穆守勝，柳 楊，烏景秀，范子武，劉國慶，謝 忱

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

平原河網(wǎng)城市水系復雜，水體流動性差，涉水工程眾多，調控困難，同時經(jīng)濟發(fā)達，污染負荷重，水環(huán)境治理難度大[1-2]。改善河網(wǎng)水環(huán)境的基本策略是通過物理、化學和生物等方法削減水體中的污染物總量[3-4]。物理方法主要包括控源截污、底泥疏浚、水動力調控和水體曝氣等；化學方法主要包括投加除藻劑和絮凝沉淀等；生物方法主要包括微生物降解技術、水生植物凈化技術、人工濕地凈化技術等。目前，不同水環(huán)境治理方法中的各單項技術都已相對成熟，在物理、生物法基礎上，通過數(shù)學模型開展水動力調控研究，利用閘泵堰等水利工程進行聯(lián)合調度，可以顯著改善河道水環(huán)境[5-9]。

1 研究區(qū)域概況

常州市主城區(qū)北至新龍河和滬寧高速公路，南到京杭大運河，西靠德勝河，東臨丁塘港，面積179.2 km2。研究范圍內大小河道共計113條，長約285 km，其中斷頭浜43條，長約50 km。研究區(qū)域屬于高度城鎮(zhèn)化的平原河網(wǎng)區(qū)，內部水系豐富，水利工程較為完善，具備較強的調控能力。近年來，常州市在防洪排澇和水環(huán)境治理方面投入力度很大，主城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境得到明顯改善，但仍存在以下問題：（1）骨干河道水質尚可，但因引水難進入中小河道，部分中小河道水質不佳；（2）河網(wǎng)較為分割，存在多處斷頭浜，水系暢通性差；（3）河道兩岸截污不徹底，水質受污染，部分河道水質仍為Ⅴ類和劣Ⅴ類。

針對以上問題，2017年制定的常州市主城區(qū)暢流活水總體方案的總體思路為：通過魏村樞紐和澡港水利樞紐泵站引長江水（Ⅲ類水質），充分利用優(yōu)質過境水源，打造德勝河、澡港河兩條清水通道入城；新建4個控導工程，即盤龍苑溢流堰、恐龍園溢流堰、新市橋溢流堰和洋橋溢流堰，以增強內部調控能力，形成3級梯級水位，其中，澡港河為第一級水位、老運河為第二級水位、京杭大運河為第三級水位；通過創(chuàng)造水位差實現(xiàn)自流活水，按照區(qū)域水系特點，制定主城區(qū)合理補水頻次，按需配水；充分利用現(xiàn)有閘門科學調度、聯(lián)合調控，精確控制每條河道的分流比，讓更多的流量進入主城區(qū)，實現(xiàn)暢流活水[10]。具體引水水流路徑見圖1。

圖1 常州市暢流活水方案的引水水流路徑Fig. 1 Water diversion and flow path of Changzhou clean water diversion project

依據(jù)常州主城區(qū)工程現(xiàn)狀、地形和引水條件等，方案將常州市主城區(qū)劃分成4個片區(qū)：Ⅰ區(qū)（64.6 km2）、Ⅱ區(qū)（21.1 km2）、Ⅲ區(qū)（48.3 km2）和Ⅳ區(qū)（45.2 km2）（圖2）。通過各項工程分年度實施，逐步實現(xiàn)各個片區(qū)水質達標：（1）2018年，4座活動堰施工完成后，Ⅰ區(qū)達到預期效果；（2）2019—2020年，大運河西樞紐改造完成，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)達到預期效果；（3）“十四五”期間，澡港河清水通道實施完成，主城區(qū)活水整體效果得到提升。

圖2 常州市暢流活水方案水質提升分區(qū)Fig. 2 Water quality improvement zones of Changzhou clean water diversion project

2017年5月，在常州市主城區(qū)開展現(xiàn)場試驗，安裝4座臨時溢流堰設施，對活水方案下的水動力、水質指標進行現(xiàn)場測驗，論證了活水方案總體思路的可行性與有效性[11]。2018年6月，4座活動堰建設完成，主城區(qū)Ⅰ區(qū)范圍初具活水條件。2018年7月和11月，分別進行了2次Ⅰ區(qū)階段性調度試運行試驗，通過精準調控，實現(xiàn)了主城區(qū)一二級水位差、流量分配合理的自流活水格局，Ⅰ區(qū)水環(huán)境顯著改善，多數(shù)河道達到健康水平[12]，具體見表1。

表1 老城區(qū)內水質歷次試驗監(jiān)測成果對比Tab. 1 Comparison of water quality monitoring results of previous tests in old urban areas

2 研究方法

2.1 數(shù)學模型

本文通過數(shù)學模型模擬暢流活水方案效果并進行方案優(yōu)選。模擬的重點區(qū)域為常州市運北主城區(qū)河網(wǎng)，區(qū)域內河網(wǎng)密布、水系復雜、工程眾多。模擬計算中考慮了長江、太湖等外圍邊界的影響，在已有常州市主城區(qū)一維水動力模型[10]基礎上，將模型范圍向西延伸至太湖流域邊界、東部到望虞河、南部延伸至江蘇省省界，構建一維水動力模型。

常州市城區(qū)模型邊界條件包括：水位邊界及流量邊界。水位控制點主要是長江、大運河、太湖水位。長江常態(tài)水位3.8～4.0 m，京杭大運河水位為3.4～3.6 m。流量邊界主要為澡港河、德勝河江邊樞紐流量過程。

采用前期試驗實測水位數(shù)據(jù)進行模型率定，結果表明全區(qū)水位計算值與實測值平均誤差能控制在5 cm內[11]，能夠較準確地模擬常州市主城區(qū)河網(wǎng)水動力特性。經(jīng)過率定，最終確定一級河道（老運河、關河等）糙率n取0.025，二級河道（采菱港河、白蕩河、南運河等）糙率n取0.030，三級河道（鳳凰浜等）糙率n取0.035。

2.2 現(xiàn)場試驗

通過現(xiàn)場試驗，監(jiān)測推薦的暢流活水方案下河道的水質指標和水動力指標，論證模型模擬比選出的優(yōu)化方案的實施效果。

根據(jù)前期研究成果和常州市主城區(qū)水系水質特點[10-11]，選取以下日常易超標的水質監(jiān)測指標：溶解氧（DO）質量濃度（以下簡稱濃度）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）濃度、總磷（TP）濃度。所有水質監(jiān)測點在試驗開始前和試驗結束前2天各測1次，引水沿線重要點位（見圖1）在試驗期間每2天監(jiān)測1次，試驗結束后對重要點位繼續(xù)監(jiān)測水質16 d，并關注試驗結束后水質的復原情況。

水動力觀測要素為：河道水位、流速、流量，河道水位利用電子水尺記錄實時水位，流量、流速采用聲學多普勒剖面流速儀（ADCP）現(xiàn)場巡測。所有流量監(jiān)測點試驗前測1次本底值，試驗開始待水位穩(wěn)定后，第3～14天每天巡測，重點巡測Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)流量。特別在河網(wǎng)水動力調試穩(wěn)定后，開展關鍵監(jiān)測點位全局測量，獲得內部所有分汊河道的分流比。

3 暢流活水方案設計與模擬

3.1 方案設計

由前所述，前期的暢流活水實施方案由于工程限制僅能形成二級梯級水位，因此暢流活水范圍主要針對Ⅰ區(qū)開展，2020年大運河西樞紐改造完成，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)具備了活水運行條件。因此本文在前期研究基礎上，將活水范圍擴展至Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，通過溢流堰和相關閘泵的聯(lián)合調度，調節(jié)主城區(qū)（Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）河道流量，形成最佳的分流配比，制定主城區(qū)（Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）的暢流活水常態(tài)化運行調度方案。

為分析不同調度條件下的主城區(qū)河道水動力情況，依據(jù)前期制定的“常州市主城區(qū)暢流活水方案”，通過魏村樞紐和澡港水利樞紐引水，其中魏村樞紐引水30 m3/s、澡港水利樞紐引水40 m3/s，圍繞新建工程大運河西樞紐調度及與4座活動堰工程的組合，設置了5組模擬方案，具體見表2。

表2 計算方案Tab. 2 Calculation schemes

3.2 方案效果模擬及比選

澡港河引水入城后，經(jīng)澡港河東支、柴支浜、三井河等河道分流，再經(jīng)關河兩座溢流堰調控，一部分進入老城區(qū)，一部分進入關河后向南流入主城區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)河道。常州市主城區(qū)范圍內主要河道在各方案下的模擬流量分配見表3。

表3 各方案下的河道流量分配Tab. 3 River flow distribution of each scheme 單位：m3/s

對比各方案下進入主城區(qū)河道的總流量，方案4和5的總流量相比前幾個方案明顯偏小，主城區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)河道減少的流量大部分從京杭大運河流向主城區(qū)外圍流走；方案3的總流量雖然和方案1、2基本一致，但代表老城區(qū)的西市河流量過小。因此，方案3～5的流量分配不利于總體上改善主城區(qū)水環(huán)境。

綜上，方案1和2的主城區(qū)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的河道流量分配效果更好，如圖3和4所示。因此，選擇方案1和2作為現(xiàn)場試驗的調度情景，論證暢流活水方案的實施效果。

圖3 方案1的河道流量分布Fig. 3 River flow distribution of scheme 1

圖4 方案2的河道流量分布Fig. 4 River flow distribution of scheme 2

4 暢流活水方案實施效果現(xiàn)場試驗

4.1 試驗期間水動力變化過程分析

現(xiàn)場試驗于2020年11月28日—12月11日開展，試驗期間的內部工程調度共分成引水期、調度期和恢復期3個時期。11月28日9時—29日9時，為引水抬升澡港河水位的引水期，無工程調度情況下，河網(wǎng)上下游水位差基本在0～5 cm，水動力較弱，隨著引水的進行，上游澡港河水位快速抬升；調度期第1階段為11月29日9時—12月7日9時，執(zhí)行方案1的閘泵調度方案；調度期第2階段為12月7日9時—10日9時，執(zhí)行方案2的閘泵調度方案。與第1階段相比，新增大運河西樞紐泵站引水10 m3/s，隨著工程調度運行，澡港河入城口（許家塘橋）與三堡街（老運河）的水位差維持在20 cm左右，三堡街與常州（三）的水位差維持在10 cm左右，形成了預期的3級水位差。12月10日9時—11日12時為恢復期，工程停止運行后，河網(wǎng)上下游又恢復為0～5 cm水位差的弱水動力狀態(tài)。試驗期間引水沿線關鍵監(jiān)測點水位變化見圖5。

圖5 活水期間引水沿線關鍵測點水位變化Fig. 5 Water level change process of key points along the diversion line during the field test

另外，在調度期，研究范圍內大部分河道的流量和流速相比引水期前有顯著提升，河道流量及流速提升在1.48～17.00倍（表4），且調度期第2階段Ⅱ、Ⅲ區(qū)大部分河道流量更大，說明大運河西樞紐引水對主城區(qū)南部區(qū)域有益，與模型模擬結果基本一致。

表4 活水方案實施前后的河道流量對比Tab. 4 Comparison of river flow before and after the field test

4.2 試驗期間水質變化過程分析

4.2.1 水質總體變化情況活水試驗前后，研究范圍內大部分河道監(jiān)測點位的水質改善效果非常明顯（表5）。試驗前所有監(jiān)測點位的水質25%為Ⅲ類、20%為Ⅳ類、35%為Ⅴ類、20%為劣Ⅴ類；試驗后10%為Ⅱ類、90%為Ⅲ類。

表5 活水前后水質對比Tab. 5 Comparison of water quality before and after the field test

4.2.2 引水沿線重要點位試驗期間水質變化情況試驗期間引水沿線重要點位水質指標變化情況見圖6?？梢?，水質改善十分明顯。試驗前部分點位的氨氮濃度超標，為劣Ⅴ類，隨著引水的進行，所有點位的氨氮濃度下降非常明顯，并在試驗后期基本達到了Ⅲ類。試驗前各點位的高錳酸鹽指數(shù)本底值較好，除云祥橋（后塘河）為Ⅲ類外，其余點位均為Ⅱ類，隨著引水的進行，各點位的高錳酸鹽指數(shù)均有小幅度下降，并在試驗后期穩(wěn)定在Ⅱ類。各點位的總磷濃度都隨著引水的進行呈下降趨勢，其中白龍橋（西市河）、云祥橋（后塘河）試驗前為劣Ⅴ類，另外3個點位為Ⅲ-Ⅳ類，最終下降并穩(wěn)定在Ⅲ類。各點位的溶解氧濃度都隨引水過程波動上升，最終都由Ⅲ類左右提升至Ⅰ類以上，試驗期間大部分時間維持在較高的水平（7 mg/L以上）。

圖6 引水沿線重要點位試驗期間水質變化Fig. 6 Variation of water quality during the field test

4.3 試驗結束后水質變化過程分析

試驗結束后，于2020年12月11日—27日對引水沿線5個重要點位的水質進行了跟蹤監(jiān)測，不同水質指標均出現(xiàn)了一定程度的反彈，但大部分點位各水質指標在監(jiān)測時間（引水結束后16 d）內仍處于較好的狀態(tài)（低于試驗前本底值或為Ⅲ-Ⅳ類）（圖7）。

圖7 引水沿線重要點位試驗結束后水質變化Fig. 7 Variation of water quality after the field test

除白蕩河、南童子河等點位，其他點位氨氮濃度在監(jiān)測時間內都仍低于本底值，白蕩河、南童子河在試驗結束后10 d左右反彈至或超過本底值；所有點位的高錳酸鹽指數(shù)在12 d后接近或略微超過了本底值，除后塘河試驗結束后第16天反彈至略超過Ⅲ類，其余點位仍在Ⅱ-Ⅲ類；西市河、后塘河的總磷濃度試驗前為劣Ⅴ類，引水后降幅明顯且在監(jiān)測時間內都仍明顯低于本底值。其余點位總磷濃度試驗前都為Ⅲ-Ⅳ類，在引水結束后逐漸反彈至本底值，但在監(jiān)測時間內都仍處于Ⅲ-Ⅳ類；溶解氧濃度在監(jiān)測時間內下降幅度并不明顯，大部分點位仍高于本底值，僅西市河、后塘河在第16天降至本底值但仍處于Ⅲ類水平。

5 結 語

通過數(shù)學模型開展水動力調控是改善平原河網(wǎng)城市水環(huán)境的有效手段。以常州市主城區(qū)為研究對象，通過水動力數(shù)學模型模擬5組方案下城區(qū)內部河道流量分配情況，確立了啟用城區(qū)內部4座溢流堰、大運河西樞紐關閘或開泵向城區(qū)引水的2組推薦方案，并結合現(xiàn)場試驗論證了推薦的活水方案效果，最終形成了預期的3級水位差，河道流量及流速提升1.48～17.00倍，河網(wǎng)水環(huán)境改善顯著。研究成果可為其他平原河網(wǎng)城市提供參考。

暢流活水對改善平原河網(wǎng)城市水質效果明顯，但需要強化日常監(jiān)測，對部分水質異常點位開展污染源解析工作，根據(jù)水質變化情況合理確定活水周期，感潮河網(wǎng)區(qū)盡量運用潮動力閘引，減少泵引，合理確定引水量，強化日常活水，保持水質穩(wěn)定。本文開展現(xiàn)場試驗后各點位水質指標有明顯提升，大部分水質指標在引水結束后16 d內都仍處于較好的狀態(tài)，但主城區(qū)中西市河、南童子河、后塘河、白蕩河等部分河道的水質在試驗結束后反彈明顯?？梢姡瑧⒅亻_展污染源解析，排查排污口消除點源污染，并綜合采取控源截污、河道整治、強化凈化、長效管理等一系列措施，注重系統(tǒng)治理，確保河網(wǎng)水環(huán)境的長效久治。