常州市主城区畅流活水方案模拟比选及现场试验研究

穆守胜，柳 杨，乌景秀，范子武，刘国庆，谢 忱

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

平原河网城市水系复杂，水体流动性差，涉水工程众多，调控困难，同时经济发达，污染负荷重，水环境治理难度大[1-2]。改善河网水环境的基本策略是通过物理、化学和生物等方法削减水体中的污染物总量[3-4]。物理方法主要包括控源截污、底泥疏浚、水动力调控和水体曝气等；化学方法主要包括投加除藻剂和絮凝沉淀等；生物方法主要包括微生物降解技术、水生植物净化技术、人工湿地净化技术等。目前，不同水环境治理方法中的各单项技术都已相对成熟，在物理、生物法基础上，通过数学模型开展水动力调控研究，利用闸泵堰等水利工程进行联合调度，可以显著改善河道水环境[5-9]。

1 研究区域概况

常州市主城区北至新龙河和沪宁高速公路，南到京杭大运河，西靠德胜河，东临丁塘港，面积179.2 km2。研究范围内大小河道共计113条，长约285 km，其中断头浜43条，长约50 km。研究区域属于高度城镇化的平原河网区，内部水系丰富，水利工程较为完善，具备较强的调控能力。近年来，常州市在防洪排涝和水环境治理方面投入力度很大，主城区河网水环境得到明显改善，但仍存在以下问题：（1）骨干河道水质尚可，但因引水难进入中小河道，部分中小河道水质不佳；（2）河网较为分割，存在多处断头浜，水系畅通性差；（3）河道两岸截污不彻底，水质受污染，部分河道水质仍为Ⅴ类和劣Ⅴ类。

针对以上问题，2017年制定的常州市主城区畅流活水总体方案的总体思路为：通过魏村枢纽和澡港水利枢纽泵站引长江水（Ⅲ类水质），充分利用优质过境水源，打造德胜河、澡港河两条清水通道入城；新建4个控导工程，即盘龙苑溢流堰、恐龙园溢流堰、新市桥溢流堰和洋桥溢流堰，以增强内部调控能力，形成3级梯级水位，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；通过创造水位差实现自流活水，按照区域水系特点，制定主城区合理补水频次，按需配水；充分利用现有闸门科学调度、联合调控，精确控制每条河道的分流比，让更多的流量进入主城区，实现畅流活水[10]。具体引水水流路径见图1。

图1 常州市畅流活水方案的引水水流路径Fig. 1 Water diversion and flow path of Changzhou clean water diversion project

依据常州主城区工程现状、地形和引水条件等，方案将常州市主城区划分成4个片区：Ⅰ区（64.6 km2）、Ⅱ区（21.1 km2）、Ⅲ区（48.3 km2）和Ⅳ区（45.2 km2）（图2）。通过各项工程分年度实施，逐步实现各个片区水质达标：（1）2018年，4座活动堰施工完成后，Ⅰ区达到预期效果；（2）2019—2020年，大运河西枢纽改造完成，Ⅱ区和Ⅲ区达到预期效果；（3）“十四五”期间，澡港河清水通道实施完成，主城区活水整体效果得到提升。

图2 常州市畅流活水方案水质提升分区Fig. 2 Water quality improvement zones of Changzhou clean water diversion project

2017年5月，在常州市主城区开展现场试验，安装4座临时溢流堰设施，对活水方案下的水动力、水质指标进行现场测验，论证了活水方案总体思路的可行性与有效性[11]。2018年6月，4座活动堰建设完成，主城区Ⅰ区范围初具活水条件。2018年7月和11月，分别进行了2次Ⅰ区阶段性调度试运行试验，通过精准调控，实现了主城区一二级水位差、流量分配合理的自流活水格局，Ⅰ区水环境显著改善，多数河道达到健康水平[12]，具体见表1。

表1 老城区内水质历次试验监测成果对比Tab. 1 Comparison of water quality monitoring results of previous tests in old urban areas

2 研究方法

2.1 数学模型

本文通过数学模型模拟畅流活水方案效果并进行方案优选。模拟的重点区域为常州市运北主城区河网，区域内河网密布、水系复杂、工程众多。模拟计算中考虑了长江、太湖等外围边界的影响，在已有常州市主城区一维水动力模型[10]基础上，将模型范围向西延伸至太湖流域边界、东部到望虞河、南部延伸至江苏省省界，构建一维水动力模型。

常州市城区模型边界条件包括：水位边界及流量边界。水位控制点主要是长江、大运河、太湖水位。长江常态水位3.8～4.0 m，京杭大运河水位为3.4～3.6 m。流量边界主要为澡港河、德胜河江边枢纽流量过程。

采用前期试验实测水位数据进行模型率定，结果表明全区水位计算值与实测值平均误差能控制在5 cm内[11]，能够较准确地模拟常州市主城区河网水动力特性。经过率定，最终确定一级河道（老运河、关河等）糙率n取0.025，二级河道（采菱港河、白荡河、南运河等）糙率n取0.030，三级河道（凤凰浜等）糙率n取0.035。

2.2 现场试验

通过现场试验，监测推荐的畅流活水方案下河道的水质指标和水动力指标，论证模型模拟比选出的优化方案的实施效果。

根据前期研究成果和常州市主城区水系水质特点[10-11]，选取以下日常易超标的水质监测指标：溶解氧（DO）质量浓度（以下简称浓度）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）浓度、总磷（TP）浓度。所有水质监测点在试验开始前和试验结束前2天各测1次，引水沿线重要点位（见图1）在试验期间每2天监测1次，试验结束后对重要点位继续监测水质16 d，并关注试验结束后水质的复原情况。

水动力观测要素为：河道水位、流速、流量，河道水位利用电子水尺记录实时水位，流量、流速采用声学多普勒剖面流速仪（ADCP）现场巡测。所有流量监测点试验前测1次本底值，试验开始待水位稳定后，第3～14天每天巡测，重点巡测Ⅱ区、Ⅲ区流量。特别在河网水动力调试稳定后，开展关键监测点位全局测量，获得内部所有分汊河道的分流比。

3 畅流活水方案设计与模拟

3.1 方案设计

由前所述，前期的畅流活水实施方案由于工程限制仅能形成二级梯级水位，因此畅流活水范围主要针对Ⅰ区开展，2020年大运河西枢纽改造完成，Ⅱ区和Ⅲ区具备了活水运行条件。因此本文在前期研究基础上，将活水范围扩展至Ⅱ区和Ⅲ区，通过溢流堰和相关闸泵的联合调度，调节主城区（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区）河道流量，形成最佳的分流配比，制定主城区（Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区）的畅流活水常态化运行调度方案。

为分析不同调度条件下的主城区河道水动力情况，依据前期制定的“常州市主城区畅流活水方案”，通过魏村枢纽和澡港水利枢纽引水，其中魏村枢纽引水30 m3/s、澡港水利枢纽引水40 m3/s，围绕新建工程大运河西枢纽调度及与4座活动堰工程的组合，设置了5组模拟方案，具体见表2。

表2 计算方案Tab. 2 Calculation schemes

3.2 方案效果模拟及比选

澡港河引水入城后，经澡港河东支、柴支浜、三井河等河道分流，再经关河两座溢流堰调控，一部分进入老城区，一部分进入关河后向南流入主城区Ⅱ区和Ⅲ区河道。常州市主城区范围内主要河道在各方案下的模拟流量分配见表3。

表3 各方案下的河道流量分配Tab. 3 River flow distribution of each scheme 单位：m3/s

对比各方案下进入主城区河道的总流量，方案4和5的总流量相比前几个方案明显偏小，主城区Ⅱ区和Ⅲ区河道减少的流量大部分从京杭大运河流向主城区外围流走；方案3的总流量虽然和方案1、2基本一致，但代表老城区的西市河流量过小。因此，方案3～5的流量分配不利于总体上改善主城区水环境。

综上，方案1和2的主城区Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的河道流量分配效果更好，如图3和4所示。因此，选择方案1和2作为现场试验的调度情景，论证畅流活水方案的实施效果。

图3 方案1的河道流量分布Fig. 3 River flow distribution of scheme 1

图4 方案2的河道流量分布Fig. 4 River flow distribution of scheme 2

4 畅流活水方案实施效果现场试验

4.1 试验期间水动力变化过程分析

现场试验于2020年11月28日—12月11日开展，试验期间的内部工程调度共分成引水期、调度期和恢复期3个时期。11月28日9时—29日9时，为引水抬升澡港河水位的引水期，无工程调度情况下，河网上下游水位差基本在0～5 cm，水动力较弱，随着引水的进行，上游澡港河水位快速抬升；调度期第1阶段为11月29日9时—12月7日9时，执行方案1的闸泵调度方案；调度期第2阶段为12月7日9时—10日9时，执行方案2的闸泵调度方案。与第1阶段相比，新增大运河西枢纽泵站引水10 m3/s，随着工程调度运行，澡港河入城口（许家塘桥）与三堡街（老运河）的水位差维持在20 cm左右，三堡街与常州（三）的水位差维持在10 cm左右，形成了预期的3级水位差。12月10日9时—11日12时为恢复期，工程停止运行后，河网上下游又恢复为0～5 cm水位差的弱水动力状态。试验期间引水沿线关键监测点水位变化见图5。

图5 活水期间引水沿线关键测点水位变化Fig. 5 Water level change process of key points along the diversion line during the field test

另外，在调度期，研究范围内大部分河道的流量和流速相比引水期前有显著提升，河道流量及流速提升在1.48～17.00倍（表4），且调度期第2阶段Ⅱ、Ⅲ区大部分河道流量更大，说明大运河西枢纽引水对主城区南部区域有益，与模型模拟结果基本一致。

表4 活水方案实施前后的河道流量对比Tab. 4 Comparison of river flow before and after the field test

4.2 试验期间水质变化过程分析

4.2.1 水质总体变化情况活水试验前后，研究范围内大部分河道监测点位的水质改善效果非常明显（表5）。试验前所有监测点位的水质25%为Ⅲ类、20%为Ⅳ类、35%为Ⅴ类、20%为劣Ⅴ类；试验后10%为Ⅱ类、90%为Ⅲ类。

表5 活水前后水质对比Tab. 5 Comparison of water quality before and after the field test

4.2.2 引水沿线重要点位试验期间水质变化情况试验期间引水沿线重要点位水质指标变化情况见图6。可见，水质改善十分明显。试验前部分点位的氨氮浓度超标，为劣Ⅴ类，随着引水的进行，所有点位的氨氮浓度下降非常明显，并在试验后期基本达到了Ⅲ类。试验前各点位的高锰酸盐指数本底值较好，除云祥桥（后塘河）为Ⅲ类外，其余点位均为Ⅱ类，随着引水的进行，各点位的高锰酸盐指数均有小幅度下降，并在试验后期稳定在Ⅱ类。各点位的总磷浓度都随着引水的进行呈下降趋势，其中白龙桥（西市河）、云祥桥（后塘河）试验前为劣Ⅴ类，另外3个点位为Ⅲ-Ⅳ类，最终下降并稳定在Ⅲ类。各点位的溶解氧浓度都随引水过程波动上升，最终都由Ⅲ类左右提升至Ⅰ类以上，试验期间大部分时间维持在较高的水平（7 mg/L以上）。

图6 引水沿线重要点位试验期间水质变化Fig. 6 Variation of water quality during the field test

4.3 试验结束后水质变化过程分析

试验结束后，于2020年12月11日—27日对引水沿线5个重要点位的水质进行了跟踪监测，不同水质指标均出现了一定程度的反弹，但大部分点位各水质指标在监测时间（引水结束后16 d）内仍处于较好的状态（低于试验前本底值或为Ⅲ-Ⅳ类）（图7）。

图7 引水沿线重要点位试验结束后水质变化Fig. 7 Variation of water quality after the field test

除白荡河、南童子河等点位，其他点位氨氮浓度在监测时间内都仍低于本底值，白荡河、南童子河在试验结束后10 d左右反弹至或超过本底值；所有点位的高锰酸盐指数在12 d后接近或略微超过了本底值，除后塘河试验结束后第16天反弹至略超过Ⅲ类，其余点位仍在Ⅱ-Ⅲ类；西市河、后塘河的总磷浓度试验前为劣Ⅴ类，引水后降幅明显且在监测时间内都仍明显低于本底值。其余点位总磷浓度试验前都为Ⅲ-Ⅳ类，在引水结束后逐渐反弹至本底值，但在监测时间内都仍处于Ⅲ-Ⅳ类；溶解氧浓度在监测时间内下降幅度并不明显，大部分点位仍高于本底值，仅西市河、后塘河在第16天降至本底值但仍处于Ⅲ类水平。

5 结 语

通过数学模型开展水动力调控是改善平原河网城市水环境的有效手段。以常州市主城区为研究对象，通过水动力数学模型模拟5组方案下城区内部河道流量分配情况，确立了启用城区内部4座溢流堰、大运河西枢纽关闸或开泵向城区引水的2组推荐方案，并结合现场试验论证了推荐的活水方案效果，最终形成了预期的3级水位差，河道流量及流速提升1.48～17.00倍，河网水环境改善显著。研究成果可为其他平原河网城市提供参考。

畅流活水对改善平原河网城市水质效果明显，但需要强化日常监测，对部分水质异常点位开展污染源解析工作，根据水质变化情况合理确定活水周期，感潮河网区尽量运用潮动力闸引，减少泵引，合理确定引水量，强化日常活水，保持水质稳定。本文开展现场试验后各点位水质指标有明显提升，大部分水质指标在引水结束后16 d内都仍处于较好的状态，但主城区中西市河、南童子河、后塘河、白荡河等部分河道的水质在试验结束后反弹明显。可见，应注重开展污染源解析，排查排污口消除点源污染，并综合采取控源截污、河道整治、强化净化、长效管理等一系列措施，注重系统治理，确保河网水环境的长效久治。