水资源科学调度在通惠河水环境治理中的应用

乔岩松，唐雨竹，王斌润，薛晓妍

（北京市城市河湖管理处，北京 100144）

1 通惠河概况

北京作为国际化大都市，伴随着城市化进程的加快，水资源短缺、水质污染等大城市病也越发严重，其中城市雨水径流是重要的水环境污染渠道。在城市化进程中，城市道路、房屋建筑为代表的混凝土地面大幅增加，逐渐取代自然土壤，导致土地硬化面积增多，水源渗透能力减弱，增快城市雨水径流形成速度[1]；同时，随着人类在城市生活足迹的拓展，排放的污染物也显著增多。一旦突发降雨，大量城市地面污染物将伴随城市雨水径流注入湖泊、河道，对水体形成污染。

通惠河是京杭大运河北端的一段人工开凿的运河，元至元二十八年（1291 年）由都水监郭守敬主持修建[2]。通惠河现上接南护城河尾段，西起东便门铁路桥，承接前三门暗沟和东护暗沟，全长20.35 km，总流域面积258 km2，主要功能是将首都功能核心区的洪水平稳地排向城市副中心，保障2 个中心人民群众生命财产安全。作为城市雨洪“东排”的重要河道，通惠河也是受城市雨水径流污染最严重的河道之一。北京市城市河湖管理处通惠河管理所（以下简称通惠所）管辖通惠河长度14.74 km，涉及大北窑橡胶坝、大北窑船闸、高碑店闸和普济闸4 座闸坝。通惠河有一条主要支流为二道沟，西起东直门外亮马河右岸，东至高碑店闸下游入通惠河左岸，全长16.00 km，通惠所管辖9.17 km，共有3 座水闸，分别为显塔寺闸、二道沟泄洪闸和二道沟循环闸。

近年来，通惠河泄洪压力较大。为缓解泄洪过程中河道上游首都功能核心区降雨量和来水量瞬间增加的情况，加之无法掌握前三门暗沟泄洪数据，通惠所管辖闸坝需要提前腾库，降低河道水位，全力保证洪水顺利宣泄。泄洪工作结束后，高碑店湖右侧和五环桥下游的2个中水口可以立即向通惠河输送优质中水，但由于河道上游来水携带大量泥沙，水质浑浊，且上游河道短时间内无法进行生态补水，导致通惠河产生降雨径流污染问题，仅靠中水无法解决存在的问题。

通惠河地势自然落差较大，其中通惠所管辖河段高差12.28 m。相关研究显示，梯级水坝对高落差河道水质治理效果显著，可促进河道生态系统自动净化能力[2]。因此，结合大北窑橡胶坝、高碑店闸、普济闸（上游至下游）3座闸坝形成的3个梯级断面，有必要探讨如何通过梯级调水改善河道水质、水位等问题。该模式考虑了通惠河不同河段水量、水质的实际情况以及相关的环境因素，通过调度水流，实现改善水环境的治理目标，达到最优的水流调度目标，为沿河居民营造一个优美的河湖生态环境。

2 存在问题

2.1 部分区域水位较低

近年来，在日常水流调度及巡视巡查过程中，通惠所工作人员发现大北窑橡胶坝至大望保洁平台段、北花园桥至双桥段河道日常运行水位较低，且明显低于河道平均水位，导致上述区域保洁船只作业困难，且通惠河流经区域多为居民区、商业区等人流密集场所，社会关注度较高，水环境整体感观较差。特别在汛期泄洪结束后，上述区域河道水位下降更为明显，河底裸露情况时有发生，水环境问题较为突出。

2.2 雨后河道泡沫问题凸显

通惠河作为城区重要泄洪河道，承担大部分中心城区雨洪的下泄任务。强降雨天气结束后，城市雨洪汇流，上游河道来水中的氮、磷等富营养化物质含量短期内迅速增高。富含氮、磷的水体流经节制闸、橡胶坝等水工建筑物时，受水工建筑物上下游高差带来的负荷冲击和气浮作用的共同影响，产生大量白色泡沫。另外，雨后河道补水过程中，流速较缓，水中溶解氧含量较低，这又导致白色泡沫短时间内无法消散。

3 原因分析

3.1 河道水源补给不足

通惠河现供给水源主要来自上游河道、高碑店湖中水出水口和五环桥中水出水口。其中，上游河道补水，日均补水量自我调控程度较低。当河道泄洪结束后，为满足高碑店湖及上游河道景观蓄水需求，高碑店闸通常采取闭闸蓄水方式，此时高碑店闸下游河道水源补给仅依靠五环桥中水出水口，日均水量仅45万m3，而高碑店闸至普济闸河道全长6.71 km，河道较长，短时间内无法满足河道蓄水需求，导致北花园桥至双桥段河道水位过低，无法行船打捞水草等漂浮物，水环境问题随之凸显。

3.2 补给水源水质不稳定

中水作为通惠河的重要补给水源，在输送过程中，受管线较长、管线老化等客观因素影响，入河水质在一定程度上有所降低。

在汛期河道泄洪过程中，二道沟泄洪闸经大黄庄暗沟出口向通惠河下游宣泄洪水，下泄洪水绝大部分为城市雨洪，而二道沟沿线多为居民区、商业区，绿地覆盖率较低、入河径流水质可控性差，且汛期瞬时下泄流量较大，导致管线中泥沙等杂质随洪水冲入河道，对通惠河高碑店闸下游水质产生较大影响。高碑店湖作为通惠河上景观蓄水和雨洪调蓄的重要节点，水体流动性较差，整体置换周期较长，导致水草繁殖加速，水质下降明显。

4 改进措施

4.1 水流调度方面

4.1.1 调整闭闸蓄水顺序

根据通惠河河道较长的特点，充分利用大北窑橡胶坝、高碑店闸、普济闸3 座闸坝为节点，将通惠河分为3 段，分段蓄水。二道沟泄洪闸在宣泄完洪水后关闭闸门，随后高碑店闸降低闸门开度，开始小流量放水；二道沟泄洪闸闭闸1 h 后，泄洪暗沟出口不再出水，再经过1 h，普济闸、高碑店闸闭闸蓄水，同时大北窑橡胶坝鼓坝蓄水。

通过调整水闸泄洪后的闭闸顺序，延后普济闸和高碑店闸的闭闸时间，将浑浊水体大量宣泄，使蓄水后的水体泥沙量相对减少，缩短泥沙和污染物自然沉淀时间，使水体更快变清，提升水体感观效果，为改善水环境提供有力支撑。

4.1.2 中水加量稀释水体

根据通惠河泄洪后上游来水不足的情况，通惠所和中水公司开展协商并达成一致，每次强降雨后，将高碑店湖中水供水流量由日常的2.00 m3/s增加到4.00 m3/s。通过加大中水供水量，稀释水体，降低水体残留的氮、磷等物质浓度，达到改善雨后河道水质的效果。

同时，结合上述闭闸蓄水调整措施，将雨水口汇水和上游泄洪水体中的富含氮、磷等物质的水体充分宣泄后，再加大中水供水量，使水体本身含氮、磷和其他成分的浓度相对减少，大幅缩短水体稀释时间，真正达到事半功倍的效果。

4.1.3 壅高水位增蓄时间

将蓄水水位控制在运行水位范围内并尽量壅高，可解决河道纵断面落差大导致的区间水位较低的问题，确保各段河道不露底。普济闸水位壅高至23.00 m，高碑店闸蓄水至30.95 m，大北窑橡胶坝鼓坝蓄水至31.80 m，并充分利用蓄水时间，使河水中的泥沙自然沉淀和稀释。各闸坝每次泄洪完毕，水位高低不等，来水流量不等，蓄至上述水位的时间也不同，区间河道蓄水时间统计详见表1。

表1 区间河道蓄水时间统计

由于高碑店湖中水口雨后出水量固定为4.00 m3/s，所以只有一种蓄水情况；东便门橡胶坝至大北窑橡胶坝区间河道雨后主要靠上游龙潭闸放水，故用4.00 和8.00 m3/s 2 个常用流量计算蓄水时间；大北窑橡胶坝至京包铁路桥区间河道是由上游河道过水和高碑店湖反向壅高上游水位2 种方式共同蓄水，采用龙潭闸闸门全闭和龙潭闸放水4.00 m3/s 2 种情况，故用4.00 和8.00 m3/s 2 个流量计算蓄水时间；高碑店闸至普济闸区间河道则是由高碑店闸过水和五环桥中水口2 个水源共同蓄水，中水口日常流量为5.00 m3/s，采用高碑店闸闸门全闭和放水5.00 m3/s 2种情况，故用5.00和10.0 m3/s 2个流量计算蓄水时间。

壅高水位也有利于河道保洁船在河道中开展漂浮物打捞作业，与低水位段人工下河打捞相比，打捞效率明显提高，这将为改善河道环境面貌、提升水环境整体质量提供坚实保障。

4.1.4 脉冲调水改善水质

当通惠河各闸坝蓄水达到相应水位时，根据河道各段水质情况，通过各闸坝瘪坝、启闸操作，开展脉冲调水工作。大北窑橡胶坝瘪坝0.50 m，高碑店闸启闸，放水流量30.0 m3/s；同时，普济闸开启，放水流量32.0 m3/s，持续放水0.5 h，使河道水体充分流动起来。通过脉冲调水过程，加快水体流动速度，进一步稀释水中营养物浓度，置换河道水体，促进水体发挥自身净化功能，达到改善水质的目的。

4.1.5 底流过水治理白沫

通惠河高碑店闸为平板舌瓣钢闸门，当泄洪任务结束后，闸门关闭，采用舌瓣过水，受雨洪后水质和上下游高差等因素影响，会产生大量白色泡沫。为解决泡沫问题，特改变现有过水模式，将舌瓣过水改为底流过水，直至水体恢复不再产生白沫。采取底流过水后，缓解了上下游水位差的问题，并经过下游连接段的消力池、海漫等消除过水能量，减少白色泡沫的产生。结合汛期泄洪情况，通惠所开展了多次对比实验，从对比结果得出，相比舌瓣过水，底流过水能有效抑制白色泡沫的形成，达到泡沫治理效果。

4.2 水环境管理方面

通惠河沿线有大量暗沟、暗涵入河，当遇到强降雨天气进行泄洪时，管线内会冲出大量杂质及漂浮物，造成通惠河及二道沟河道沿线水质恶化，对河道整体水环境产生恶劣影响。对此，应在雨后加强物理、生物等方面的应对处置措施。

在物理治理方面，主要采取如下措施：①要强化巡视检查。水环境管理人员及闸站巡视人员在雨中、雨后开展不间断巡回检查，密切关注沿线排水情况及河道水环境情况，发现问题快速反馈、及时处理；②要加强雨后河道保洁。为恢复河道正常水环境景观，在河道中设置多道拦污网，安排相关单位，增加人力、船只，增大作业频次，延长作业时间，利用人工拉网及时对水面垃圾、漂浮物等进行集中打捞，保证河道过水通畅、及时恢复河道水环境景观。

在生物治理方面，要及时采取生物制剂投放措施，抑制雨后河道水体浑浊、氮磷等元素含量较高、闸坝水位差导致的冲击作用下产生的白色泡沫[4]，以提高水体质量和透明度恢复速度。

此外，还应加强部门联动，共同提高入河水源质量。通惠河作为北京市重要河道，近年来，受大城市病、城市污染等多种因素影响，入河水体水质正逐年变差。水管单位可通过与排水集团、属地政府等相关部门和单位建立联络机制，促进部门联动，充分发挥河长制、湖长制优势，加强入河水源水质管控，严格落实水源指标管理机制，确保入河水体达标。

5 建议

5.1 建设海绵城市

随着城市化进程的加快，城市建设速度迅猛，沥青、混凝土类硬质材料覆盖在城市地表上，使城市水循环系统遭到一定程度的破坏，渗透能力减弱，在暴雨季节容易出现城市内涝，造成面源污染。为了城市的可持续发展，要从根源上改善污水入河问题，建议加强城市湿地景观建设，打造“海绵城市”，将城市打造成具有自然渗透、自然存蓄、自然净化的新型城市，实现对水资源的合理利用，推动城市可持续发展[5]。

以通惠河为例，可利用沿河多个公园（如庆丰公园、西会公园等）打造湿地景观保护带，不仅能起到净水、蓄水、渗水、排水等功效，而且在生态环境和生物多样性保护上也有着巨大作用，实现城市生态环境的优化，减缓水资源紧张局面，促进人与自然的和谐、可持续发展。

5.2 河道底泥清淤

由于城市河道水体较浅、流速较慢，污染物更易沉积在河道底泥中，导致厌氧现象发生时间缩短，河道有效行洪库容大大降低，因此对底泥污染的处理是城市河道水环境综合整治中不可忽视的内容。建议加强通惠河河道淤积情况监测，形成常态化监测数据，根据河道现有水流特征，分区域、分时段进行监测，加强消力池下游、高碑店湖等淤积严重点位的监测频次，为河道清淤提供参考依据。利用水源监测、水体管理、水流调度等，多维度改善通惠河水体水质。

6 结语

综上，通惠河水环境问题在雨后尤为明显，如雨水径流汇集、部分区域水位较低、泡沫问题凸显、河道水源补给不足等问题，都直接影响河道水环境。通过调整闭闸蓄水顺序、中水加量稀释水体、壅高水位增蓄时间、脉冲调水和底流过水等水流调度方法，可减轻水体富营养化，有效改善水体质量；同时，通过运用物理、生物等方法，可抑制白色泡沫的产生，最终达到快速改善河道水环境的目的，为北京市民提供更好的亲水体验。