王思如，顧一成，楊大文，孫金華，胡慶芳，張 熹

(1. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；2. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3. 啟東市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 啟東 226200)

洪澇災(zāi)害頻繁、水資源短缺和水環(huán)境惡化是中國快速城鎮(zhèn)化過程中面臨的三大城市水問題。其中，城市水環(huán)境惡化問題尤為突出，嚴(yán)重影響城市人居環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)健康，引發(fā)了廣泛的社會關(guān)注。長江下游分布著大量沿江城市，水系發(fā)達(dá)、河網(wǎng)密布，但由于人口稠密、產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，入河污染物負(fù)荷量大而集中，加之這些城市河道坡降普遍較小、水動力較弱、水體自凈能力不足，導(dǎo)致水體污染物易長時間累積，故在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，這些城市河網(wǎng)水環(huán)境問題較為突出。在國家實施長江大保護(hù)戰(zhàn)略背景下，長江下游城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合治理的任務(wù)更加迫切[1-2]。

大力推進(jìn)節(jié)水減排、強(qiáng)化控源截污、完善城市污水收集處理基礎(chǔ)設(shè)施是改善城市河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量的根本途徑。從供給側(cè)出發(fā)，適度增加和科學(xué)配置河網(wǎng)水量、加快水體更新流動，提升自凈能力和水環(huán)境容量，也是改善河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量的重要思路之一[3]。已有關(guān)于長江下游平原城市河網(wǎng)水環(huán)境提升的相關(guān)研究中，重點分析了人工動力調(diào)控措施對水動力或水質(zhì)的影響，采用生態(tài)流速閾值、水質(zhì)改善率等標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)評價了上述措施的實施效果[3-5]。然而，對于如何充分利用自然潮汐規(guī)律，提升引水量的利用效率，以及實現(xiàn)目標(biāo)綜合評價仍待進(jìn)一步研究。以往此類城市在河網(wǎng)水環(huán)境治理過程中，從域外大量調(diào)引“清水”并過于依賴人工引排動力的方式，因調(diào)水經(jīng)濟(jì)成本和外部環(huán)境友好性在近年也引發(fā)了一些質(zhì)疑和爭議[6]。長江下游通江河道一般為感潮河道，此類河道的水環(huán)境綜合治理應(yīng)因勢利導(dǎo)，充分利用天然潮動力條件實現(xiàn)良性的水體更新流動。

本文以長江下游典型平原城市啟東市城區(qū)及其鄰近地區(qū)為例，構(gòu)建河網(wǎng)水動力模型，通過對比現(xiàn)狀和數(shù)值模擬試驗條件下的河網(wǎng)水位、流速、水量等要素的差異性，解析潮汐對河網(wǎng)水動力特性的影響，為河網(wǎng)泵站的調(diào)度運(yùn)用提供判斷依據(jù)；提出河道水系連通和工程布局及調(diào)度優(yōu)化的推薦方案，分析不同潮汐狀況下優(yōu)化方案的活水效果，實現(xiàn)在減少域外引水的同時充分運(yùn)用天然潮動力。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

啟東市位于長江口北支沿岸，屬南通市管轄，是江蘇省出江入海的重要門戶，與崇明島隔江相望。本文研究區(qū)為啟東城區(qū)所在的水利片區(qū)，面積約97.4 km2(其中城區(qū)面積為36.6 km2)。北臨中央河，南至長江，西臨紅陽河，東至丁倉港河。啟東城區(qū)以頭興港為界，西側(cè)為開發(fā)區(qū)，東側(cè)為主城區(qū)(圖1)。研究區(qū)含38條主要河道、1個湖泊、21處閘泵和9處水閘。根據(jù)紫薇西路泵站(P12)處水位監(jiān)測斷面2018年11月至2019年10月日平均水位數(shù)據(jù)，啟東城區(qū)河網(wǎng)85%以上天數(shù)的日均水位為2.95～3.10 m(吳淞高程)。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

啟東市緊鄰長江，處于長江口枯季鹽水入侵界面下游。根據(jù)南京水利科學(xué)研究院提供的水質(zhì)采樣檢測結(jié)果，長江啟東段典型枯水期(2019年11月)氯離子質(zhì)量濃度為6 425～9 856 mg/L，汛期(2020年6月)氯離子質(zhì)量濃度為23～683 mg/L，除汛期大潮部分時段外，其余時刻氯離子質(zhì)量濃度均高于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：GB 5749—2006》和《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 5084—2005》中的相應(yīng)閾值(分別為250 mg/L、350 mg/L)。因此，啟東市無法直接取用長江干流水源，區(qū)域可利用的水資源主要為當(dāng)?shù)亟涤戤a(chǎn)流和上游通呂運(yùn)河來水。啟東市60%的降水量集中在6—9月，正常年(保證率50%)本地地表水資源量為8.17億m3，中等干旱年(保證率75%)為4.29億m3，干旱年(保證率95%)為1.22億m3。上游南通節(jié)制閘從長江引水，通過通呂運(yùn)河輸送至啟東，平均每年輸水量約6億m3，占當(dāng)?shù)赝鈦硭吹?5%。

啟東城區(qū)河道水質(zhì)較差，2018年6—7月各河道3次采樣數(shù)據(jù)顯示，除頭興港、世紀(jì)大道橫河、世紀(jì)大道北側(cè)河、廟港河等部分主干河道水質(zhì)達(dá)到Ⅳ、Ⅴ類外，其他河道水質(zhì)多為劣Ⅴ類?，F(xiàn)狀開發(fā)區(qū)內(nèi)頭興港西側(cè)河道與頭興港之間沒有閘門控制的河道均堆筑了土壩，以分隔開發(fā)區(qū)與主城區(qū)水系。在控源截污和內(nèi)源治理基礎(chǔ)上，優(yōu)化河網(wǎng)水動力條件、提高水體自凈能力，對改善城區(qū)水環(huán)境亦十分必要[7]。研究區(qū)河道現(xiàn)狀活水主要依靠頭興港閘(S3)、啟東港閘站(P11)以及少數(shù)內(nèi)部活水泵站進(jìn)行調(diào)度。在S3調(diào)度運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，潮差過大時閘門啟閉困難，潮差過小時潮動力不足致活水效果不佳，所以實際運(yùn)行時選擇潮差適宜的條件，每月逢陰歷初三、初八、十三、十八、二十三、二十八開閘活水，具體開閘日的閘門開啟條件為：當(dāng)長江落潮過程中水位與內(nèi)河水位平齊時，S3開閘排水，在水位回升至內(nèi)河水位時，關(guān)閉閘門防止咸水倒灌。P11處閘門每天開啟2次，具體啟閉條件與S3相同。內(nèi)部活水泵站P3、P4、P8每日7:30—11:30、13:30—17:00開啟，系局部河道日?；钏胧，F(xiàn)狀情況下，各閘泵未經(jīng)統(tǒng)籌、各自調(diào)度，導(dǎo)致城區(qū)水流路徑混亂、活水效果不佳。因此，亟需優(yōu)化調(diào)度城區(qū)河網(wǎng)工程，實現(xiàn)閘泵群聯(lián)合調(diào)控。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括河道斷面、水利工程及調(diào)度、水位和流量等資料，具體情況如表1所示。其中，啟東城區(qū)河道斷面數(shù)據(jù)源于現(xiàn)場實測，其他河道斷面采用設(shè)計斷面數(shù)據(jù)?，F(xiàn)狀區(qū)域活水的主要動力來自于沿江閘門S3，由于其僅在潮差適宜的條件下開閘活水，本次選擇上述典型時段(2019年12月3日，初八)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量。水利工程及調(diào)度資料來源于歷史檔案資料及現(xiàn)場補(bǔ)充測量，并經(jīng)過當(dāng)?shù)厮块T復(fù)核，確保了數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 采用的數(shù)據(jù)及其來源Table 1 Summary of data sources

研究區(qū)重要邊界控制斷面水文數(shù)據(jù)及基本水情如下：圖1中斷面1—斷面6流量采用走航式流速儀現(xiàn)場實測獲取；因2019年工程改造，紅陽河閘(S2)處于關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)調(diào)查斷面7長期為零流量狀態(tài)；斷面8和斷面9水位由啟東市城區(qū)水位實時在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取。該系統(tǒng)還對民樂西路泵站(P13)、團(tuán)結(jié)閘(S1)、紫薇西路泵站(P12)斷面的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了實時監(jiān)測。

2 水動力模型與數(shù)值試驗方案

2.1 水動力模型簡介

本文采用Infoworks ICM(Integrated Catchment Management)構(gòu)建研究區(qū)一維河網(wǎng)水動力模型。Infoworks ICM是由英國Wallingford軟件公司開發(fā)的城市綜合流域排水軟件，是世界上最先將城市排水管網(wǎng)、河道一維模型以及流域二維洪澇淹沒模型結(jié)合在一起的獨立模擬引擎的軟件[8]。

河道水動力模擬的控制性方程為Saint-Venant方程組[9]，由連續(xù)方程和動量方程組成：

(1)

(2)

對于管涵過流模擬，采用壓力管流模型而非完全求解Saint-Venant方程，如式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：h為管內(nèi)水深，m；S0為底坡；K為滿管輸送流量，m3/s。

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀活水期間的河道水位特征，取3.10 m作為河道初始水位，并對模型進(jìn)行預(yù)熱以保證初始狀態(tài)穩(wěn)定。現(xiàn)狀活水方案模擬時，模型邊界條件采用實測數(shù)據(jù)，分別為上游斷面1—斷面6采用實測流量(僅斷面3、斷面5流態(tài)明顯)，下游斷面7為零通量，斷面8、斷面9采用實測水位；優(yōu)化活水方案中，模型邊界條件按照上游斷面1—斷面6定水位，斷面7、斷面8零通量，下游斷面9、斷面10為實測長江潮位?？紤]關(guān)閉斷面8處閘門、打通斷面10處口門的主要原因是前者在開閘時主要拉動南引河的水流而并非城區(qū)，此時打通后者以配合斷面9分別帶動主城區(qū)和開發(fā)區(qū)水系流動。

2.2 水動力模型驗證

頭興港閘(S3)為區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀主要活水工程，每隔5d開閘調(diào)度1次，本次采用S3開閘工況下(以2019年12月3日為例)民樂西路泵站(P13)和團(tuán)結(jié)閘(S1)斷面的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定與驗證(P12與P13斷面位置靠近，水位及其變化規(guī)律類似)。模型的主要敏感參數(shù)為糙率，根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊：第1冊：常用資料》(第2版)中關(guān)于天然河道和人工管渠粗糙系數(shù)取值的參照表，作為相應(yīng)河道粗糙系數(shù)的合理取值范圍依據(jù)。得到研究區(qū)河道自然護(hù)岸、硬質(zhì)護(hù)岸糙率范圍分別為0.030～0.035、0.025～0.030。采用水位過程的納什效率系數(shù)(ENS)與均方根誤差(ERMS)評價模擬結(jié)果[10]。

現(xiàn)狀方案條件下，P13與S1斷面模擬水位與實測水位均擬合較好(圖2)，ENS大于0.7、ERMS在允許范圍0.04 m以內(nèi)，說明模型精度滿足要求，可進(jìn)一步利用該模型進(jìn)行水動力提升分析。

圖2 水位模擬結(jié)果驗證Fig.2 Validation of water level simulation

2.3 水動力優(yōu)化指標(biāo)與限制條件

2.3.1 水動力優(yōu)化指標(biāo)

河流生態(tài)流速閾值是反映河網(wǎng)流速空間與時間分布的變量，可用于評價活水方案效果。從抑制藻類爆發(fā)角度，Escartín和Aubrey[11]與Mitrovic等[12]通過水槽試驗以及澳大利亞多個河道實地測量分析，認(rèn)為河流生態(tài)流速宜大于0.1 m/s；焦世珺[13]通過室內(nèi)試驗與水庫大壩室外試驗相結(jié)合的方法，確定三峽庫區(qū)下游低速河道水華爆發(fā)的臨界流速為0.05 m/s；丁一等[4]通過研究區(qū)域?qū)嵉乜疾?、現(xiàn)場監(jiān)測、文獻(xiàn)調(diào)研等方式，認(rèn)為蘇州城區(qū)河道較為適宜生態(tài)流速范圍為0.05～0.10 m/s。考慮到與本研究區(qū)氣候、地形與發(fā)展條件相似性，本文采用蘇州相關(guān)研究成果，將0.05 m/s作為研究區(qū)河道生態(tài)流速閾值。在生態(tài)流速閾值的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出“全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率”、“最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率”和“區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度”3個活水效果評價指標(biāo)。

其中，全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率指穩(wěn)定活水期間能夠達(dá)到生態(tài)流速的河道長度占河道總長度的比值，該值越大代表更多河道在活水期間能夠達(dá)到生態(tài)流速，具體計算公式如下：

(5)

式中：Rv為全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率，%；Ls為穩(wěn)定活水期間能夠達(dá)到生態(tài)流速閾值的河道長度，m；L為研究區(qū)河道總長度，m。

全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率能夠最為直接地反映優(yōu)化方案活水效果的覆蓋程度，指標(biāo)值80%代表研究區(qū)內(nèi)大部分河道在活水期間能夠達(dá)到生態(tài)流速，視作達(dá)到全域活水的基本要求，因此，本文采用全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率達(dá)到80%作為活水目標(biāo)。

最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為某一時刻生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率達(dá)到最大時對應(yīng)的數(shù)值，能夠反映區(qū)域活水調(diào)控的最大能力，具體計算公式如下：

(6)

式中：Rv，max為最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率，%；Rv,t為活水期間t時刻瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率，%；Lt為活水期間t時刻達(dá)到生態(tài)流速閾值的河道長度總和，m。

考慮活水實施效果，采用區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度來表征一定瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率下能夠持續(xù)活水的時間。瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率一般低于全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率，在制定前者目標(biāo)時應(yīng)適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)閾值，考慮至少有一半以上河道在活水期間某一時刻應(yīng)達(dá)到生態(tài)流速要求，本文選取50%作為瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率參考值。同時，利用區(qū)域內(nèi)瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率超過該達(dá)標(biāo)率參考值能夠持續(xù)的時間占總活水時長的百分比，計算區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度，該值越大代表區(qū)域理想活水效果持續(xù)時間更長。

(7)

式中：Tv為區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度，%；tv為區(qū)域內(nèi)瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率超過50%所持續(xù)的時間，h；tall為總活水時長，h。本文采用區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度達(dá)到50%作為活水目標(biāo)。

此外，全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率能直接反映活水期間各河道達(dá)到生態(tài)流速閾值的情況，因此選取全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率作為主要指標(biāo)，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率和區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度作為備選指標(biāo)，對各潮汐條件下活水效果進(jìn)行定量評價。

2.3.2 活水限制條件

在活水方案優(yōu)化前，首先需考慮城市水系的自然與社會經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能，明確活水限制條件。本文綜合防洪排澇安全、水環(huán)境改善與水資源節(jié)約利用需求，分別提出河道最高水位、最低水深和最大水量3個限制因子?；钏陂g區(qū)域水位不宜超過防洪控制水位，最高水位控制值取為3.2 m。南引河具備景觀、生態(tài)及航運(yùn)功能，區(qū)域內(nèi)其他河道僅具有景觀與生態(tài)功能，活水期間水深據(jù)其功能有特定要求。考慮景觀功能，城市渠化河流最低水深控制在0.2～0.5 m[14]；考慮魚類等水生生物對河流水力形態(tài)指標(biāo)基本要求，《水電工程生態(tài)流量計算規(guī)范：NB/T35091—2016》規(guī)定水深不低于0.3 m，魚類產(chǎn)卵時期水深不低于0.4 m；根據(jù)《南通市內(nèi)河航道網(wǎng)規(guī)劃(2010年)》，南引河以頭興港為界，西、東側(cè)分別為Ⅴ、Ⅵ級航道，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)：GB 50139—2014》規(guī)定Ⅴ、Ⅵ級航道最小水深分別在1.3～1.6 m、1.0～1.2 m。綜上考慮，取南引河斷面平均水深不低于1.6 m、其他河道斷面平均水深不低于0.5 m作為限制條件。為節(jié)約水資源，保證優(yōu)化利用潮動力排水前后區(qū)域總用水量不增加，據(jù)2019年12月3日1次完整排水過程中頭興港上下游實測流量分析測算，表明利用潮汐排水期間排入長江的總水量為262萬m3。

2.4 數(shù)值試驗方案

2.4.1 最不利潮汐條件確定

通過分析研究區(qū)2019年水位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水位全年保持穩(wěn)定，而研究區(qū)下游出口處各場次潮汐特征值差異明顯。因此，對長江潮位/潮差(S3處)進(jìn)行方差檢驗分析。統(tǒng)計可知(表2)，2019年各場次潮汐的平均潮位與潮差在6—10月與11月—翌年5月2個時期間存在明顯差異，兩者在各時期內(nèi)差異不顯著。

表2 頭興港閘(S3)處2019年長江潮位單因素方差分析和顯著性檢驗Table 2 One-way ANOVA and significance test of tides at Touxinggang Sluice

在2段時期內(nèi)分別選取長江潮汐數(shù)據(jù)完備、內(nèi)河水位監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)的典型月(6月、12月)日水位數(shù)據(jù)，對現(xiàn)狀活水方案進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖3)，典型月共計117場潮汐全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為52.3%～60.8%，其中6月第50次潮汐的全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率最低，確定為最不利潮汐條件并進(jìn)行現(xiàn)狀活水方案模擬，發(fā)現(xiàn)整個活水期間研究區(qū)向長江排水量(即區(qū)域上游引調(diào)水量)為226.1萬m3，穩(wěn)定排水期間全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為52.3%，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為42.6%，區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度為0，未達(dá)到預(yù)期活水目標(biāo)，因此，需要對研究區(qū)進(jìn)行活水工程及調(diào)度規(guī)則優(yōu)化。

圖3 典型月各潮汐場次全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率Fig.3 Simulation results of the ecological velocity compliance rate in typical months

2.4.2 水動力提升方法

根據(jù)現(xiàn)狀潮汐作用下長江排水與上游自流補(bǔ)水特征以及不同河道分水規(guī)律，分析活水期間水流空間分布，并通過設(shè)置不同的工程調(diào)控，經(jīng)人工比選提出水系連通優(yōu)化方案。最不利潮汐條件下，分析穩(wěn)定排水期間典型時刻瞬時流量數(shù)據(jù)(圖4，負(fù)值為河道蓄水量減少)可知，潮汐作用下區(qū)域水量呈現(xiàn)“排大于補(bǔ)”的特征，上游瞬時補(bǔ)水流量(54.0 m3/s)相當(dāng)于瞬時排江流量(72.1 m3/s)的74.9%。S3瞬時排江總流量為66.5 m3/s，總流量的39.5%源自頭興港西側(cè)南引河(26.3 m3/s)，其中11.8%源自南引河河道蓄水(3.1 m3/s)，81.4%源自區(qū)域上游水源(21.4 m3/s)，僅6.8%為帶動開發(fā)區(qū)河道排入頭興港的水量(1.8 m3/s)。廟港河瞬時排江流量為5.6 m3/s，其中42.9%為經(jīng)主城區(qū)河道排入頭興港的水量(2.4 m3/s)?？梢?，利用潮汐排水時，區(qū)域上游河道與城區(qū)外圍河道大量水源排入長江，而大幅削弱了帶動城區(qū)活水的潮動力，嚴(yán)重影響了城區(qū)水體的更新流動。因此，活水優(yōu)化方案需考慮完善水系格局、配套工程布局、優(yōu)化工程調(diào)度。

圖4 研究區(qū)最不利潮汐條件下穩(wěn)定排水期間瞬時流量空間分析Fig.4 Spatial analysis of measured instantaneous flow rate during steady flow period under the worst condition in the study area

為避免活水期間水流從點位1、點位2通過南引河經(jīng)點位3流入長江(圖5)，向北延伸三星河，使其與中央河連通，同時在三星河與南引河交匯處布置倒虹吸工程，三星河向南延伸后，向西打通其通江口門4，同時將沿江潮動力運(yùn)用口門由點位3調(diào)至點位4，打造開發(fā)區(qū)活水獨立水系，使得三星河、廟港河分別成為開發(fā)區(qū)與主城區(qū)的活水軸線；將點位5的補(bǔ)水功能調(diào)整至點位6與點位7，實現(xiàn)空間均衡補(bǔ)水。為了改變現(xiàn)有活水方案中各閘泵缺乏統(tǒng)籌調(diào)度、活水路徑混亂、活水效率低下的現(xiàn)狀，優(yōu)化方案將活水調(diào)度分為初始、活水、結(jié)束3個狀態(tài)(圖6)。由于頭興港東側(cè)部分橫向支流無法在同一時期達(dá)到理想流速，為集中局部活水動力，活水狀態(tài)分為2個批次。沿江閘門根據(jù)潮汐與內(nèi)河水位關(guān)系控制閘門啟閉(即長江潮位低于內(nèi)河水位時開啟沿江閘門，否則關(guān)閉)，部分內(nèi)部閘門控制補(bǔ)水時序，局部泵站輔助增強(qiáng)水流，其他未在圖5中出現(xiàn)的閘泵工程，均保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖5 水系格局與工程布局優(yōu)化前后示意Fig.5 Schematic diagram of water system pattern and engineering layout before and after optimization

圖6 優(yōu)化后水利工程調(diào)度規(guī)則示意Fig.6 Schematic diagram of optimized water conservancy project operating rules

3 優(yōu)化方案與結(jié)果分析

3.1 水動力條件改善效果分析

以2019年6月第50場潮過程(最不利潮汐條件)的潮動力作為驅(qū)動條件，針對活水優(yōu)化方案進(jìn)行模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案條件下整個活水期間研究區(qū)向長江排水量(即區(qū)域上游引調(diào)水量)由現(xiàn)狀條件下的226.1萬m3降低至73.4萬m3，節(jié)約了67.5%的水資源利用量，城區(qū)水動力情況較現(xiàn)狀方案有明顯改善?；钏桨竷?yōu)化后，穩(wěn)定排水期間全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率由52.3%提升至94.2%，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率由42.6%提升至85.0%，區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度達(dá)91.8%。可見，優(yōu)化方案在減少外界引調(diào)水量的同時，總體上提高了水循環(huán)速率，縮短了污染物累積時間，顯著改善了水動力條件。

從流速的空間分布來看(圖7)，現(xiàn)狀方案全域流速最大的河段為南引河(頭興港西側(cè))以及頭興港(南引河以南)，城區(qū)內(nèi)與頭興港相交的河道水動力總體較差；在優(yōu)化方案條件下，頭興港兩側(cè)水動力均得到較好改善，且離三星河和廟港河下游段越近，改善效果越明顯。整個活水期間區(qū)域河流流速變化過程(圖7(c))可以看出，優(yōu)化方案下流速大于5 cm/s河道的瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率顯著高于現(xiàn)狀方案，且優(yōu)化方案較現(xiàn)狀方案能在同一潮動力下實現(xiàn)更高的區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度。

圖7 現(xiàn)狀與優(yōu)化方案下穩(wěn)定排水期間流速空間分布及城區(qū)河流瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率變化過程Fig.7 Flow velocity distribution during the stable drainage period under the current and optimized scheme,temporal variations of the instantaneous ecological velocity compliance rate in the city rivers under the current and optimized scheme

對比優(yōu)化前后區(qū)域河道流速可知，多數(shù)河道在活水方案優(yōu)化后流速顯著提升，圖8展示了現(xiàn)狀流動緩慢的典型河道(如靈峰路河、人民路河以及世紀(jì)大道河等)流速變化情況，均從1 cm/s流速提升至5 cm/s以上，各河道達(dá)到生態(tài)流速的時長也明顯增加，如民樂河河道流速達(dá)到5 cm/s的時長由4.5 h提升至12 h。優(yōu)化后的工程布局及調(diào)度作用明顯，研究區(qū)各河道流動性增強(qiáng)、水體更新速度加快，有利于水環(huán)境的改善。

圖8 現(xiàn)狀與優(yōu)化方案下活水期間典型點位流速過程、調(diào)度規(guī)則和潮汐水位Fig.8 Flow velocity process,dispatching plan and tidal level of the typical sites under the current and optimized scheme

3.2 不同潮汐過程下優(yōu)化活水方案分析

為了探討活水優(yōu)化方案在不同潮汐過程下的有效性，進(jìn)一步模擬6月及12月共117場完整潮汐過程，對比各場次潮汐下現(xiàn)狀方案和優(yōu)化方案的全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率、最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率和區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度，如圖9所示。其中，現(xiàn)狀方案的全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為52.3%～60.8%，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為36.6%～51.1%，區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度除6月僅有2次潮過程達(dá)到約2%外，其余潮過程區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度均為0；引入優(yōu)化方案后全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為86.7%～94.6%，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為74.7%～85.3%，區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度為76.3%～95.8%。

圖9 6月及12月各場次潮汐過程下現(xiàn)狀方案和優(yōu)化方案的水動力條件Fig.9 Hydrodynamic conditions of the current and optimized scheme during the tidal period in June and December

在6月與12月多場潮汐條件下，活水方案優(yōu)化后較優(yōu)化前的河網(wǎng)水動力條件均有明顯改善。以全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率為例，6月均值由57.6%提升至90.9%，中位數(shù)由57.7%提升至90.7%；12月均值由56.5%提升至90.5，中位數(shù)由56.7%提升至90.5%?？紤]最大瞬時流速達(dá)標(biāo)率，優(yōu)化前后該指標(biāo)的統(tǒng)計特征值也有顯著提高，表明活水優(yōu)化方案在不同的自然條件下均能利用潮汐過程有效改善河網(wǎng)水動力條件。

4 結(jié) 論

本文以長江下游沿江典型平原城市啟東市為例，綜合考慮確保防洪排澇安全、滿足水功能需求與節(jié)約利用水資源，提出了活水方案優(yōu)化的限制條件；基于水系格局、工程布局、水系連通與閘泵調(diào)度存在問題，提出了基于良性水循環(huán)構(gòu)建的水動力優(yōu)化方法；建立了平原城市感潮河網(wǎng)水動力模型，開展了不同情景方案數(shù)值模擬試驗，基于河流生態(tài)流速閾值指標(biāo)體系評價了優(yōu)化方案相對現(xiàn)狀方案的改善效果。主要結(jié)論如下：

(1) 采用Infoworks ICM水動力數(shù)值模型模擬了現(xiàn)狀活水期間河網(wǎng)水位/流量的時空分布。結(jié)果顯示天然潮汐作用下大量城市外圍河道水源直接排入長江，其穩(wěn)定活水期間瞬時流量占到總?cè)虢髁康?4.9%，與此同時削弱了帶動城區(qū)活水的潮動力，影響研究區(qū)河道的水動力提升。

(2) 基于河道生態(tài)需水理論，建立了以生態(tài)流速為核心的平原河網(wǎng)水動力評價指標(biāo)體系。基于已有研究，分析確定研究區(qū)河流適宜生態(tài)流速閾值為0.05 m/s，并據(jù)此衍生了反映活水覆蓋程度、調(diào)控能力與持續(xù)時間的水動力評價指標(biāo)體系，包括全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率、最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率以及區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度，為量化分析活水優(yōu)化前后河道改善程度提供基礎(chǔ)。

(3) 定量分析了活水優(yōu)化措施對研究區(qū)河網(wǎng)水體流動性的改善程度。在最不利活水的潮汐條件下，研究區(qū)優(yōu)化前后全歷時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率由52.3%提升至94.2%，最大瞬時生態(tài)流速達(dá)標(biāo)率由42.6%提升至85.0%，區(qū)域生態(tài)流速持續(xù)度達(dá)由0提升至91.8%，優(yōu)化效果顯著。代表全年潮汐特征的2個典型月份的所有潮汐過程下該優(yōu)化方案均能實現(xiàn)既定水動力提升目標(biāo)。