太湖流域骨干工程联合调度效果分析——以望虞河、走马塘工程为例

廖志盛，马农乐，薛 宣

（1.广州华申建设工程管理有限公司湛江分公司，广东 湛江 524037；2.上海东南工程咨询有限责任公司，上海 200434）

望虞河既是太湖流域洪水北排长江的主要泄洪河道，又是流域引长江水入太湖的“引江济太”通道，对流域整体供水安全起着重要作用。为避免望虞河西岸污水的影响，统筹解决望虞河西岸地区排水出路问题，充分发挥望虞河引江济太效益和效率，实施望虞河西岸控制工程和走马塘拓浚延伸工程，实现“引江济太”期间引排分开、清污分流，形成望虞河引江清水通道。平原河网地区，众多水闸、泵站和堤防等水利工程是控制河网地区水位、调节流量的重要设施，通过对水利工程联合调度实现河网区域防洪、排涝和引水、灌溉、改善水环境及航运等调度功能的需要。本文在开展调度需求分析基础上，提出联合调度的方向和方案，分析不同调度方案对望虞河引江济太以及西岸地区的影响，确定工程联合调度方案，促进望虞河西岸地区水体有序流动，为工程调度方案提供技术参考。

1 工程概况

（1）望虞河西岸控制工程是《太湖流域防洪规划》提出的望虞河后续工程主要工程内容之一，也是国务院批复的《太湖流域水环境综合治理总体方案》中近期优先安排实施的治理工程项目，同时也是《太湖流域综合规划》中确定的重要工程项目。主要建设内容包括新建支河口门建筑物35 座及水系调整等。水系调整包括新开河道约5.78 km、疏浚河道约34.1 km 等。同时，为缓解望虞河西岸控制对地区河网水环境等方面的影响，望虞河引水期间，通过支河口门适当向西岸地区补水，设置望虞河西岸8 m3/s补水泵站，同时设置了3.5 m3/s的备用泵站。

（2）河道全长66.51 km，南起京杭运河，利用现有沈渎港、走马塘、锡北运河，穿越无锡市锡山区东北部，于常熟市王庄东北沿常熟、张家港两市交界处平地开河至张家港七干河，与张家港立交后经七干河入长江。望虞河西岸控制工程实施后，为解决“引江济太”期间望虞河西岸的排水出路，将西岸地区走马塘北排长江，提高“引江济太”效率。即望虞河引江济太期间，望虞河西岸地区遭遇5 a 一遇设计降雨时，西岸地区的洪水由走马塘拓浚延伸工程北排长江，同时承担引水初期望虞河水体置换的部分退水任务。

2 联合调度需求分析

2.1 流域层面

2.1.1 太湖水位

太湖流域多年平均水资源总量约176 亿m3，远远不能满足流域用水需求，为提高太湖的供水能力以及水环境承载能力，太湖最低旬平均水位不宜低于2.80 m。根据2011年国家防总批复的《太湖流域洪水与水量调度方案》（国汛〔2011〕17 号），当太湖水位低于调水限制水位时相机实施水量调度。太湖调度控制水位见图1。

2.1.2 引江济太入湖效率

统计2002 年后10 余年引江济太数据，望虞河平均引水入湖率为46.11%。为保障太湖供水安全，水量分配方案对望虞河入湖效率提出要求，望虞河西岸控制工程实施后，多年平均引水入湖效率达到68.4%，同时，望虞河引水入湖时，东岸口门分水比例不超过常熟水利枢纽引水量的30%，且分水总流量不超过50 m3/s；西岸口门不得向望虞河排水，可视西岸地区水环境状况，适当从望虞河引水，维持西岸主要支流断面水质类别不降低。“引江济太”入湖水量及入湖效率统计见表1。

表1 引江济太入湖水量及入湖效率统计

2.1.3 望虞河入湖水质

《太湖流域洪水与水量调度方案》中要求水量调度时，当望亭水利枢纽闸下水质调度指标和参考指标均满足Ⅲ类标准时，望亭水利枢纽开闸向太湖输水；当望亭水利枢纽闸下水质调度指标满足Ⅲ类标准，水质调度参考指标为Ⅳ类标准时，如望虞河大桥角新桥水质调度参考指标满足Ⅲ类标准，望亭水利枢纽可控制向太湖输水。

为保证望虞河入湖水质，“引江济太”调度中通过望亭枢纽控制未达标水流进入太湖，常熟枢纽初期引水对望虞河水体进行置换，需要走马塘工程承担望虞河西岸地区排水任务。

2.2 区域层面

2.2.1 水资源需求

望虞河西岸地区需维持一定的水位用于满足农业灌溉、航运及水环境改善等需求，相关规划中明确了望虞河西岸地区的青阳站、无锡站的允许旬平均最低水位、河道内需水控制指标均为2.80 m。在枯水年或枯水期，西岸地区主要靠引长江水来补充河网水资源的不足。

2.2.2 水环境需求

根据监测资料，望虞河西岸地区水环境质量总体较差，各支流水质类别基本以Ⅳ～劣Ⅴ类为主，张家港水质较差。监测的71 个功能区108 个断面（点）中，水质综合评价为Ⅱ类的断面占总监测断面数的12.0%，Ⅲ类的断面占13.0%，Ⅳ类和Ⅴ类分别占16.7%和27.8%，其余为劣Ⅴ类，占30.6%，低于Ⅲ类水标准的断面占75.0%。在望虞河西岸支河敞开的现状工情下，“引江济太”期间由于望虞河引水的分流影响，各支流水质有所改善，水质基本优于非“引江济太”期间，部分水质指标能够提升1 个类别左右，非“引江济太”期间西岸支流的水质基本维持在V～劣Ⅴ类。对望虞河西岸伯渎港、九里河等主要支流水质主要超标指标NH3-N 均值的月际变化分析，1～4 月西岸地区NH3-N 指标均值为2.41 mg/L，水质类别为劣Ⅴ类，在全年相对较差，且根据对西岸地区代表站水位的分析，1～4 月水位在全年相对较低。望虞河西岸地区水环境质量评价统计见图2。

2.2.3 排涝需求

走马塘工程实施前，望虞河是西岸锡澄虞片区的主要泄洪排涝通道。为了充分发挥“引江济太”效益，提高望虞河连续引水入湖的效率，根据走马塘延伸拓浚工程及望虞河西岸控制工程的功能定位，走马塘工程需联合望虞河西岸控制工程，解决“引江济太”期间望虞河西岸地区5 a 一遇以下（无锡水位低于4.0 m）洪水的排泄，将西岸地区东排望虞河改为走马塘北排长江，满足引江济太期间西岸地区排水需要。

3 联合调度方案设计

3.1 方案思路

望虞河是流域骨干引水河道，周边区域相关工程调度与“引江济太”效益关系密切。因此，针对望虞河西岸控制工程、走马塘拓浚延伸工程、白屈港控制线及沿江口门等工程联合调度，尽可能促进西岸地区水体有序流动，减少对望虞河引水入湖的影响。其中，望虞河西岸控制工程根据太湖水位分级控制合理流量向西岸地区补水；走马塘延伸拓浚工程在解决西岸地区5 a 一遇以下涝水北排的同时，根据西岸地区水资源条件适时排水，促进地区水体流动，缓解西岸控制对区域排水、水环境的影响。

3.2 方案设计

方案设计的方向为：一是对西岸补水进行空间和时间优化，即对西岸支流中锡北运河以南区域重点河道进行补水，并考虑在水质较差的重点时段（1～4月）进行补水；二是充分利用西岸地区沿江引排能力较强的区位优势，对白屈港控制线和沿江张家港闸进行联合调度。主要设计4个方案（见表2）。

表2 联合调度方案设计

4 数值模拟计算及效果分析

4.1 数值模拟计算

采用应用比较成熟的太湖流域水量水质数学模型进行数值模拟计算，计算范围为太湖流域全部面积36 895 km2，骨干河网水系概化为河道近1800条、总长超过1.5 万km，河道断面超过10 000 个；调蓄节点60 余个、控制建筑物245 个，由1698 个节点相连；边界河道101条，其中潮位边界47条，环太湖水位边界31条，山区入流流量边界20条，骨干河网水系概化见图3。选取1971 年（90%频率枯水典型年）进行数值模拟计算，统计分析水量、水位、水质等变化情况，以评估不同调度方案的效果。

4.2 调控效果分析

4.2.1 太湖及地区水位

1971 年型下，WZ-1、WZ-2、WZ-3 三种方案太湖计算水位过程基本没有变化（见图4），3个方案均基本上不会对太湖水位产生明显影响。WZ-1 方案、WZ-2 方案最低旬均水位均为2.72 m，与WZ-0方案一样；WZ-3 方案最低旬均水位为2.71 m，较WZ-0方案降低了1 cm。

WZ-1～WZ-3方案无锡及青阳最低旬平均水位均高于河道控制指标2.80 m，可以满足区域水资源需求。WZ-1 方案西岸时空优化方案水位与WZ-0方案没有变化；WZ-2 方案由于对白屈港控制线进行适度控制后，白屈港西岸地区入白屈港水量减少，青阳最低旬平均水位抬升了3 cm；WZ-3方案同时对白屈港控制线适度控制及沿江张家港闸排水优化后，无锡最低旬平均水位降低了1 cm。区域主要代表站4～10月最低旬平均水位见表3。

表3 区域主要代表站4～10月最低旬平均水位m

4.2.2 区域水量交换

（1）望虞河引水入湖水量。WZ-1 方案对望虞河西岸工程补水流量的分配进行时间及空间优化，水资源调度期间及引水入湖期间望虞河引水入湖效率较WZ-0 方案相比基本没有变化，不会对流域“引江济太”造成影响；WZ-2 方案及WZ-3 方案在WZ-0 方案的基础上，对白屈港控制线适度控制或沿江张家港闸排水优化后，导致走马塘以西、锡北运河以北区域进入走马塘水量减少，望虞河西岸口门出望虞河特别是张家港出望虞河水量明显增多，“引江济太”期间望虞河引水入湖效率逐渐下降，与WZ-0方案相比，WZ-2方案下降3%左右，WZ-3方案则下降了8%，WHY-3 方案的引水入湖效率为66%，低于《水量分配方案》中多年平均引水入湖效率68.4%的要求。1971 年型望虞河引水入湖期间进出水量计算成果对比见表4。

表4 1971年型望虞河引水入湖期间进出水量计算成果对比

（2）望虞河西岸分流水量。1971 年型集中引水期时段相同，望虞河西岸分流水量与WZ-0 方案相比，WZ-1 方案基本没有变化，WZ-2 方案增多0.59 亿m3、WZ-3 方案增多1.63 亿m3。主要因张家港尚未建设口门建筑物，而望虞河西岸其他口门均进行了有效控制，不统计张家港分流量的情况下，各方案望虞河西岸支流的分流水量基本相当。由于WZ-1～WZ-3方案对望虞河西岸各河道的分水流量进行了空间优化，西岸各支流间补水量的分配发生了变化，主要表现为南部伯渎港、杨安港分流量较WZ-0 方案相比分别增加了0.11 亿m3，北部锡北运河分流量则减少了0.13 亿m3。1971 年型引水入湖期间望虞河西岸分流水量对比见表5。

（3）走马塘工程进出水量。与基础方案相比，WZ-1 方案对走马塘西岸汇入走马塘水量影响不大，走马塘东岸（望虞河西岸）锡北运河以南河道汇入走马塘水量增加了约0.3 亿m3，对望虞河西岸锡北运河以南区域水体有序流动和水环境产生有利影响。WZ-2方案走马塘西岸汇入走马塘的总水量有所减少，但位于走马塘西岸锡北运河以南的伯渎港、九里河、双泾河等支流汇入走马塘的水量较WZ-0方案增加了1.04亿m3，同时，走马塘东岸锡北运河以南河道汇入走马塘水量也增加了0.67亿m3，有效拉动了走马塘两岸锡北运河以南区域的水流进入走马塘。WZ-3方案沿江张家港枢纽排水量增加，从而促进锡北运河以南区域走马塘东西两岸汇入水量较WZ-0 方案分别增加了0.85 亿m3和1.50亿m3，促进了锡北运河以南区域水体的有序流动。1971 年型引水入湖期间走马塘工程进出水量对比见表6。

表6 1971年型引水入湖期间走马塘工程进出水量对比表亿m3

（4）武澄锡虞区进出水量。与WZ-0 方案相比，WZ-1方案的武澄锡虞区入长江、武澄锡虞区出运河及入望虞河水量变化不大；WZ-2 方案武澄锡虞区沿江调度代表站青阳水位有所升高，入长江水量相应有所增加；WZ-3 方案由于张家港沿江枢纽加大排江，经张家港分流望虞河水量有所增加，入望虞河水量有较大幅度减少，在河道水质较差的情况下，望虞河引水及西岸地区水质产生有利影响。1971 年型引水入湖期间武澄锡虞区进出水量对比见表7。

表7 1971年型引水入湖期间武澄锡虞区进出水量对比表亿m3

4.2.3 水质指标变化

（1）望虞河沿线水质。水质指标主要分析COD、NH3-N 浓度变化（见表8），计算成果表明，引江济太期间望虞河干流自长江口至太湖沿程水质总体较好，由于望虞河西岸张家港尚未建闸控制，导致较差水体汇入望虞河后造成虞义大桥断面水质指标浓度上升，而后沿程逐渐下降。其中WZ-3方案的下降幅度最大，望虞河大桥角新桥断面COD平均浓度降低了2.4%，NH3-N 平均浓度降低了12%。1971 年型望虞河沿线引水入湖期间水质计算成果对比见表8。

表8 1971年型望虞河沿线引水入湖期间水质计算成果对比%

（2）望虞河西岸河网水质。分析望虞河西岸地区骨干河道断面水质，与WZ-0方案相比，大多数支流水质有所改善，其中张家港沿线区域及锡北运河以南区域改善幅度较为显著，3 个方案的水质改善效果为WZ-3 方案＞WZ-2 方案＞WZ-1 方案。“引江济太”期间和重点时段1～4月，对西岸各支流补水流量的空间分配进行了优化调整，引水入湖期间WZ-1～WZ-3 方案中伯渎港、九里河等重点增大补水流量的西岸支流水质有所改善，伯渎港NH3-N改善幅度在20%～30%，效果较好。1971 年型望虞河西岸区域引水入湖期间水质计算成果对比见表9。

表9 1971年型望虞河西岸区域引水入湖期间水质计算成果对比%

5 结语

望虞河和走马塘工程联合调度，实现望虞河西岸地区水体有序流动，同时也保证引“引江济太”湖效率，可充分发挥工程效益，实现引江济太效益最大化。

（1）WZ-1 方案优化望虞河西岸控制工程补水流量的时间和空间分布，对太湖、地区水位以及望虞河“引江济太”入湖效率基本无影响，锡北运河以南区域北排水量增加了0.3亿m3；WZ-2方案在WZ-1方案的基础上，对白屈港进行适当控制后，导致望虞河引江入湖期间西岸出望虞河水量较WZ-0方案增多0.59亿m3，“引江济太”入湖效率降低3%，走马塘西岸锡北运河以南区域北排水量增加1.04亿m3，望虞河沿线水质改善0.7%～9.1%；WZ-3 方案在WZ-2方案的基础上，沿江张家港闸排水后，导致望虞河引江入湖期间西岸出望虞河水量较WZ-0方案增多1.63亿m3，“引江济太”入湖效率降低8%，走马塘西岸锡北运河以南区域北排水量增加1.50亿m3，望虞河沿线水质改善2.4%～19.7%。

（2）望虞河引水期间通过西岸支河口门进行适当的水资源调度，并结合现状水质分析情况在区域水质相对较差的重点时段1～4 月加大补水，改善锡北运河以南地区水环境，解决西岸地区因“控”致“滞”问题，对望虞河西岸地区水环境改善是有利的。

（3）综合各方案水量、水位、水质影响的分析成果，WZ-2、WZ-3 方案分别对白屈港控制线进行适当控制、沿江张家港枢纽排水，能够有效形成区域的有序循环；但由于张家港与望虞河无口门建筑物控制，会导致望虞河西岸分流水量有所增多，对引江济太入湖效率造成不利影响，低于多年平均引水入湖效率68.4%的要求，且张家港是江苏的省级重要航道，在实际应用中应予以控制性排水。

（4）随着区域治理工程的推进，特别是走马塘沿江泵站建成后，建议进一步深化研究区域控制工程的联合调度方案，综合考虑航运需求实现精准化调度，充分发挥工程综合效益。