劉國慶，范子武，王 波，柳 楊，王 蔚

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

我國長江下游太湖地區(qū)屬于典型的平原城市河網(wǎng)區(qū)，區(qū)域地勢平坦，河網(wǎng)管網(wǎng)交織，河網(wǎng)水體流動無序，甚至出現(xiàn)緩流滯留現(xiàn)象。另外，隨著高城鎮(zhèn)化率和城鎮(zhèn)化建設(shè)的高速推進(jìn)，在弱水動力條件下，河網(wǎng)污染物遷移擴(kuò)散緩慢，導(dǎo)致河道水環(huán)境問題日益嚴(yán)重，城市河網(wǎng)水環(huán)境承載能力不足已成為制約社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。近年來，以蘇州古城區(qū)為代表的平原城市河網(wǎng)開展了系統(tǒng)的暢流活水綜合治理研究。統(tǒng)籌流域-區(qū)域-城市防洪排澇、水環(huán)境，兼顧航運(yùn)、景觀等，利用外圍優(yōu)質(zhì)水源，運(yùn)用已有水利工程，以水系連通、動力調(diào)控為核心，通過控源截污、河道整治、強(qiáng)化凈化、生態(tài)修復(fù)、精細(xì)管理等綜合措施，科學(xué)調(diào)控河網(wǎng)水系，實(shí)現(xiàn)有序流動，從而改善城市水生態(tài)環(huán)境問題。目前，生態(tài)補(bǔ)水作為河網(wǎng)水環(huán)境提升綜合措施的重要環(huán)節(jié)在我國多有實(shí)踐，但水動力調(diào)控提升河網(wǎng)水質(zhì)的機(jī)理尚不明確，從目前引水對河網(wǎng)水環(huán)境改善效果的分析來看，缺乏統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)體系，多數(shù)只列出了引水前后各水質(zhì)因子的水質(zhì)濃度和類別[1-2]，未能系統(tǒng)說明不同水質(zhì)指標(biāo)改善的敏感性或變化規(guī)律；梁媛等[3]采用模糊綜合評判法分析了太湖引水后黃浦江水質(zhì)類別的變化規(guī)律；陳建標(biāo)等[4]利用原型調(diào)水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了南通市河網(wǎng)水量水質(zhì)模型，模擬評估了引江調(diào)水對河網(wǎng)COD和NH3-N的改善效果；陳振濤等[5]構(gòu)建河網(wǎng)水質(zhì)模型，采用水質(zhì)改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)探究了不同引水水量和水源水質(zhì)對河網(wǎng)水質(zhì)改善的影響；崔廣柏等[6]在河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)與人工調(diào)度特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，在常熟市城區(qū)開展了引水試驗(yàn)，觀測結(jié)果支撐了河道水動力指標(biāo)流量與水質(zhì)指標(biāo)COD，NH3-N數(shù)值模擬；賈海峰等[7]圍繞吳淞江右岸的甪直鎮(zhèn)河網(wǎng)的22個(gè)斷面進(jìn)行了8次同步水文監(jiān)測，指出水動力條件與水質(zhì)狀況存在較大的相關(guān)性，給出了以溶氧質(zhì)量濃度上升為表征的水質(zhì)改善。

從目前研究來看，大量水動力-水質(zhì)同步原型觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要用于支撐模型參數(shù)的率定驗(yàn)證，或用于評價(jià)引水對水環(huán)境改善的最終效果[8-10]。生態(tài)補(bǔ)水對不同水質(zhì)指標(biāo)改善過程及其敏感性研究較少；另外，現(xiàn)有觀測指標(biāo)的全面性、時(shí)間連續(xù)性還存在不足，缺少大范圍長系列連續(xù)觀測資料，難以有效開展引水水動力對不同水質(zhì)指標(biāo)影響過程的系統(tǒng)分析。由于城市河網(wǎng)汊口節(jié)點(diǎn)多，內(nèi)外污染源復(fù)雜，工程調(diào)度人為干預(yù)強(qiáng)，若完全采用傳統(tǒng)水質(zhì)模型通過調(diào)參或利用物理模型試驗(yàn)來模擬水動力對水質(zhì)指標(biāo)變化過程影響，相似性和水質(zhì)邊界存在很多不確定性，還難以揭示引水過程中水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律，長系列多指標(biāo)的同步原型觀測是研究大范圍河網(wǎng)區(qū)生態(tài)補(bǔ)水優(yōu)化方案的重要手段。

本文以無錫運(yùn)東大包圍河網(wǎng)水系為例，開展了連續(xù)6 d的多指標(biāo)水動力-水質(zhì)同步原型觀測，觀測期包括了引水前的背景期、引水過程中的調(diào)度期、引水結(jié)束后的恢復(fù)期3個(gè)階段,全面掌握了河網(wǎng)不同控制斷面水動力、水質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律，分析了水動力過程對不同水質(zhì)指標(biāo)改善的敏感性和變化幅度。構(gòu)建了區(qū)域精細(xì)化河網(wǎng)水動力模型，開展了不同情景方案的模擬分析，并應(yīng)用于無錫運(yùn)東大包圍生態(tài)補(bǔ)水方案的研究。

1 研究區(qū)域概況

無錫運(yùn)東大包圍位于蘇南運(yùn)河以東的中心城區(qū)，范圍西至錫澄運(yùn)河，南沿蘇南杭運(yùn)河，東以白屈港控制線為界，北至錫北運(yùn)河，面積約136 km2。2003年無錫市開始實(shí)施城市防洪工程建設(shè)，2008年底建成，主要包括8大水利樞紐，32 km堤防以及11座小口門建筑物，可引太湖水或長江水進(jìn)入城區(qū)，改善城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境。大包圍水系以樞紐工程連接的河道為骨干河網(wǎng)，形成內(nèi)外兩級圩區(qū)的水系格局，水面率約為9.1%。該區(qū)域?qū)儆诟叱擎?zhèn)化平原河網(wǎng)區(qū)，具有水動力弱、人口密集、污染負(fù)荷重、調(diào)度復(fù)雜等特點(diǎn)。多年來區(qū)域水環(huán)境穩(wěn)定性差，伯瀆港、北興塘、九里河、古運(yùn)河等骨干河道水質(zhì)在Ⅴ類左右，桐橋港、旺莊港、塔影河等圩內(nèi)河道水質(zhì)為劣Ⅴ類，如何實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)科學(xué)調(diào)控成為該區(qū)域水環(huán)境治理的迫切需求。

2 研究方法與河網(wǎng)模型

2.1 水動力-水質(zhì)同步原型觀測

2.1.1原觀要素與檢測方法 河網(wǎng)水動力-水質(zhì)同步原型觀測是城市河網(wǎng)水動力與水質(zhì)指標(biāo)響應(yīng)關(guān)系研究的重要手段，觀測指標(biāo)選擇是系統(tǒng)掌握河網(wǎng)水動力特性、水質(zhì)變化規(guī)律的關(guān)鍵。參考地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3939—2002)，考慮到相關(guān)指標(biāo)選取的科學(xué)性、代表性，以及指標(biāo)獲取的可操作性，本試驗(yàn)監(jiān)測了主要水質(zhì)指標(biāo)和關(guān)鍵水動力要素。其中，水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法均依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為：溶氧(DO)(哈希溶氧儀HQ40D)，濁度(哈希2100q便攜式濁度儀)，化學(xué)需氧量(COD)(GB/T 11914—1989)，氨氮(NH3-N)(HJ 535—2009)，總磷(TP)、總氮(TN)(GB/T 11893—1989)；水動力觀測要素為：河道水位(H)，流速(V)，流量(Q)，河道水位利用大包圍已有水文站、閘泵站監(jiān)測數(shù)據(jù)，另外，加密布設(shè)了河網(wǎng)內(nèi)部水位監(jiān)測點(diǎn)，補(bǔ)充獲取實(shí)時(shí)水位信息，水準(zhǔn)測量符合GB 12898—1991；汊道流量、流速采用聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP)現(xiàn)場巡測，特別在河網(wǎng)水動力調(diào)試穩(wěn)定后，開展關(guān)鍵斷面全局測量，獲得內(nèi)部所有分汊河道的分流比。

2.1.2試驗(yàn)方案與監(jiān)測點(diǎn)位 在前期大量現(xiàn)場踏勘、數(shù)學(xué)模型試算以及水環(huán)境問題診斷的基礎(chǔ)上，通過水源水質(zhì)、水量、水勢分析與河網(wǎng)槽蓄量計(jì)算，綜合利用大包圍樞紐和二級圩工程，制定了現(xiàn)狀工程體系下的現(xiàn)場調(diào)水試驗(yàn)方案。方案運(yùn)行時(shí)段為2018年5月8—14日，其中，背景期為5月8日8:00至9日8:00，調(diào)度期為5月9日8:00至12日8:00，恢復(fù)期為5月12日8:00至14日8:00。調(diào)度期工程連續(xù)不間斷運(yùn)行，試驗(yàn)期間同步監(jiān)測水動力、水質(zhì)變化。運(yùn)東大包圍生態(tài)補(bǔ)水原型觀測方案見表1。

為系統(tǒng)掌握引水調(diào)度過程中，河網(wǎng)水動力、水質(zhì)變化規(guī)律，對河網(wǎng)邊界及內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行了科學(xué)布控，測站位置見圖1，包括20個(gè)水位(CS-1～CS-20),15個(gè)流量(CS-1，CS-5，CS-8～CS-20)以及15個(gè)水質(zhì)(CS-1，CS-5，CS-8～CS-20)觀測斷面。

表1 運(yùn)東大包圍生態(tài)補(bǔ)水原型觀測方案

圖1 監(jiān)測站位分布

2.2 河網(wǎng)模型構(gòu)建與率定驗(yàn)證

2.2.1水動力模型構(gòu)建 根據(jù)無錫運(yùn)東大包圍內(nèi)河流形態(tài)及其水流特性，建立了區(qū)域精細(xì)化河網(wǎng)模型，將河網(wǎng)概化成為若干河段，河段由汊點(diǎn)連接，運(yùn)用經(jīng)典水力學(xué)公式圣維南方程組和汊點(diǎn)連接方程，詳盡地描述了河道水體流向不定的特性。利用Preissmann四點(diǎn)隱式格式進(jìn)行差分，并采用雙追趕法求解模型[11]。

無錫運(yùn)東大包圍河網(wǎng)模型主要采用實(shí)測斷面進(jìn)行構(gòu)建，河網(wǎng)模型涉及河道209條，斷面1 534個(gè)，主干河道斷面間距100～200 m，支流間距50～100 m，模擬了河網(wǎng)內(nèi)部36個(gè)二級圩，涉及95個(gè)泵站、103個(gè)閘門，工程調(diào)度規(guī)則按照實(shí)際調(diào)度邏輯控制，模型構(gòu)建過程參考文獻(xiàn)[12]。

2.2.2模型參數(shù)設(shè)置與率定驗(yàn)證 無錫運(yùn)東大包圍一維模型根據(jù)斷面資料采用不等間距的節(jié)點(diǎn)布置，實(shí)測河道斷面間距為50～200 m，模型計(jì)算步長為50 m。為滿足模型計(jì)算穩(wěn)定性和精度的要求，通過模型計(jì)算調(diào)試，時(shí)間步長采用30 s。

河網(wǎng)糙率主要參考《水力計(jì)算手冊》、《無錫市城市防洪規(guī)劃》以及《無錫市梁溪區(qū)水系規(guī)劃(2017—2030)》等相關(guān)文獻(xiàn)中有關(guān)人工渠道和天然河道的經(jīng)驗(yàn)值，初步取值范圍為0.020～0.045。

利用2018年5月9—12日現(xiàn)場調(diào)水試驗(yàn)觀測的水位與流量成果，對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，采用納什有效系數(shù)Ens和可決系數(shù)R2對模型有效性進(jìn)行評定，Ens用于表示模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)近似程度，R2用來表示兩個(gè)系列數(shù)據(jù)形狀的吻合程度。

模型經(jīng)過率定，最終確定嚴(yán)埭港、北興塘、轉(zhuǎn)水河、古運(yùn)河、九里河、伯瀆港等骨干河道糙率為0.022～0.025；環(huán)城河、桐橋港、旺莊港、冷瀆港以及東亭港等河道糙率為0.025～0.030，其他二級圩內(nèi)河道糙率為0.030～0.045。各斷面水位最大誤差在3 cm以內(nèi)，流量模擬相對誤差在10%以內(nèi)，R2與Ens處于合理區(qū)間，模型滿足計(jì)算要求，相關(guān)結(jié)果見表2。

表2 模型率定驗(yàn)證結(jié)果

3 水質(zhì)改善效果敏感性與模擬分析

3.1 水動力要素變化過程分析

圖2 調(diào)水試驗(yàn)期間上下游水位變化過程

本次原型觀測過程可以劃分為背景期、調(diào)水期和恢復(fù)期3個(gè)階段，如圖2所示。背景期，無工程調(diào)度情況下，水動力過程符合平原河網(wǎng)區(qū)特點(diǎn)，上游-嚴(yán)埭港與下游-利民橋水位差較小，保持在0～5 cm的自然狀態(tài)；調(diào)度期，隨著樞紐工程調(diào)度運(yùn)行，大包圍內(nèi)嚴(yán)埭港樞紐圩內(nèi)水位逐漸上升后趨于穩(wěn)定，利民橋樞紐圩內(nèi)水位逐漸下降后趨于穩(wěn)定，非穩(wěn)定期持續(xù)時(shí)間約8～10 h，最終河網(wǎng)上下游形成15～20 cm水頭差，沿程水位控制在3.3～3.5 m，河網(wǎng)水動力明顯增強(qiáng)；恢復(fù)期，工程停止運(yùn)行后，河網(wǎng)上下游又恢復(fù)0～5 cm 水位差的弱動力狀態(tài)。

另外，調(diào)水試驗(yàn)過程中，嚴(yán)埭港入流、利民橋出流穩(wěn)定時(shí)流量為18.0～20.0 m3/s；內(nèi)部河網(wǎng)水位變幅10 cm 以內(nèi)，外部樞紐工程圩內(nèi)水位最大變幅不超過13 cm。嚴(yán)埭港瞬時(shí)入流19.5 m3/s，流速0.15～0.20 m/s，九里河分流約7.5 m3/s、埝埭港分流約3.0 m3/s，轉(zhuǎn)水河分流約9.0 m3/s；引水進(jìn)主城約12.0 m3/s，古運(yùn)河分流約8.5 m3/s，流速約0.08 m/s，跨塘橋流速約0.32 m/s；環(huán)城河分流約3.0 m3/s，流速約0.06 m/s，醬園浜流量較小；伯瀆港入流5.0 m3/s，流速約0.08 m/s；旺莊港入流約2.5 m3/s，流速約0.07 m/s。

從3個(gè)階段的水動力變化特征看，運(yùn)行調(diào)度滿足原觀試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的要求，并系統(tǒng)掌握了河網(wǎng)干支流水動力特性。

3.2 水質(zhì)改善效果敏感性分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，引水入城后，嚴(yán)埭港-北興塘-轉(zhuǎn)水河-環(huán)城河-古運(yùn)河主通道沿線各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)明顯改善，化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、溶解氧(DO)等水質(zhì)指標(biāo)改善效果提高了1個(gè)級別，達(dá)到了水質(zhì)V類及以上標(biāo)準(zhǔn)，其他支流水質(zhì)單指標(biāo)濃度下降趨勢明顯，但受限于嚴(yán)埭港北部補(bǔ)水水源水質(zhì)，氨氮(NH3-N)指標(biāo)維持在劣V類和V類范圍波動，總氮(TN)單指標(biāo)濃度雖有下降，但仍處于劣V類，試驗(yàn)期間各斷面水質(zhì)變化過程如圖3所示。

圖3 典型斷面不同水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間變化過程

引水過程中不同水質(zhì)指標(biāo)在稀釋、對流、擴(kuò)散物理與生化作用下，其水質(zhì)指標(biāo)改善敏感性存在一定的差異。結(jié)果表明，總氮(TN)敏感性最強(qiáng)，引水4 h后基本達(dá)到濃度穩(wěn)定下降狀態(tài)；氨氮(NH3-N)、總磷(TP)敏感性次之，引水8 h后進(jìn)入穩(wěn)定改善期；溶氧(DO)引水24 h后進(jìn)入穩(wěn)定改善期；化學(xué)需氧量(COD)敏感性相對較差，引水32 h后才能達(dá)到濃度穩(wěn)定下降狀態(tài)。上述水質(zhì)指標(biāo)濃度最大下降幅度不超過原背景水質(zhì)指標(biāo)的70%～80%，溶解氧(DO)濃度上升幅度較大，最大上升幅度超過了120%，最終改善幅度基本一致，某些斷面水質(zhì)在長期流動狀態(tài)下可以達(dá)到甚至超過源水水質(zhì)的現(xiàn)象，表明污染物遷移擴(kuò)散同時(shí)，動力作用有助于提升水體的自凈能力。各水質(zhì)指標(biāo)變化情況如圖4所示。

圖4 典型斷面不同水質(zhì)指標(biāo)改善幅度

3.3 生態(tài)補(bǔ)水方案模擬分析

上述同步原型觀測結(jié)果表明，沿線主引水通道基本可行，一是水源水質(zhì)相對穩(wěn)定，二是在嚴(yán)埭港北部高水位條件下開閘自引水量有保證，但是，當(dāng)嚴(yán)埭港外圍水位低于3.6 m時(shí)，開閘自引，調(diào)水期間會造成城區(qū)內(nèi)水位總體偏低，且水量難以滿足區(qū)域生態(tài)補(bǔ)水的要求。為此，針對運(yùn)東大包圍外圍水勢情況，選擇青陽、無錫(大)作為典型代表站，分析了近4年的水位資料，非汛期青陽、無錫(大)平均水位3.5 m左右，低于3.6 m的時(shí)段占到了60%，表明外圍低水位情況存在且比例高，方案的優(yōu)化需要綜合考慮外圍高、低水位的情景。

基于無錫運(yùn)東大包圍周邊水位年際變化規(guī)律與水源特征，利用構(gòu)建的精細(xì)化河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，開展了高水位單通道自引泵排、低水位單通道泵引泵排、雙通道自引泵排3種類型4組運(yùn)行方案數(shù)值模擬分析，表3給出了不同工況下生態(tài)補(bǔ)水方案。從引水流量(40～50 m3/s)、河網(wǎng)控制水位(3.70～3.40 m)、流速(0.05～0.10 m/s)以及水質(zhì)改善時(shí)間(24 h)等閾值要求，完成了方案綜合評估。比選了不同生態(tài)補(bǔ)水方案的水動力與水質(zhì)效果，優(yōu)化了無錫運(yùn)東大包圍生態(tài)補(bǔ)水可行性方案。

表3 不同工況下生態(tài)補(bǔ)水方案

利用大包圍精細(xì)化河網(wǎng)模型，模擬了4種工況生態(tài)補(bǔ)水方案，結(jié)果表明：按照方案1運(yùn)行，大包圍內(nèi)河網(wǎng)水位可以有效控制在3.63～3.41 m，引流量為43.6 m3/s、水質(zhì)改善時(shí)間約20 h，滿足主干河網(wǎng)沿線區(qū)域生態(tài)補(bǔ)水的閾值要求，因此，區(qū)域處于高水位時(shí)運(yùn)行方案1是可行的。方案2～4屬于區(qū)域低水位運(yùn)行推薦方案，從模擬結(jié)果分析來看，方案2內(nèi)部河網(wǎng)水位雖然滿足需求，但引水流量偏低，水質(zhì)改善所需時(shí)間略長，且嚴(yán)埭港泵站引水需進(jìn)行樞紐改造，因此不推薦；方案3在引水流量、水質(zhì)改善時(shí)間等方面與方案2相似，且內(nèi)部控制水位偏低，因此不推薦；運(yùn)行方案4可以滿足引水流量、河網(wǎng)控制水位、水質(zhì)改善時(shí)間對閾值的要求，因此，區(qū)域處于低水位時(shí)運(yùn)行方案4是可行的。不同生態(tài)補(bǔ)水方案模擬成果如圖5所示。

圖5 不同生態(tài)補(bǔ)水方案模擬成果

4 結(jié) 語

(1) 在控源截污、河道整治的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用運(yùn)東大包圍樞紐與二級圩控制工程，可以有效調(diào)控運(yùn)東大包圍內(nèi)骨干河網(wǎng)以及二級圩的引水流量、干支流水量分配，重構(gòu)南北水位差，形成河網(wǎng)有序流動格局。引水入城后，河網(wǎng)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)明顯改善，在主引水通道沿程水質(zhì)改善方面，不同監(jiān)測斷面水質(zhì)改善與水源水質(zhì)存在明顯的關(guān)聯(lián)性，水質(zhì)改善效果在調(diào)水初期與水源距離存在空間滯后性，最終改善效果基本一致，水質(zhì)指標(biāo)最大下降幅度不超過原背景水質(zhì)指標(biāo)的70%～80%，溶解氧(DO)數(shù)值上升幅度較大，最大上升幅度超過了120%。個(gè)別斷面水質(zhì)在長期流動狀態(tài)下可以達(dá)到甚至超過源水水質(zhì)的現(xiàn)象，表明污染物遷移擴(kuò)散同時(shí)，水動力作用有助于提升水體的自凈能力。

(2) 引水過程中不同水質(zhì)指標(biāo)在稀釋、對流、擴(kuò)散物理與生化作用下，其水質(zhì)指標(biāo)改善敏感性存在一定的差異。從本次試驗(yàn)結(jié)果表明，總氮(TN)敏感性最強(qiáng)，引水4 h后基本達(dá)到穩(wěn)定下降狀態(tài)；氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、溶解氧(DO)敏感性次之，引水24 h后基本達(dá)到穩(wěn)定下降狀態(tài)；化學(xué)需氧量(COD)敏感性相對較差，引水32 h后基本達(dá)到穩(wěn)定下降狀態(tài)。

(3) 基于無錫運(yùn)東大包圍外部水位年際變化規(guī)律與水源水質(zhì)特征，利用構(gòu)建的精細(xì)化河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，可以從工程調(diào)度方式、引水流量、河網(wǎng)控制水位、流速以及水質(zhì)改善時(shí)間等要素方面完成了生態(tài)補(bǔ)水方案的綜合評估。平原河網(wǎng)區(qū)水源、水質(zhì)復(fù)雜多變，河網(wǎng)模型是全局把控河網(wǎng)水動力、水質(zhì)變化特性的重要工具。