水位变化一致，水系连通影响不大。

方案4相较于方案3整体污染物浓度下降了3.29%，东北部水系由于官渎港-唐角村河的断头浜建立了连接，平均污染物浓度有4.38%的下降，西南部水系的污染物浓度有1.68%的下降，东南片水系由于对方圩河-东九村河建立了水系通道并填埋了部分断头浜，平均污染物浓度下降了3.80%。

表4 枯水期各方案下研究区域的河网水环境状况 mg/L

图10 各方案河道NH3-N浓度削减情况

5 结 论

(1)水文影响分析主要分析水位改变情况，现状到方案1整体水位抬升，方案1～方案4整体水位降低。与现状相比，方案1水系总长减少了1 438 m，河道水位有明显抬升，方案2、3、4水系总长分别增分别了915、1 378、1 770 m，分别有38.8%、40.4%、46.7%的河段20年一遇排涝水位有明显降低。

(2)水质影响分析主要分析NH3-N的浓度削减情况，污染物浓度削减率整体从现状到方案1降低，方案1～方案4升高，方案1的平均污染物浓度比现状升高了2.19%，方案2、3、4的平均污染物浓度分别比前一个方案降低了6.27%、0.49%、3.29%。

(3)从方案3到方案4，水系总长增量不多；但由于改善、减少了断头浜，连通形成了“日”字形水网，水系连通度增大，对水位下降、平均污染物浓度降低的效果更好。因此在进行水系连通布局时，除了控制水系总长和水面率，优化水系结构布局可以有效增大水系连通度，改善排涝不畅、水环境等水问题。