李 衛(wèi) 東，閔 勇，施 順 成，唐 仁，鐘 栗，尹 洋 洋

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128； 2.蘇州規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇 蘇州 215128； 3.博雅達(dá)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引 言

太湖流域地處長江下游，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、城市集中，流域內(nèi)湖蕩密布、河港縱橫，地勢低洼、平坦，河道比降小，水流往復(fù)不定[1]。流域獨(dú)特的平原河網(wǎng)為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了良好的水利條件，同時(shí)也決定了流域防洪、水資源、水環(huán)境等問題的復(fù)雜性、艱巨性。21世紀(jì)初，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，受污染物過度排放、城市建設(shè)開發(fā)侵占水域以及人類活動(dòng)等影響，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。經(jīng)過近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和嚴(yán)格污染管控治理，流域內(nèi)節(jié)水減排工作成效明顯，河湖水質(zhì)狀況有明顯好轉(zhuǎn)趨勢，重點(diǎn)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率從2005年僅有的19.2%提升至2020年的80%[2]，入河湖污染逐步削減，但龐大的經(jīng)濟(jì)總量和人口密度使得污染物排放量仍然超出區(qū)域水環(huán)境承載力，流域水環(huán)境問題依然不容樂觀。

生態(tài)補(bǔ)水作為太湖流域平原水網(wǎng)城市促進(jìn)水體有序流動(dòng)、增強(qiáng)自凈能力、改善河網(wǎng)水質(zhì)、抑制藍(lán)藻、修復(fù)生態(tài)的有效舉措，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用并取得顯著成效。20世紀(jì)60年代，日本、美國等發(fā)達(dá)國家學(xué)者已就河道水動(dòng)力提升能否改善河網(wǎng)水質(zhì)等一系列問題開展了室內(nèi)試驗(yàn)、原型觀測和數(shù)值模擬等多方面的研究，并形成了不少成功案例[3]。21世紀(jì)以來，為提升城市水環(huán)境面貌，平原水網(wǎng)城市中心城區(qū)特別是太湖流域大力開展了生態(tài)補(bǔ)水方案及措施研究，通過新建補(bǔ)水泵站、增設(shè)活動(dòng)堰等一系列工程措施，配合科學(xué)化、精準(zhǔn)化和精細(xì)化調(diào)度，適時(shí)補(bǔ)入周邊地區(qū)優(yōu)質(zhì)水源，增大城區(qū)河網(wǎng)流速，提升河道水環(huán)境容量和水體自凈能力。

太湖流域平原水網(wǎng)城市中心城區(qū)水環(huán)境提升作為一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，受防洪能力提升、水資源配置優(yōu)化、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)等多方因素牽制，相互影響，互相制約。本文以蘇州市古城區(qū)為研究對象，在“自流活水”工程運(yùn)行投入的基礎(chǔ)上，立足城區(qū)活水存在的主要問題和水質(zhì)提升進(jìn)入“擴(kuò)面、提效”的現(xiàn)實(shí)需求，建立了城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)學(xué)模型并開展城區(qū)汛期水源補(bǔ)給研究，以提高區(qū)域水體流動(dòng)性和改善河網(wǎng)水質(zhì)為目標(biāo)，提出中心城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水方案，進(jìn)一步提升城區(qū)活水保障，并為太湖流域其他類似平原水網(wǎng)城市開展生態(tài)補(bǔ)水提供理論依據(jù)和參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

蘇州中心城區(qū)主要指蘇州城區(qū)大包圍區(qū)域，為城市核心區(qū)域，主要以姑蘇區(qū)為主，以及周邊由于水系溝通、堤防分割納入同一防洪區(qū)的吳中區(qū)運(yùn)北地區(qū)、工業(yè)園區(qū)西部局部區(qū)域，總面積87.8 km2。該區(qū)域地勢平緩，河道縱橫有序，水系呈發(fā)散性網(wǎng)狀分布，水系保護(hù)完整，是典型的江南水鄉(xiāng)。中部為環(huán)繞古城的環(huán)城河，環(huán)城河內(nèi)水系較為發(fā)達(dá)。以環(huán)城河為中心，分別有西塘河、元和塘、外塘河等11條骨干河道向外輻射分布，連接大運(yùn)河及區(qū)域河網(wǎng)。

為加快提升古城區(qū)河道水質(zhì)，2012年蘇州市水利局開展《蘇州古城區(qū)河網(wǎng)“自流活水”方案研究》[4]，提出通過“因勢利導(dǎo)、江湖共濟(jì)、雙源補(bǔ)水、三點(diǎn)配水、活水自流、惠及周邊”等措施，人工實(shí)現(xiàn)平原河網(wǎng)水頭差，營造古城南北相對水勢，實(shí)現(xiàn)古城“自流活水”[11]?！白粤骰钏笔枪懦菂^(qū)河道水質(zhì)提升的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有“自流活水”為雙水源供水格局，一路為西塘河引望虞河來水，由裴家圩樞紐引望虞河水，經(jīng)西塘河兩岸封閉補(bǔ)水在錢萬里橋進(jìn)入環(huán)城河；另一路為外塘河引陽澄湖來水，利用外塘河樞紐，經(jīng)外塘河在塘坊灣橋處送入環(huán)城河[5]，城區(qū)活水工程及河道水流流向分布見圖1。

根據(jù)2015～2019年5 a水質(zhì)監(jiān)測資料分析，自2012年蘇州水質(zhì)提升行動(dòng)實(shí)施以來，特別是2013年重點(diǎn)工程“自流活水”投運(yùn)并持續(xù)常態(tài)運(yùn)行，城區(qū)河道水質(zhì)提升明顯并相對保持穩(wěn)定，河道水質(zhì)由原來的Ⅴ類、劣Ⅴ類普遍提升至Ⅳ類，部分指標(biāo)為Ⅲ類?！盎钏陂g”，姑蘇區(qū)內(nèi)南北形成穩(wěn)定水勢，結(jié)合外圍控制樞紐的聯(lián)合調(diào)度形成“望虞河、陽澄湖”雙源補(bǔ)水格局，城區(qū)河道總體形成由北向南、由東向西流向，全城活水局面初步形成。但經(jīng)過這幾年的實(shí)踐運(yùn)行，城區(qū)“自流活水”格局也面臨諸如現(xiàn)有活水體系難以保證整個(gè)城區(qū)活水需求、古城區(qū)河道東西向流動(dòng)性不足、汛期受運(yùn)河聯(lián)合調(diào)度限制入城供水量不足和雙源供水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等問題。為系統(tǒng)解決上述問題，恢復(fù)周邊區(qū)域水體流通及活水的迫切需求，亟需開展古城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水方案研究，通過生態(tài)調(diào)控等措施，恢復(fù)城區(qū)河道原有生境。

2 生態(tài)補(bǔ)水模型構(gòu)建

2.1 模型簡介和原理

為提高模型的可信度和計(jì)算的準(zhǔn)確度，本次模型構(gòu)建選用丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE模型。MIKE模型是目前水利工程領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛且已經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，并得到諸多水利工程師好評，是適用于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)一維非恒定流穩(wěn)定計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)工具。該模型由降雨徑流(RR)、水動(dòng)力(HD)、非黏性泥沙輸運(yùn)模塊(ST)、對流擴(kuò)散(AD)、水質(zhì)(EcoLab)以及洪水預(yù)報(bào)等諸多模塊組成，以水動(dòng)力模塊為核心，本次研究擬采用水動(dòng)力模塊和對流擴(kuò)散模塊耦合模型進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水方案計(jì)算。

2.1.1水動(dòng)力模塊(HD)

MIKE11水動(dòng)力模塊的構(gòu)建主要包括河網(wǎng)文件(.nwk11)、斷面數(shù)據(jù)(.xns11)、邊界條件(.bnd11)、模型參數(shù)文件(.hd11)4部分，再由這幾部分共同生成模擬文件(.sim)。水動(dòng)力學(xué)模塊參數(shù)包括：河道長度、斷面尺寸、斷面形狀、河道糙率、水面率、水工建筑物規(guī)模和調(diào)度方式等。HD模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)[6]。

質(zhì)量守恒(連續(xù)性)方程：

(1)

動(dòng)量守恒(動(dòng)量)方程：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；q為側(cè)向入流，m3/s；A為過水面積，m2；h為水位，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量修正系數(shù)。

2.1.2對流模塊(AD)

MIKE11水質(zhì)模塊是模擬河網(wǎng)水體中的可溶性物質(zhì)和懸浮物物質(zhì)對流擴(kuò)散的工具，具體包括水質(zhì)組成(component)、初始條件(Int.Cond.)、衰減系數(shù)(Decay)、擴(kuò)散系數(shù)(Dispersion)以及附加輸出結(jié)果(Add.output)5部分。該模塊根據(jù)HD產(chǎn)生的水動(dòng)力條件，應(yīng)用對流擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定一個(gè)恒定的衰減常數(shù)模擬非保守物質(zhì)，模擬物質(zhì)在水體中的對流和擴(kuò)散過程。[7，9-10]污染物對流擴(kuò)散方程為

河道方程：

(3)

河道叉點(diǎn)方程：

(4)

式中：Q，Z是流量及水位；A是河道面積；Ex是縱向分散系數(shù)；C是水流輸送的物質(zhì)濃度；Ω是河道叉點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)的水面面積；j是節(jié)點(diǎn)編號(hào)；I是與節(jié)點(diǎn)j相連接的河道編號(hào)；Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)。

2.2 水動(dòng)力水質(zhì)模型建立

2.2.1河網(wǎng)與水工建筑物概化

基于對研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)及水利工程現(xiàn)狀的調(diào)研，本次模型概化范圍為蘇州城區(qū)“自流活水”區(qū)域，面積為74 km2，涉及水工建筑物主要包括中心城區(qū)城市大包圍防洪工程及其他閘站樞紐。累計(jì)概化河道329條、斷面2 987個(gè)、可控建筑物139處，河道長度共計(jì)156 km，其中斷面數(shù)據(jù)采用實(shí)測數(shù)據(jù)，測量斷面間距在30～100 m，基本反映了河道現(xiàn)狀實(shí)際情況。水利工程規(guī)模按照實(shí)際調(diào)研資料設(shè)置，調(diào)度原則以實(shí)際調(diào)度規(guī)程為依據(jù)。概化后的河網(wǎng)中最大計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距為200 m，共有726個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)，388個(gè)流量計(jì)算點(diǎn)。模型概化結(jié)果見圖2。

圖2 蘇州市中心城區(qū)河網(wǎng)與水工建筑物概化示意Fig.2 The generalized diagram of the river network and hydraulic buildings in the downtown area of Suzhou

2.2.2模型計(jì)算條件

(1) 污染源條件。本次計(jì)算點(diǎn)源涉及污水廠排污口，非點(diǎn)源涉及城鎮(zhèn)生活污染源，其中點(diǎn)源根據(jù)排污口的位置直接加入到概化的河網(wǎng)中，非點(diǎn)源根據(jù)流入的河道分布概化到一定長度的河道中，計(jì)算按完全混合模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)分析，河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀基本處于Ⅲ～Ⅳ類，通過在概化河網(wǎng)中投加適量NH3-N污染，使得現(xiàn)狀工況、常水位條件下規(guī)劃范圍內(nèi)部河道水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅲ～Ⅳ類水平，并使用同斷面的全年平均實(shí)測氨氮濃度進(jìn)行驗(yàn)證，確保與現(xiàn)狀水質(zhì)基本一致。

(2) 邊界條件。模型中共設(shè)置38處邊界，研究區(qū)內(nèi)部分?jǐn)囝^浜作為閉邊界處理。水動(dòng)力開邊界條件根據(jù)蘇州(二)站水文分析成果，取工程區(qū)域地區(qū)近64 a多年平均水位2.9 m；水質(zhì)開邊界條件取用2015～2019年5 a全年平均水質(zhì)監(jiān)測實(shí)際數(shù)據(jù)。

(3) 初始條件。根據(jù)蘇州大包圍內(nèi)河道的2015～2019年多年平均實(shí)測氨氮濃度設(shè)置污染源，并以該現(xiàn)狀水質(zhì)情況作為水質(zhì)初始條件。沒有實(shí)際監(jiān)測資料的河道，以現(xiàn)狀工況下添加污染源計(jì)算穩(wěn)定時(shí)的結(jié)果作為水質(zhì)初始條件。

2.3 參數(shù)設(shè)置及模型率定驗(yàn)證

2.3.1參數(shù)設(shè)置

影響本次模型準(zhǔn)確性的主要參數(shù)包括河道糙率和水質(zhì)降解系數(shù)。其中河道糙率參照《水力計(jì)算手冊(第二版)》要求，取0.025～0.035；水質(zhì)降解系數(shù)依據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者對太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)各類水體的NH3-N和TP衰減規(guī)律研究成果，分別取0.06 d-1和0.07 d-1[8]。

2.3.2模型驗(yàn)證

通過模擬古城區(qū)“自流活水”現(xiàn)狀條件下工程調(diào)度措施，分析北護(hù)城河入城流量、堰上堰下水頭差以及古城區(qū)內(nèi)部河道水質(zhì)變化，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型能否正常運(yùn)行，參數(shù)設(shè)置是否合理，模型模擬是否符合實(shí)際。經(jīng)模型計(jì)算，西塘河與外塘河同時(shí)補(bǔ)水20 m3/s，通過啟用閶門堰與婁門堰，經(jīng)北護(hù)城河入城流量大概為10～15 m3/s，且堰上堰下水頭差為0.045 m，符合現(xiàn)狀“自流活水”效果。同時(shí)以蘇州大包圍2019年實(shí)測氨氮濃度設(shè)置污染源，并以該現(xiàn)狀水質(zhì)情況作為水質(zhì)初始條件。沒有實(shí)測資料的河道，以現(xiàn)狀工況下添加污染源計(jì)算穩(wěn)定時(shí)的結(jié)果作為水質(zhì)初始條件。經(jīng)模擬分析，古城區(qū)19處水質(zhì)監(jiān)測斷面模擬誤差在15%以內(nèi)，水質(zhì)模型模擬結(jié)果基本反映了古城區(qū)河道水質(zhì)，表明參數(shù)取值是基本合理的。

3 生態(tài)補(bǔ)水方案研究

3.1 補(bǔ)水水源及線路選取

根據(jù)蘇州市區(qū)水系“四湖供清水”(太湖、漕湖(望虞河)、陽澄湖和澄湖)空間布局，遵循周邊水源條件和就近取水原則，在現(xiàn)狀“自流活水”體系下，城區(qū)水系現(xiàn)有以北部望虞河、陽澄湖雙源供水基礎(chǔ)上，考慮新增太湖水作為補(bǔ)充水源，實(shí)現(xiàn)南北互補(bǔ)，滿足靈活引排需求。根據(jù)現(xiàn)狀城區(qū)與大太湖和東太湖之間的區(qū)域水系分布，初擬兩條引太湖水入城線路：“大太湖補(bǔ)水方案”和“東太湖補(bǔ)水方案”，如圖3(a)所示。

(1) 線路一?！按筇?城外段胥江-穿運(yùn)河送入城區(qū)段胥江入城” 充分利用太湖與城區(qū)之間歷史水道，利用古人治水智慧，順應(yīng)自然為古城區(qū)送水。但隨著歷史變遷、城市發(fā)展、水系演變等，胥江城外段(運(yùn)河以西段)入城條件已發(fā)生變化；同時(shí)大太湖藍(lán)藻密度偏高，且沿途穿木瀆、胥口等鎮(zhèn)區(qū)，人口較為密集，污水排放量大，入城水質(zhì)難以保證。

(2) 線路二。“東太湖-小石河-石湖-越城河穿運(yùn)河-胥江入城”充分利用現(xiàn)有引水通道引東太湖水入城。東太湖水是太湖湖體水質(zhì)最好的湖區(qū)，常年Ⅱ～Ⅲ類水，引水水質(zhì)較好；且汛期東太湖藍(lán)藻明顯少于大太湖，可滿足汛期城區(qū)活水需求；同時(shí)送水距離短，工程內(nèi)容少、相對經(jīng)濟(jì)。

經(jīng)從補(bǔ)水水源水質(zhì)、補(bǔ)水距離、補(bǔ)水通道水量水質(zhì)保障度、對周邊地區(qū)的影響等方面綜合分析(見表1)，擬定線路二作為本次生態(tài)補(bǔ)水線路，即“東太湖補(bǔ)水方案”：就近取用東太湖優(yōu)質(zhì)水源，利用現(xiàn)有石湖引清通道往北過運(yùn)河，將東太湖清水送入城區(qū)段胥江(運(yùn)東)，利用胥江西水東送順勢入城，形成東太湖-小石河-石湖-越城河穿運(yùn)河-胥江-城區(qū)河網(wǎng)的補(bǔ)水線路。

根據(jù)補(bǔ)水線路沿線河道分布，運(yùn)河以南段利用現(xiàn)有的小石河-石湖-越城河，往北過運(yùn)河后與城區(qū)段胥江之間無現(xiàn)成可利用河道，為保證入城水量和水質(zhì)，規(guī)劃入城送水通道全程采用地下輸水隧洞，詳見圖3(b)。

圖3 蘇州市中心城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水線路及入城通道方案Fig.3 The ecological water replenishment line and the channel into dawntown of Suzhou

表1 生態(tài)補(bǔ)水線路方案比選

3.2 補(bǔ)水措施及方案

根據(jù)蘇州市古城區(qū)內(nèi)部河道活水需求，結(jié)合城市大包圍和自流活水現(xiàn)有工程，考慮到平原河網(wǎng)地勢平坦，東太湖水不具備自流入城水文條件。為保證清水入城具備一定的水勢，又不影響石湖控制水位，擬在越城河上新建補(bǔ)水泵站，依靠動(dòng)力補(bǔ)水入城。同時(shí)，為進(jìn)一步提升古城區(qū)不同方向河道水質(zhì)改善度，保障西護(hù)城河入古城水量，優(yōu)化古城活水效果，規(guī)劃在環(huán)城河盤門內(nèi)城河口東側(cè)新建生態(tài)堰壩——蟠龍堰，聯(lián)合現(xiàn)有的閶門堰、婁門堰，靈活調(diào)控入城水量?；谏鲜龉こ檀胧?，擬定3種生態(tài)補(bǔ)水方案(見表2)，其中：“三源補(bǔ)水方案”在古城區(qū)原有北引南排的格局下，利用胥江補(bǔ)水作為西南城區(qū)新增補(bǔ)充水源，通過增加南部排水動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)增補(bǔ)水量與增排水量平衡，全面改善城區(qū)活水條件；“兩源補(bǔ)水方案”通過啟用西塘河、胥江補(bǔ)水，形成西引東排活水格局，依托增設(shè)蟠龍堰控導(dǎo)工程，攔蓄清水，抬高西環(huán)城河河道水位，提升西環(huán)城河清水入古城水量；“一源補(bǔ)水方案”依靠新增胥江補(bǔ)水水源，在汛期城區(qū)河網(wǎng)水位偏高情況下，順應(yīng)區(qū)域北排水勢，形成西水東送、南水北送格局，同時(shí)通過調(diào)節(jié)蟠龍堰、閶門堰控制入古城區(qū)水量，持續(xù)滿足古城東西向河道活水需求。各方案生態(tài)補(bǔ)水情況詳見圖4。

表2 生態(tài)補(bǔ)水計(jì)算方案Tab.2 Ecological water replenishment calculation plan

圖4 不同生態(tài)補(bǔ)水方案示意Fig.4 Diagram of different ecological water replenishment schemes

根據(jù)生態(tài)補(bǔ)水期間實(shí)現(xiàn)城區(qū)河道流速總體達(dá)到5～15 cm/s的活水目標(biāo)要求，經(jīng)城區(qū)河網(wǎng)數(shù)模分析計(jì)算，結(jié)合參照城區(qū)現(xiàn)有補(bǔ)水入城規(guī)模以及蘇州周邊城區(qū)引清活水經(jīng)驗(yàn)，城區(qū)適宜補(bǔ)水規(guī)模48～55 m3/s。城區(qū)“自流活水”現(xiàn)狀為西塘河、陽澄湖雙源供水，除太湖行洪期間望虞河藍(lán)藻密度偏高暫停西塘河供水外，全年補(bǔ)水以西塘河供水為主，現(xiàn)狀城區(qū)活水日常入城流量約30 m3/s，補(bǔ)充水量規(guī)模需求約18～25 m3/s。綜合考慮城區(qū)全面活水和擴(kuò)展片區(qū)的集中換水需求及活水期間的適宜流速要求，以及兼顧現(xiàn)有補(bǔ)水通道區(qū)域活水需求適當(dāng)減輕西塘河入城供水任務(wù)，綜合確定胥江生態(tài)補(bǔ)水規(guī)模為20 m3/s。

3.3 模擬結(jié)果分析

胥江生態(tài)補(bǔ)水工程實(shí)施后，根據(jù)送水目標(biāo)區(qū)、水源水質(zhì)等不同條件和需求，可啟用1個(gè)或多個(gè)水源，靈活調(diào)度包圍圈控制閘站和活動(dòng)堰，營造南北向或東西向適宜水頭差，滿足不同片區(qū)、不同方向活水需求。根據(jù)生態(tài)補(bǔ)水模型計(jì)算結(jié)果顯示，3種不同補(bǔ)水方案均不同程度上改變了中心城區(qū)不同片區(qū)河道水動(dòng)力條件，且重點(diǎn)河道監(jiān)測斷面水質(zhì)均得到大幅改善，但由于各個(gè)補(bǔ)水方案啟用的補(bǔ)水水源、補(bǔ)水措施不同，改善程度有所差異。

3.3.1三源補(bǔ)水實(shí)施效果

與現(xiàn)狀工況相比，三源補(bǔ)水方案考慮新增胥江補(bǔ)水工程與古城區(qū)“自流活水”工程同時(shí)運(yùn)行，通過新增補(bǔ)水水量，配合城市大包圍主要節(jié)點(diǎn)工程，滿足不同片區(qū)活水需求。其中，上塘山塘片和古城區(qū)片活水效果與現(xiàn)狀基本相同；城南片區(qū)河道流速增大，從現(xiàn)狀“自流活水”體系下的0～9 cm/s，總體提升至7～19 cm/s(見圖5)，水體流動(dòng)性得到顯著提升；城西區(qū)部分區(qū)域需通過胥江沿線口門放水和東風(fēng)新、活絡(luò)浜、徐家郎泵站等泵站及內(nèi)部節(jié)制閘調(diào)節(jié)，活水受益輻射至里雙河以南及北部小部分區(qū)域；西南部城區(qū)近運(yùn)河段河道活水條件主要受動(dòng)力大小影響，部分河道流速改善不明顯。城西片和城南片區(qū)河道流速增大的同時(shí)，水質(zhì)得到有效改善，部分河道由原先的Ⅳ、Ⅴ類水體改善至Ⅲ類，5個(gè)片區(qū)監(jiān)測斷面水質(zhì)全部提升至Ⅲ類及Ⅲ類以上(見表3)。

圖5 三源補(bǔ)水方案下研究區(qū)不同片區(qū)河道流速變化Fig.5 River flow velocity changes in different regions of the study area under the three-source water supplement scheme

表3 三源補(bǔ)水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況

3.3.2兩源補(bǔ)水實(shí)施效果

兩源補(bǔ)水方案實(shí)施后，通過啟用西塘河、石湖引水，形成西引東排的活水格局，重點(diǎn)提升城區(qū)東西向河道換水效果，改善城區(qū)部分東西向河道水流滯緩的問題。其中：古城區(qū)在既有自流活水體系已改善南北向河道流速情況下，東西向河道流速也明顯提升，總體提升至5～18 cm/s；城北區(qū)通過沿元和塘及沿線泵站，抽引西塘河來水，流速提升至7 cm/s左右(見圖6)。由于古城片區(qū)東南角縱橫河道較多，活水目標(biāo)負(fù)擔(dān)較重，需相應(yīng)啟用東側(cè)南園泵站進(jìn)一步增加羊王廟河等水動(dòng)力。水質(zhì)方面，古城區(qū)16個(gè)監(jiān)測斷面水質(zhì)改善效果顯著，Ⅲ類及Ⅲ類以上占比達(dá)93.8%(見表4)。

圖6 兩源補(bǔ)水方案下古城區(qū)區(qū)河道流速變化Fig.6 River flow velocity changes in different regions of the study area under the two-source water supplement scheme

表4 兩源補(bǔ)水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況

3.3.3一源補(bǔ)水實(shí)施效果

一源補(bǔ)水方案主要順應(yīng)汛期區(qū)域北排水勢，通過胥江補(bǔ)水入城，實(shí)現(xiàn)汛期活水需求。同時(shí)，若城南區(qū)有獨(dú)立活水需求時(shí)，利用胥江補(bǔ)水入城，聯(lián)合胥江北岸和入古城區(qū)河道控制，適當(dāng)抬高城南區(qū)水位，可改善城南片部分低水區(qū)河道水生態(tài)環(huán)境。一源供水期間總體入城量較小，活水效果有限，但作為北部來水水質(zhì)不能滿足入城需求時(shí)的補(bǔ)充調(diào)度，以及順應(yīng)汛期北排水勢，通過閘站和活動(dòng)堰的控制實(shí)施分片、分時(shí)供水，基本能滿足分片區(qū)域的緩流活水要求，基本實(shí)現(xiàn)城區(qū)汛期持續(xù)活水目標(biāo)，古城區(qū)和城南片區(qū)河道水質(zhì)總體提升至Ⅲ類及Ⅲ類以上(見表5)?！耙辉囱a(bǔ)水”方案分時(shí)分片供水河道流速變化見圖7。

表5 一源補(bǔ)水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況Tab.5 The standard attaiment rate of river water quality (ammonia nitrogen)in the study area under the one-source water supplement scheme

圖7 一源補(bǔ)水方案下研究區(qū)河道流速變化Fig.7 River flow velocity changes in different regions of the study area under the one-source water supplement scheme

3.3.4不同補(bǔ)水方案實(shí)施效果對比分析

根據(jù)模型計(jì)算分析，上述3種補(bǔ)水方案實(shí)施后，對比現(xiàn)狀工況各指標(biāo)均有一定程度的提升，河道流速普遍達(dá)到10 cm/s以上，古城區(qū)重點(diǎn)河道監(jiān)測斷面氨氮指標(biāo)從Ⅳ類、Ⅴ類提升至Ⅲ類以上水平(見圖8)?？傮w來看，本文提出的生態(tài)補(bǔ)水措施方案均達(dá)到了理想的水環(huán)境改善效果，但由于各個(gè)補(bǔ)水方案采用的補(bǔ)水渠道和補(bǔ)水措施不同，各片區(qū)內(nèi)河道整體水動(dòng)力條件及重點(diǎn)河道水質(zhì)改善效果仍有所差異。其中：① 三源補(bǔ)水方案由于額外增加了胥江補(bǔ)水水源，相應(yīng)增加城市大包圍主要節(jié)點(diǎn)工程外排，不同片區(qū)活水需求均一定程度得到滿足，活水效益輻射整個(gè)研究范圍，尤其城南片區(qū)河道活水條件改善最為顯著，同時(shí)該方案下?lián)Q水周期和運(yùn)行費(fèi)用較其他預(yù)設(shè)補(bǔ)水方案均最優(yōu)，但古城片區(qū)東西向河道流速效果有限。② 兩源補(bǔ)水方案則在三源補(bǔ)水方案下，新增蟠龍堰生態(tài)堰壩，攔蓄胥江清水，提升西環(huán)城河清水入古城水量，在既有自流活水體系已改善南北向河道流速情況下，進(jìn)一步提升古城區(qū)東西向河道流速。③ 一源補(bǔ)水方案在兩源補(bǔ)水方案的基礎(chǔ)上，通過控制胥江沿線口門并調(diào)節(jié)蟠龍堰和閶門堰開度，控制西環(huán)城河入古城區(qū)水量，順應(yīng)區(qū)域汛期北排水勢，形成西水東送、南水北送格局，但由于整體生態(tài)補(bǔ)水水量較少，除古城區(qū)東西向河道外其余活水效果有限，但可作為北部來水水質(zhì)不能滿足入城需求時(shí)的補(bǔ)充調(diào)度。

圖8 不同方案古城區(qū)重點(diǎn)河道斷面水質(zhì)(氨氮) 改善效果變化Fig.8 Water quality(ammonia nitrogen)improvement of key river sections in the ancient city area under different schemes

4 結(jié) 論

(1) 本文基于MIKE模型構(gòu)建的蘇州城區(qū)生態(tài)補(bǔ)水模型，可準(zhǔn)確模擬不同生態(tài)補(bǔ)水方案城區(qū)河道水質(zhì)改善效果，為平原水網(wǎng)地區(qū)中心城區(qū)水環(huán)境治理和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供技術(shù)支撐。

(2) 通過對蘇州古城區(qū)3種不同生態(tài)補(bǔ)水方案進(jìn)行分析模擬，可以得出：通過新增補(bǔ)水水源、增設(shè)生態(tài)堰壩、提升補(bǔ)水水量等綜合措施，可優(yōu)化中心城區(qū)多源補(bǔ)水格局，完善補(bǔ)水體系，提升活水保證率，古城區(qū)重點(diǎn)河道斷面水質(zhì)均得到有效改善，且大部分提升至Ⅲ類及以上水平，為改善城區(qū)河道水動(dòng)力、提升水體修復(fù)自凈能力以及水環(huán)境改善和提升創(chuàng)造了有利條件。

(3) 太湖流域平原水網(wǎng)中心城區(qū)水網(wǎng)交錯(cuò)，如蘇錫常等城市中心城區(qū)均位于蘇南運(yùn)河沿線，生態(tài)補(bǔ)水方案研究需綜合考慮汛期大運(yùn)河高水位外排不暢、退水通道選取等問題，因地制宜，綜合施策。