长江中下游平原河网地区畅流活水方案研究

曹伟岳 王正飞 朱海清

（1. 常熟市水利技术推广站，江苏 常熟 215500；2. 常熟市水利工程建设管理通中心，江苏 常熟 215500）

随着长江中下游平原地区城镇化进程的加快，人口的增长，其面临的水环境问题也日益突出，主要表现在以下方面：污染物的不断排放，加重了水体自净负荷；城市建设挤占河湖空间，破坏了水系结构和连通性[1]；圩区建设阻断了内外水体交换，水系畅通性变差。针对上述问题，南京水科院张建云院士团队率先系统性地提出了平原城市河网水环境综合治理思路，包含河流的控源截污、河道的治理、水系的连通、动力的调控、净化的强化和生态的修复6个方面[2]，并认为活水是水环境治理的灵魂，要实现水流不腐。为此，许多专家学者[3-6]开展了活水方面的研究，取得了一定的成果。苏州、南通、常州等平原河网城市[7-9]在该治水思路指导下通过引水调水，同时结合控源截污、生态修复、长效管护等工程及非工程措施，实现了城区水环境的提升。

随着对水环境问题认识的不断深入，新时期下水环境治理已由以往单一的水环境污染治理向“三水统筹”（即水环境、水资源和水生态）的水生态环境保护思路转变[10]。在此新治水要求下，本文以常熟市城区为研究对象，综合考虑常熟市水系和水利工程分布的特点，借助河网水动力数学模型开展畅流活水方案决策研究，因地制宜地提出畅流活水工程建设及调度方案，为改善常熟市城区水环境提供保障，并为其他长江中下游平原河网地区实现“三水统筹”提供新思路。

1 研究区域概况

常熟市位于江苏省东南部、太湖下游，境内河网交织，各河流湖泊均属于太湖水系，属于典型的平原河网地区。城区河道主要由3条环绕城区的环河、13条从城区向四周放射的骨干河道以及其余河道组成，属于环射形水系格局，河道水域南密北疏，河道比降小，水流平缓，迂回荡漾，受潮汐引排和片区分布影响，河道无固定流向[11]，增加了水系治理的难度。研究区域水系及水利工程分布见图1。在开展畅流活水工程前，常熟市已做了大量的水环境治理工作，但多数河道仍然存在水少、水缓、水脏的问题。“水少”即长江清水引入城区后，大部分水量从主干河道流走，城区内部中小型河道分得的水量较少；“水缓”即城区内地势高差较小，内部河道流动性较差，且部分河道由明河变暗河，或是直接被截断为断头浜；“水脏”即部分人口密集地区，污水入河量较大，进而影响整个城区水质。

图1 研究区域水系及水利工程分布

2 城区河网数学模型构建

通过构建常熟市城区精细化河网水动力学模型，对活水后河道的流量、流速、水位等水力要素进行模拟，并以此来制定和优化畅流活水方案。

城区河道采用一维模型，并应用Saint Vennant方程组进行求解：

连续方程：

动量方程：

式中：Q为断面流量，m3/s；A为断面面积，m2；q为旁侧入流流量，m2/s；x为距离，m；t为时间，s；h为水深，m；g为重力加速度，m/s2；Vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量，m/s；v¯为断面平均流速，m/s；R为水力半径，m；C为谢才系数，m1/2/s；K为流量模数；a为动量修正系数；v为流速，m/s。

3 城区畅流活水方案研究

城区畅流活水主要是在已有河道基础上，通过重新规划城区河道布局和功能，合理布置配水工程及调控工程，并借助科学的引排调度以达到水体流动及水质改善的目标[12]。

3.1 引排水格局分析

海洋泾东接长江，入江口建设有海洋泾枢纽，因受潮汐影响，海洋泾最大泵引流量为30m3/s，高潮位时自引，流量不稳定，最大瞬时流量可达200m3/s。近些年海洋泾实测水质监测资料显示，监测断面水质状况整体较好，各项水质要素浓度平均值基本符合Ⅲ类地表水环境质量标准，最值与均值差异度较小，表明海洋泾引水水质较好且稳定。因此，可将海洋泾作为城区主要的引水水源。，此外，另一条引清通道是从望虞河引水，经由山前塘至城区，引水流量约13m3/s。根据望虞河常熟段水质评价结果显示，望虞河水质可达Ⅲ类水标准，水质总体为优，因其引水流量小，故作为城区次要引水水源。因此，本次城区畅流活水方案明确从两条途径向城区引入优质水源，以北边的海洋泾为主，西边的望虞河山前塘为辅引入水源，见图2。

3.2 方案制定

3.2.1 设计思路

方案拟通过“包围控制、灵活调度”的方式实现常熟城区换水自如，满足改善水质的要求。针对城区内引入的清水从主干河道直接流走，难以进入中小河道这一核心问题，在研究范围边界上所有较大口门处新建控制工程，形成大包围，通过控制工程的启闭，实现对城区河道排水能力和方向的控制，从而增强对城区河网的总体调控能力。同时，针对常熟城区地形平坦、河道流动缺乏自然动力的特点，在常浒河、清墎塘、护城河和横径塘5处设置溢流堰，精细调控水位，进一步增强河网的可控性。

3.2.2 活水区域划分

方案以护城河、环城河、东环河为界，将全城分为三环。第一环以护城河为界，是全城核心区——古城区；第二环以护城河和环城河为界；第三环以环城河与东环河为界。以三环为基础将全城划分为4个区域，分别为中心区、东区、西南区和西北区，区域划分见图2。

3.2.3 主要活水工程布局

根据研究方案的设计思路，在研究范围边界的山前塘、太平港、元和塘、横泾塘西、横泾塘东、肖泾港、白茆塘、青墩塘、常浒河、陈泾共10个口门处新建7座枢纽和3处单闸，各枢纽分布位置及设计尺寸见图1。

规划新建常浒河、青墩塘两处控制工程，其作用是将三环隔开。新建护城河、环城河、横泾塘三处控制工程，其作用是将每一环分出高低水片，通过控制工程和闸站精细调控水位，逐级递减。城区范围内已建小规模闸站，根据运行调度需要，通过调控闸门的开度，控制各河道的水量、流速。

3.2.4 畅流活水方案拟定

根据方案设计思路，凭借10个口门处的控制工程所形成的大包围圈，可实现全城活水、分区活水和局部强化活水三大类型畅流活水方案。

a. 全城活水方案。清水经海洋泾和山前塘引入，当外河水位低于3.40m时，大包围圈控制工程元和塘闸、横泾塘西闸和肖泾港枢纽关泵开闸自流，元和塘、横泾塘和肖泾港作为主要退水河道，其他控制工程均关闭，通过内部河网及控制工程调控城区内各河道水位及流量。当外河水位高于3.40m时，3个枢纽关闸开泵，泵排至泵前水位3.30m。结合城区外河常水位情况，将该方案按不同外河常水位细分出4个不同工况（3.20m水位自排、3.30m水位自排、3.40m水位自排及泵排）进行模拟。

b. 分区活水方案。为进一步提升活水效果，对城区3个区域（即中心区、东区和西南区）单独进行活水方案设计。中心区活水方案：该方案在外河水位3.30m情况下进行模拟计算。清水经海洋泾和山前塘引入，大包围控制工程元和塘闸、常浒河枢纽关泵开闸自流，元和塘和常浒河作为主要退水河道，山前塘枢纽开泵引水，其他大包围控制工程均关闭，通过内部河网及控制工程调控城区内各河道水位及流量。东区活水方案：该方案在外河水位3.30m情况下进行模拟计算。清水主要经海洋泾引入，大包围控制工程横泾塘西闸、肖泾港枢纽关泵开闸自流，横泾塘和肖泾港作为主要退水河道，山前塘枢纽开泵引水，作为次要引水途径，其他大包围控制工程均关闭，通过内部河网及控制工程调控城区内各河道水位及流量。西南区活水方案：该方案在外河水位3.30m情况下进行模拟计算。清水经山前塘枢纽开泵引入，大包围控制工程元和塘闸关泵开闸自流，元和塘作为主要退水河道，全城闸门和泵站均无控制。

c. 局部强化活水方案。根据现有河网、控制建筑物布设情况，目前划分的片区中兴隆片区、青墩片区、湖圩片区有能力实现封闭，可以将清水引入用于强化局部活水效果。具体3个片区活水方案如下：兴隆片区：引水通道为海洋泾，排水通道为常浒河，常浒河枢纽关闸开泵排水，引排水规模为15m3/s，具体工况为关闭信一广场北闸、陈泾北闸、耿泾塘南闸、花板塘闸、唐家坝闸，新省中闸站、陆石泾闸站，五星片区闸站开启情况和东区活水一致，关闭2号、3号和4号溢流堰。青墩片区：水源为海洋泾，引水通道为常浒河，排水通道为青墩塘，青墩塘枢纽关闸开泵排水，引排水规模为20m3/s。具体措施与兴隆片区相似，将常浒河北侧闸门关闭，青墩塘南侧闸门关闭，并关闭2号、3号和4号溢流堰。湖圩片区：水源为海洋泾，排水通道为白茆塘，白茆塘枢纽关闸开泵排水，引排水规模为30m3/s。具体措施与兴隆片区相似，将青墩塘北侧闸门关闭，白茆塘南侧闸门关闭，并关闭2号溢流堰，打开3号溢流堰，控制4号溢流堰开度。

3.2.5 西北区水质改善方案

西北区内有4条断头浜，引清活水效果有限，因此作为单独区域进行考虑，且断头浜污染较重，污水通过南福山塘进入古城，影响古城区水质。因此，考虑沿用现有泵以抽回流方式进行换水，并对断头浜内的污染源实施截污工程。平时可使用微氧增氧推流机来改善河道水质，当水体污染较重时，可使用移动式超磁水体净化站对水体进行处理。

3.3 方案效果分析

河道的水位、流速、流量作为反映水体流动性的重要参数，是此次方案模拟效果分析的重要指标。通过水位差、流速以及流量分配变化情况，可以判断方案活水效果。

a. 全城活水方案。按照方案目标，认为流速大于10cm/s的河段为流速优秀河段，流速为5～10cm/s的河段为流速较好河段，流速小于5cm/s的河段为流速较差河段。考虑到流速大小与河道断面有关，在河道较宽处流速放缓，因此，统计流速优秀和较好的河道长度约占总河道长度的90%，全城活水方案各工况的模拟效果较好，能够实现城区活水目标。各工况下水位及流速分布见图3～图6。

图4 全城活水方案（3.30m水位自排）水位及流速示意图

图5 全城活水方案（3.40m水位自排）水位及流速示意图

图6 全城活水方案（泵排）水位及流速示意图

b. 分区活水方案。经统计，中心区及西南区内流速优秀和较好的河长均占整个河长的90%以上。相较于全城活水方案，中心区内的五星片区流经流量从7.0m3/s提升至13.5m3/s，河流流速提升近一倍。东区内流速优秀和较好的河长占整个河长的80%。相较于全城活水方案，东区活水方案流经各片区的流量大幅度提升。兴隆片区流经流量从9.0m3/s提升至15.0m3/s，青墩片区从20.0m3/s提升至24.0m3/s，湖圩片区从20.0m3/s提升至24.0m3/s，花溪片区从17.5m3/s提升至20.6m3/s，渠中片区从12.5m3/s提升至13.6m3/s。各分区活水后水位及流速见图7～图9。

图7 分区活水方案（中心区自排）水位及流速示意图

图8 分区活水方案（东区自排）水位及流速示意图

图9 分区活水方案（西南区自排）水位及流速示意图

c. 局部强化活水方案。兴隆片区、青墩片区和湖圩片区根据规划可分别实现15m3/s、20m3/s、30m3/s的引排流量。通过局部的引排，能在短期内将多年积累的污水和底泥实现置换清理。

4 结语

本文以常熟市为例，在“三水统筹”的水环境治理要求下，因地制宜地提出畅流活水方案设计思路，结合城区现状河网格局，科学划分活水区域，合理布设控制工程，实现全城、分区及局部强化的三大类活水方案，并单独对以断头浜为主的区域，采用抽回流的循环活水方式进行了治理。常熟市城区是典型的长江中下游平原河网地区，其周期性开闭闸门、自流引清、有序冲排的畅流活水方案，为解决“三水统筹”提供了新思路。