謝 忱，柳 楊，丁 瑞，劉珈熒，范子武

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

吳江松陵城區(qū)河網(wǎng)交織、水系復(fù)雜，是典型的平原河網(wǎng)區(qū)。近年來，隨著城市化的快速發(fā)展，城市水網(wǎng)密度下降、城區(qū)河道水體富營(yíng)養(yǎng)化、河道生態(tài)系統(tǒng)退化等問題突出。為了改善水環(huán)境質(zhì)量，吳江區(qū)2013年開始實(shí)施了為期3年的綜合整治和水系連通試點(diǎn)項(xiàng)目，2014年3月，實(shí)施了牛腰涇清水工程，通過內(nèi)蘇州河和牛腰涇河向松陵城區(qū)內(nèi)引水，2015年以“清淤、活水、保潔、生態(tài)”為主題，開展了暢流活水工程，以暢流為重點(diǎn)，通過水系溝通、河道疏浚、岸坡整治、拆壩建橋等多種措施治理水環(huán)境。經(jīng)過多年的治理，吳江區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境有所改善，但在自流活水工程實(shí)施前，部分河道水質(zhì)仍不佳，甚至黑臭，城區(qū)水環(huán)境問題仍十分嚴(yán)峻。

目前，國(guó)內(nèi)外主要通過物理、化學(xué)和生物等方法，控制水體外源性和內(nèi)源性污染物的排入量，人工強(qiáng)化水體自身的凈化能力，以降低水體中污染物的濃度，提高水體溶解氧濃度，提升河道水質(zhì)[1-5]，具體措施包括控源截污、底泥疏浚、引清調(diào)度、生態(tài)修復(fù)等，此外，還包括水系改造和水系連通性治理等工程措施[6-7]。對(duì)于吳江松陵城區(qū)而言，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)縱橫、水系密布，具有一定的水資源調(diào)蓄能力，且緊靠東太湖和京杭大運(yùn)河，水質(zhì)優(yōu)良，水量充沛，為此，本文綜合考慮吳江區(qū)水系及周邊水系和水利工程分布等區(qū)域特點(diǎn)，提出以“自流活水”為核心的水環(huán)境綜合治理方案，通過綜合治理，人工重構(gòu)水位差，全面激活城區(qū)水系，提高水體流動(dòng)性，同時(shí)配合區(qū)域低洼地改造、河道整治、信息化建設(shè)等綜合措施，提升河網(wǎng)水體品質(zhì)[8-9]，促進(jìn)吳江松陵城區(qū)及蘇州市生態(tài)文明建設(shè)。本文的研究成果可為其他平原城市的水環(huán)境提升提供技術(shù)借鑒和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)域概況

吳江松陵城區(qū)西至內(nèi)蘇州河，南至安惠港，東至京杭運(yùn)河，北至柳胥港，位于吳江區(qū)最北部，總面積19.7 km2，處于長(zhǎng)三角城市圈核心地帶，東望上海市，北近蘇錫常，南眺浙江省。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)縱橫，京杭大運(yùn)河穿境而過，京杭運(yùn)河以西沿太湖一線，屬濱湖圩田平原型地貌，以東湖蕩密布，屬湖蕩平原類型。吳江松陵城區(qū)主要河道有32條，水面率偏低，水閘11座、泵站7座、閘泵10座。區(qū)域內(nèi)京杭大運(yùn)河常水位3.0～3.2 m(吳淞高程，下同)，東太湖水位3.2～3.4 m，城內(nèi)水位控制3.0 m左右，不超過3.15 m，油車河、木中小區(qū)低洼易澇區(qū)圩內(nèi)水位不超過2.6 m，其他低洼易澇區(qū)圩內(nèi)水位不超過3.15 m。

為改善水環(huán)境，松陵城區(qū)實(shí)施了一系列的工程措施，但依然存在以下幾方面問題：城區(qū)水系復(fù)雜，水頭差小，僅靠自然水勢(shì)，水流引入后迅速?gòu)闹鞲珊拥懒髯?，難以分配進(jìn)入內(nèi)部中小河道；城區(qū)河道較彎曲束窄，連通性差，水流阻力大，主要靠閘泵抽排；存在多處低洼易澇小區(qū)，水位調(diào)控困難；河網(wǎng)內(nèi)部缺乏控導(dǎo)工程，無法人為自由調(diào)控水流流量、流態(tài)；部分閘泵設(shè)施亟需翻新改造；部分河道兩岸截污不徹底；區(qū)內(nèi)閘泵眾多，水網(wǎng)復(fù)雜，僅靠人工調(diào)度難以實(shí)現(xiàn)水資源高效利用等。

2 自流活水方案研究

2.1 引水水源比選

吳江松陵城區(qū)東臨太湖、西接京杭大運(yùn)河，通過對(duì)比太湖和京杭大運(yùn)河水體水質(zhì)、水量、工程設(shè)施等確定引水水源。

選擇松陵大橋(太湖)和云里橋(大運(yùn)河)兩個(gè)典型斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖1所示。圖1可以看出，太湖的水質(zhì)明顯優(yōu)于大運(yùn)河。太湖流域面積約36 000 km2，湖面面積約2 338 km2，正常庫容容量約為45億m3，從水量來看，太湖有著巨大的稀釋和自凈能力，并且，太湖常水位3.2～3.4 m，京杭大運(yùn)河水位為3.0～3.2 m，太湖水位常年高于京杭大運(yùn)河水位，另外，京杭大運(yùn)河寬90～100 m，有通航要求，引水構(gòu)筑物建設(shè)可能對(duì)通航不利。綜合分析太湖和京杭大運(yùn)河的水體水質(zhì)、水量和工程設(shè)施等因素，吳江松陵城區(qū)的引水水源確定為太湖。

圖1 太湖瓜涇口和大運(yùn)河云里橋水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度對(duì)比

2.2 引排路徑分析

吳江松陵城區(qū)靠近太湖側(cè)已建成牛腰涇河提升泵站，其中牛腰涇泵站共4臺(tái)機(jī)組，內(nèi)蘇州河泵站共6臺(tái)機(jī)組，牛腰涇河和內(nèi)蘇州河引水流量分別為15 m3/s和10 m3/s，且都配有12 m寬閘門，因此，可選擇內(nèi)蘇州河和牛腰涇河作為城區(qū)的兩條清水通道。太湖優(yōu)質(zhì)水源經(jīng)三船路河閘引入后，自南向北進(jìn)入內(nèi)蘇州河，隨后分配進(jìn)入其他中小河道，或經(jīng)牛腰涇閘和牛腰涇提升泵站引水進(jìn)入牛腰涇河和內(nèi)蘇州河，其中，牛腰涇河清水主要供給松陵城區(qū)北部和東部，如西塘河、七里港、中山河等，內(nèi)蘇州河清水供給西部河流，如翁家塘港、小廟港、知青河等。

2.3 生態(tài)補(bǔ)水頻次分析

依據(jù)河道實(shí)測(cè)斷面，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算河道槽蓄量，獲得松陵城區(qū)河網(wǎng)總水量，結(jié)合松陵城區(qū)引水工程總能力，并參考周邊城市生態(tài)補(bǔ)水頻次，制定松陵城區(qū)合理生態(tài)補(bǔ)水頻次，確保水資源高效利用。

在常水位3.0 m時(shí)，河網(wǎng)總槽蓄量約197萬m3，水位每增加10 cm，槽蓄量增加約9萬m3，如表1所示。依據(jù)現(xiàn)有引水工程，牛腰涇提升泵站最大能力25 m3/s，24 h引水量約為216萬m3，即1 d能蓄滿河槽。參考周邊城市生態(tài)補(bǔ)水頻次，約2～3 d水體能夠全部置換一次。

表1 河槽水位水量關(guān)系

2.4 自流活水方案制定

(1)水位重構(gòu)與控導(dǎo)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)尋優(yōu)

松陵城區(qū)河道是獨(dú)特的“X”型河道，吳家港河與新橋河交叉處是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將太湖好水按需分配到每一條河流，并維持河道有序流動(dòng)是活水難點(diǎn)，而在原工程條件下，城區(qū)內(nèi)部能夠用于調(diào)控水位的工程僅有梅石閘和西門閘，且東北部缺乏調(diào)控工程，無法實(shí)現(xiàn)人為分配水量。因此，通過新建3處控導(dǎo)工程，即西塘河溢流堰、水廠河閘、知青閘，增強(qiáng)內(nèi)部調(diào)控能力，形成高水片和低水片，其中，高水片為溢流堰、西門閘、知青閘以西、溢流堰以北的區(qū)域，城區(qū)其他區(qū)域?yàn)榈退瑓^(qū)。

(2)自流活水實(shí)現(xiàn)

自流活水方案的原則是充分利用現(xiàn)有閘門，通過科學(xué)調(diào)度和聯(lián)合調(diào)控盡可能自流。在原工程條件下，由于存在幾處低洼地尚未改造，水位難以抬升，但在低洼區(qū)整治后，可調(diào)控梅石閘、西門閘、水廠河閘、知青閘、溢流堰，配合大運(yùn)河、安惠港沿線閘門，內(nèi)蘇州河、牛腰涇河有條件抬高至3.5m高水位，低水平區(qū)則通過調(diào)節(jié)運(yùn)河沿線和安惠港沿線閘門，控制水位約2.9 m，在高低水片形成后，經(jīng)過區(qū)域內(nèi)閘門精細(xì)調(diào)控，精確控制每條河道的分流比，讓每一條河道都按照理想狀態(tài)流動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)全局調(diào)控。

3 水環(huán)境綜合治理方案

如前文所述，吳江松陵城區(qū)存在多處低洼易澇區(qū)域，水系復(fù)雜、工程眾多水位調(diào)控困難、區(qū)內(nèi)閘泵眾多，因此，在自流活水方案實(shí)施的同時(shí)，需結(jié)合河道整治、低洼地改造、智慧管理等工程與非工程措施，既要確保河道滿足城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，保障居民安全，也要能夠提高水體流動(dòng)性，促進(jìn)河道水質(zhì)穩(wěn)定提升。

綜合吳江松陵城區(qū)水系、工程、地勢(shì)等特點(diǎn)，為全面改善吳江松陵城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境，本方案在城區(qū)內(nèi)建設(shè)或改造的工程共包括5類，分別為控導(dǎo)工程、低洼地改造工程、河道整治工程、閘泵站改造工程以及信息化建設(shè)工程。

(1)控導(dǎo)工程。為前文所述活動(dòng)溢流堰(西塘河溢流堰)、水閘(水廠河閘、知青河?xùn)|閘)3座控導(dǎo)工程，用于增強(qiáng)內(nèi)部河網(wǎng)的調(diào)控能力，能夠人為自由控制水位、流向、流量，也是自流活水的核心工程。

(2)低洼地改造工程。低洼易澇區(qū)的整治是達(dá)到最佳自流活水效果的必要前提。目前，吳江松嶺城區(qū)存在多處低洼地，雨水管道管底高程低，暴雨時(shí)排水不暢，甚至?xí)l(fā)生雨水倒灌。另外，由于低洼地均是建成區(qū)，自流活水要抬高部分河道水位，低洼易澇區(qū)控制水位較低(2.6～3.1 m)，抬高地塊豎向不具備條件，不能滿足自流活水的整體要求。為保障居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，維持日常生活秩序，低洼易澇區(qū)的整治至關(guān)重要。為此，本文針對(duì)城區(qū)內(nèi)木中小區(qū)、油車小區(qū)的低洼地區(qū)，提出采用“小包圍”治理工程，其中，木中小區(qū)排水進(jìn)入九龍河，利用閘站控制九龍河水位，可解決小區(qū)排水不暢問題；油車小區(qū)向油車河排水，利用油車河上現(xiàn)有閘站可降低油車河水位，防止油車小區(qū)北部的內(nèi)澇積水，而油車小區(qū)南部低洼地采用調(diào)整后的“小包圍”治理措施，重新布置油車小區(qū)南的雨水管網(wǎng)，沿西塘河雨水出口封堵，使水流全部進(jìn)入油車河，調(diào)整排水分區(qū)后采用“小包圍”工程治理。另外，對(duì)于振泰小區(qū)、西塘小區(qū)兩個(gè)低洼小區(qū)，依據(jù)海綿城市建設(shè)指南，在小區(qū)附近選擇合適的地點(diǎn)建設(shè)獨(dú)立的雨水花園，將雨水存于雨水花園，既可以抬高河道水位，滿足自流活水的要求，也不致小區(qū)內(nèi)澇。

(3)河道整治工程。包括九龍河中段暗渠改箱涵及明渠、西段污水拆除和岸坡整治，油車河實(shí)施污水管改造，文化宮小內(nèi)河和江新河斷頭浜整治，小廟港、翁家塘港兩條河道疏浚，梅石河束水?dāng)嗝嫱貙?，高新河北段與新開河交接處打通等，這些河道整治工程均有利于城區(qū)活水方案的實(shí)施。

(4)閘站改造工程。為增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的閘泵站調(diào)控能力，實(shí)施油車河閘、江新河上江新閘和江新泵站改造工程。

(5)信息化建設(shè)工程。建設(shè)城區(qū)防洪與活水聯(lián)控聯(lián)調(diào)信息化系統(tǒng)平臺(tái)，用于保障河網(wǎng)防洪和活水的精準(zhǔn)程度與自動(dòng)化程度，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控河道水位，依據(jù)不同水位、工況執(zhí)行不同的調(diào)度方案，為城區(qū)水環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控提供技術(shù)支撐。

4 方案實(shí)施效果分析

4.1 數(shù)值模擬

(1)工況設(shè)計(jì)

針對(duì)前文所述的控導(dǎo)工程、低洼地改造工程、河道整治工程及閘站改造工程建設(shè)完成后的情景進(jìn)行模擬和計(jì)算。根據(jù)太湖、內(nèi)河及大運(yùn)河可能發(fā)生的水位情況進(jìn)行組合，共設(shè)計(jì)3種活水工況，即自引自排(工況1)、自引泵排(工況2)和泵引自排(工況3)，其水位關(guān)系如圖2所示。當(dāng)太湖水位高于內(nèi)河水位還高于大運(yùn)河水位時(shí)，城區(qū)內(nèi)部河道閘門開啟、大部分泵站關(guān)閉，經(jīng)過控導(dǎo)工程及閘門工程調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)太湖優(yōu)質(zhì)水源自流進(jìn)入城區(qū)內(nèi)河再排入大運(yùn)河，即工況1自引自排工況；當(dāng)太湖水位高于內(nèi)河水位并低于大運(yùn)河水位時(shí)，需要開啟沿運(yùn)河側(cè)大江河閘、北城河閘、東城河以及三江橋閘四座泵站排水入大運(yùn)河，即工況2自引泵排工況；當(dāng)太湖水位低于內(nèi)河水位但高于大運(yùn)河水位時(shí)，則需開啟牛腰涇提升泵站分別引水入牛腰涇及內(nèi)蘇州河，促進(jìn)城區(qū)活水自流，即工況3泵引自排工況。

圖2 3種活水工況對(duì)應(yīng)水位示意圖(單位：m)

(2)模擬結(jié)果分析

利用構(gòu)建的吳江市松陵城區(qū)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算3種工況條件下各河道的流量、流速，部分河道流量如表2所示。可以看出，經(jīng)過精細(xì)調(diào)控，太湖優(yōu)質(zhì)水源不再?gòu)膬H從骨干河道流走，而是進(jìn)入城區(qū)內(nèi)部中小河道，流量分配更加合理，大部分河道流速達(dá)到0.1 m/s以上。

表2 不同工況下城區(qū)河道流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：m3/s

4.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

2019年底西塘河溢流堰等控導(dǎo)工程、低洼地改造工程、閘站改造工程、信息化工程建設(shè)完成，城區(qū)水環(huán)境綜合治理方案開始常態(tài)化運(yùn)行，通過控導(dǎo)工程、信息化工程精確調(diào)控河道分流比，內(nèi)部中小河道均流動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)全局調(diào)控和活水自流，吳江松陵城區(qū)水環(huán)境綜合治理部分工程，如圖3所示。

圖3 吳江松陵城區(qū)水環(huán)境治理工程

在城區(qū)水環(huán)境綜合治理工程建設(shè)完成并投入運(yùn)行后，根據(jù)信息化系統(tǒng)導(dǎo)出的瓜涇港、吳家港及行船路3個(gè)典型斷面自2020年1—8月水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果顯示(圖4)，NH3-N及CODMn質(zhì)量濃度均穩(wěn)定在Ⅲ類及以下水平，與以往相比，城區(qū)內(nèi)水環(huán)境改善明顯。

圖4 吳江松陵城區(qū)典型斷面水質(zhì)變化

5 結(jié) 語

吳江松陵城區(qū)為典型平原河網(wǎng)城市，水系呈獨(dú)特的“X”型河道，地理位置西臨太湖、東接運(yùn)河，具有一定的代表性和獨(dú)特性。利用優(yōu)質(zhì)豐富的太湖水作為引水水源，綜合現(xiàn)有堤壩、閘、泵等水利工程科學(xué)調(diào)度，結(jié)合清淤拓浚、水系溝通、低洼地整治、控導(dǎo)工程、智慧管理等工程與非工程措施，形成了城區(qū)自流活水的河網(wǎng)格局，大部分河道平均流速達(dá)到0.1 m/s，同時(shí)最大程度減少泵站使用，避免了泵站抽排帶來的底泥翻起、水體感官變差、河道生態(tài)群落被干擾等問題。松陵城區(qū)水環(huán)境綜合治理工程順利實(shí)施后，提高了城區(qū)河網(wǎng)水體流動(dòng)性，改善了水環(huán)境，促進(jìn)了水資源可持續(xù)高效利用與水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)改善。本文提出以“自流活水”為核心的吳江松陵城區(qū)水環(huán)境綜合治理方案可在長(zhǎng)三角地區(qū)乃至全國(guó)的平原河網(wǎng)地區(qū)城市進(jìn)行推廣應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)平原河網(wǎng)水環(huán)境改善具有一定參考價(jià)值。