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(diào)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(diào)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(diào)控研究，利用閘泵堰等水利工程進行聯(lián)合調(diào)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(nèi)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?qū)儆诟叨瘸擎?zhèn)化的平原河網(wǎng)區(qū)，內(nèi)部水系豐富，水利工程較為完善，具備較強的調(diào)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(zhì)尚可，但因引水難進入中小河道，部分中小河道水質(zhì)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(zhì)受污染，部分河道水質(zhì)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(zhì)），充分利用優(yōu)質(zhì)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(nèi)部調(diào)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(diào)度、聯(lián)合調(diào)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(diào)度試運行試驗，通過精準調(diào)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(nèi)水質(zhì)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(nèi)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(gòu)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(jié)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(nèi)[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(zhì)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(zhì)特點[10-11]，選取以下日常易超標的水質(zhì)監(jiān)測指標：溶解氧（DO）質(zhì)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(zhì)監(jiān)測點在試驗開始前和試驗結(jié)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(jié)束后對重要點位繼續(xù)監(jiān)測水質(zhì)16 d，并關注試驗結(jié)束后水質(zhì)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(diào)試穩(wěn)定后，開展關鍵監(jiān)測點位全局測量，獲得內(nèi)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(diào)度，調(diào)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(diào)度方案。

為分析不同調(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)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(nèi)部工程調(diào)度共分成引水期、調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度方案；調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度期，研究范圍內(nèi)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(diào)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(jié)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(zhì)變化過程分析

4.2.1 水質(zhì)總體變化情況活水試驗前后，研究范圍內(nèi)大部分河道監(jiān)測點位的水質(zhì)改善效果非常明顯（表5）。試驗前所有監(jiān)測點位的水質(zhì)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(zhì)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(zhì)變化情況試驗期間引水沿線重要點位水質(zhì)指標變化情況見圖6?？梢?，水質(zhì)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(zhì)變化Fig. 6 Variation of water quality during the field test

4.3 試驗結(jié)束后水質(zhì)變化過程分析

試驗結(jié)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(zhì)進行了跟蹤監(jiān)測，不同水質(zhì)指標均出現(xiàn)了一定程度的反彈，但大部分點位各水質(zhì)指標在監(jiān)測時間（引水結(jié)束后16 d）內(nèi)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(jié)束后水質(zhì)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(nèi)都仍低于本底值，白蕩河、南童子河在試驗結(jié)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(jié)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(nèi)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(jié)束后逐漸反彈至本底值，但在監(jiān)測時間內(nèi)都仍處于Ⅲ-Ⅳ類；溶解氧濃度在監(jiān)測時間內(nèi)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(jié) 語

通過數(shù)學模型開展水動力調(diào)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(nèi)部河道流量分配情況，確立了啟用城區(qū)內(nèi)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(jié)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(zhì)效果明顯，但需要強化日常監(jiān)測，對部分水質(zhì)異常點位開展污染源解析工作，根據(jù)水質(zhì)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?；钏?，保持水質(zhì)穩(wěn)定。本文開展現(xiàn)場試驗后各點位水質(zhì)指標有明顯提升，大部分水質(zhì)指標在引水結(jié)束后16 d內(nèi)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(zhì)在試驗結(jié)束后反彈明顯?？梢?，應注重開展污染源解析，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。