太倉市城區(qū)調(diào)水改善水環(huán)境方案研究

呂 犇，高興和，張成鋼，李 昱

（1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2.太倉市水利工程建設(shè)管理處，江蘇 蘇州 215400）

0 引言

太倉市位于江蘇省蘇州市東北部，市域東瀕長江，北接常熟市，西連昆山市，南臨上海市。太倉利用“濱江臨滬”的區(qū)位優(yōu)勢和優(yōu)越的建港條件，經(jīng)濟(jì)正在快節(jié)奏的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)綜合實力一直位居全國百強(qiáng)縣（市）前十之列。由于工業(yè)的快速發(fā)展、人口的急劇膨脹，入河污染量增大，城區(qū)水環(huán)境惡化，內(nèi)部河道時常出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，影響河道景觀和周邊居民生活，與城市發(fā)展不相適應(yīng)。為提升城市品味，營造良好的生活、投資環(huán)境，保障經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，水環(huán)境保護(hù)刻不容緩。

近年來，隨著太倉市水環(huán)境治理力度的加大，河道水質(zhì)已有好轉(zhuǎn)趨勢，但城區(qū)部分河道水質(zhì)情況仍不容樂觀。在采取總量控制排污和提高治污能力等方式的同時，調(diào)水引流是國內(nèi)外認(rèn)可的能夠及時、有效改善區(qū)域水環(huán)境的輔助措施[1-3]，本文研究利用現(xiàn)有工程的優(yōu)化調(diào)度和局部調(diào)水工程的建設(shè)，保證清水持續(xù)、穩(wěn)定、迅速進(jìn)入城區(qū)，提高水環(huán)境容量，達(dá)到改善水環(huán)境的目的。

2 現(xiàn)狀水環(huán)境分析

2.1 現(xiàn)狀水系

太倉屬于太湖流域陽澄淀泖區(qū)，全市水域面積286 km2，已形成“三橫一縱”骨干水系框架，分別為東西向的瀏河、楊林塘、七浦塘和南北向的鹽鐵塘等幾條區(qū)域性河道，承擔(dān)著太倉市防洪、排澇和引水的重要任務(wù)[4]。目前，東西向通江河道入江口均已建閘控制，利用潮汐自流引排水，影響太倉境內(nèi)河道徑流量；南北向河道主要作用為溝通東西水系，調(diào)蓄東西水量。

太倉城區(qū)外部水系條件良好，內(nèi)部河道也是縱橫交錯，南北向的半涇、十八港、橫瀝河—江申涇，東西向的湖川塘、朱涇—致和塘一線構(gòu)成城區(qū)內(nèi)部縱橫的水系框架，構(gòu)成“脈絡(luò)分明”的水網(wǎng)格局，為實現(xiàn)城區(qū)引排水墊定了基礎(chǔ)。另外，結(jié)合老城區(qū)改造，太倉市還建設(shè)了東城河閘站、半涇閘站、北城河防洪閘、西城河閘站等一批防洪排澇建筑物工程，但位置主要集中在西南部老城區(qū)，相對數(shù)量較少，規(guī)模較小。

2.2 現(xiàn)狀水環(huán)境狀況

太倉城區(qū)外圍水環(huán)境隨著區(qū)域引排調(diào)度運(yùn)行方式的不同而有所變化。當(dāng)陽澄淀泖區(qū)域利用潮差引江時，楊林塘、瀏河等骨干引江河道水質(zhì)基本達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)陽澄淀泖區(qū)域往長江排水時，楊林塘、瀏河水質(zhì)受大流量、高水位的上游來流影響，河道水質(zhì)也基本達(dá)到Ⅳ類水要求。當(dāng)區(qū)域沿江口門關(guān)閉不引不排期間，河道流速緩慢，水體流動性能差，加上沿河污染源持續(xù)不斷排放，楊林塘、瀏河河道特別是瀏河老城區(qū)段水質(zhì)可達(dá)Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水[5]。

城區(qū)內(nèi)部河道受點源、面源等污染影響，大部分水質(zhì)較差，主要超標(biāo)因子為COD，部分河道COD濃度甚至在40 mg/l以上。在區(qū)域引江期間，受優(yōu)質(zhì)長江水補(bǔ)充，規(guī)劃區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)有一定改善，但內(nèi)部河道之間由于水位落差小，流量小，改善效果不佳。

3 調(diào)水水利計算

3.1 調(diào)水范圍

根據(jù)太倉市城市發(fā)展規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求及內(nèi)部水環(huán)境存在的具體問題，本次調(diào)水研究范圍主要為太倉城區(qū)，南北分別以區(qū)域骨干河道瀏河、楊林塘為界，東到石頭塘，西至改道的吳塘，規(guī)劃總面積129 km2。見圖1。

圖1 太倉城區(qū)調(diào)水范圍平面圖

3.2 調(diào)水目標(biāo)

河道水質(zhì)以COD控制，通過科學(xué)合理的工程措施，使得水質(zhì)達(dá)到水功能區(qū)景觀水Ⅳ類水要求，即COD濃度降至30 mg/l以下，水體透明度提高，視覺感觀明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到河網(wǎng)水質(zhì)有明顯改善的目的。

3.3 調(diào)水計算模型

水利計算采用一體化水質(zhì)水量計算模型進(jìn)行模擬計算，該模型由河海大學(xué)開發(fā)，目前在太湖流域應(yīng)用廣泛[6]。計算年份采用區(qū)域引、排水量均較少的平水年2000年作為設(shè)計典型年。

3.3.1 河網(wǎng)水量模型

模型計算范圍為整個太湖流域，面積約36895 km2。模型包括湖、蕩等零維模型和河網(wǎng)一維模型。模型采用四點線性隱式格式進(jìn)行離散求解。

其中河網(wǎng)一維非恒定流動方程組為：

式中：

Q—旁側(cè)入流；

Q、A、B、Z—分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；

Vx—旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為零；

K—流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力；

α—動量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

3.3.2 污染負(fù)荷及水質(zhì)模型

污染負(fù)荷模型分為產(chǎn)生模塊和處理模塊兩大部分。產(chǎn)生模塊計算各種污染源的產(chǎn)生量；處理模塊計算污染物經(jīng)過各個不同處理單元后的污染負(fù)荷入河量。水質(zhì)模型由太湖二維水質(zhì)、河網(wǎng)水質(zhì)和節(jié)點水質(zhì)模型組成，本次計算為河網(wǎng)一維水質(zhì)模型。水質(zhì)模型與水量模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進(jìn)行數(shù)值離散。

將太湖流域平原河網(wǎng)概化為一維模型要素，其水質(zhì)模型的通用方程如下所示：

式中：

A—斷面面積，m2；

C—某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度，mg/L；

t—時間，s；

Ex—縱向分散系數(shù)，m2/s；

U—斷面平均流速，m/s；

S—某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項，g/（m3·d）；

Sw—某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項，g/s。

其中Ex由下式求得：

式中：

αe—系數(shù)，取 0.01；

C0—謝才系數(shù)；

θ—斷面寬深比；

q—斷面平均單寬流量，m3/s。

4 調(diào)水方案設(shè)計

城區(qū)水環(huán)境的改善，根本措施是對污染源的治理，必須推行以截污控污為基礎(chǔ)，減少入河污染物總量[7-8]。目前，太倉城市集污、治污等基礎(chǔ)設(shè)施正在不斷建設(shè)、完善的過程中，在此情況下，調(diào)水是及時、有效地改善區(qū)域水環(huán)境的輔助措施。近階段可根據(jù)現(xiàn)有條件，利用周邊清潔水源，通過修建引水、調(diào)水工程設(shè)施和對城區(qū)水利工程的優(yōu)化調(diào)度，改善城區(qū)河道水動力條件，增加水環(huán)境容量，達(dá)到改善水環(huán)境目的。

4.1 引水水源確定

楊林塘河道西接陽澄湖，東至長江，全長43 km。入江口建有楊林閘，按照區(qū)域要求實現(xiàn)引排江的自由控制。根據(jù)多年引排水量分析，楊林閘多年平均引江水量為0.9億m3。目前，楊林塘已由交通部門實施擴(kuò)大，設(shè)計河底寬45 m，河底高程-0.58 m，河道規(guī)模擴(kuò)大，引江能力較之前有了較大幅度擴(kuò)大。

瀏河西接婁江達(dá)太湖，東至長江分泄太湖東北陽澄地區(qū)來水。目前瀏河為陽澄區(qū)所有通江河道中規(guī)模最大的河流，河道平均底寬超過60 m，引排能力強(qiáng)，多年平均引水量為3.6億m3。瀏河現(xiàn)狀以排水為主，且穿過太倉西南部老城區(qū)，兩側(cè)工業(yè)排污口相對較多，在非引江期間水質(zhì)劣于楊林塘。

在區(qū)域引江或排水期間，受長江水補(bǔ)充或上游來水量的加大的影響，水體得到不斷交換，水環(huán)境容量較大，兩河道水質(zhì)整體相差不大，總體水環(huán)境較好。根據(jù)近些年楊林塘、瀏河實測水質(zhì)監(jiān)測資料顯示，瀏河振東渡口斷面全年平均COD濃度21.16 mg/l，楊林塘年均COD濃度略低，均能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。水體透明度尚可，視覺感觀較好，均能作為引水水源，滿足城區(qū)內(nèi)河景觀用水要求，為城區(qū)引水改善水環(huán)境提供水源保證。

4.2 調(diào)水思路分析

調(diào)水方案擬通過“設(shè)站抽引、全線控制”的方式實現(xiàn)太倉城區(qū)引水自如，滿足水環(huán)境改善需要。針對太倉城區(qū)地形平坦、河道流動缺乏自然動力的特點，擬在區(qū)域中部兩條南北向骨干河道鹽鐵塘、十八港入楊林塘或瀏河口設(shè)置引水泵站，通過抽引楊林塘或瀏河清水給城區(qū)河道換水；另外，城區(qū)河道與外圍水系溝通口門多，為防止引水時水量的散失，影響換水效率和效果，須將區(qū)域內(nèi)所有與外河連接的較大口門建立控制，通過節(jié)制閘輪換啟閉，調(diào)整部分區(qū)域排水方向，實現(xiàn)城區(qū)內(nèi)部河道輪流換水的靈活調(diào)度和水的有序流動。

4.3 調(diào)水方案擬定

適宜的調(diào)水流量是河道換水時間和水流流速的必要保證。根據(jù)城區(qū)河道分布、過流能力、調(diào)水要求等，比選了單站流量10 m3/s、20 m3/s、30 m3/s的3種引水規(guī)模。根據(jù)河網(wǎng)水質(zhì)計算成果分析，規(guī)模為10 m3/s時，城區(qū)引水流量小，退水河道半涇及鄰近河道斷面水質(zhì)平均COD濃度仍在30 mg/l以上，流速低，一次調(diào)水時間長，6～10 d左右大部分河道才能達(dá)到換水要求；規(guī)模增至20 m3/s時，退水河道半涇及鄰近河道斷面COD濃度較10 m3/s時有顯著下降，水質(zhì)改善效果明顯，且引水流量加大，城區(qū)完成1次調(diào)水時間縮減至3 d左右，此時，城區(qū)部分河道最大流速接近河道不沖流速；當(dāng)流量進(jìn)一步加大至30 m3/s時，城區(qū)部分河道最大流速超過不沖流速，易引起河床不穩(wěn)。經(jīng)綜合分析，確定單站引水規(guī)模采用20 m3/s。

由于楊林塘和瀏河都能作為引水水源，根據(jù)引水泵站位置的不同，城區(qū)調(diào)水方案擬定3個方案：①“楊林泵引”方案：在鹽鐵塘、十八港入楊林塘口各設(shè)1座泵站，流量均為20 m3/s，利用泵站抽水進(jìn)入城區(qū)，清水由北向南，并通過內(nèi)部河網(wǎng)及現(xiàn)有建筑物調(diào)控給城區(qū)各河道送水，瀏河、吳塘、石頭塘等作為退水河道；②“瀏河泵引”方案：在鹽鐵塘、十八港入瀏河口各設(shè)1座泵站，流量均為20 m3/s，利用泵站抽水進(jìn)入城區(qū)，清水由南向北，并通過內(nèi)部河網(wǎng)及現(xiàn)有建筑物調(diào)控給城區(qū)各河道送水，楊林塘、吳塘、石頭塘等作為退水河道；③“兩側(cè)泵引”方案：在鹽鐵塘、十八港入楊林塘、瀏河南北河口各設(shè)泵站1座，流量均為10 m3/s，同時利用2個水源，引水從南、北側(cè)瀏河、楊林塘開始向城區(qū)送水，為盡量減少引、排水時的回籠水影響，退水河道選為非水源河道吳塘和石頭塘。2000年型3個方案城區(qū)主要斷面（01）平均濃度調(diào)水前后比較見表1。

4.4 調(diào)水方案比較

4.4.1 改善效果

根據(jù)各方案COD濃度分析，3個方案城區(qū)絕大部分河道水質(zhì)均有明顯改善，平均COD濃度下降至30 mg/l以下，滿足水環(huán)境改善要求。但由于工業(yè)點、居民點基本集中于西南部的中心城區(qū)，“瀏河泵引”和“雙側(cè)泵引”方案均存在“南水北調(diào)”現(xiàn)象，外引清水送入城區(qū)河道的同時，也將南部中心城區(qū)污水往城區(qū)北部河道或中部東西側(cè)河道輸送，使城區(qū)河道污染面擴(kuò)散趨勢，影響城區(qū)水環(huán)境改善整體效果?！皸盍直靡狈桨盖逅纤?，順應(yīng)自然水勢，主退水口位于中心城區(qū)邊緣，既避免了污水向城區(qū)集中的局面，又保證城區(qū)自身污水以最短的距離排入外河，最大程度減輕污水外排時對城區(qū)內(nèi)部周邊河道的影響，水環(huán)境整體改善效果較好。

4.4.2 退水影響

區(qū)域水環(huán)境改善沿江口門調(diào)度原則為“在區(qū)域形成大引大排的治理格局后，區(qū)域沿江口門瀏河以排水為主，其余沿江口門能引則引，從而增加河網(wǎng)水體流動”?！盀g河泵引”方案引瀏河水進(jìn)入城區(qū)，退水入楊林塘，與區(qū)域水環(huán)境治理方向不一致，楊林塘西側(cè)連接陽澄湖，在楊林塘引江期間遇城區(qū)換水時，退水易對陽澄湖水質(zhì)產(chǎn)生不利影響?！半p側(cè)泵引”方案退水入中部東西兩側(cè)的吳塘和石頭塘，兩側(cè)城區(qū)泵站引水時，易形成回籠水，影響水質(zhì)改善效果?！皸盍直靡狈桨敢龡盍痔了?，經(jīng)城區(qū)河道后退水入瀏河，與區(qū)域整體水環(huán)境治理格局相符，既保證了引水水源水質(zhì)，退水對周邊區(qū)域基本不存在影響。

4.4.3 工程投資

“楊林泵引”和“瀏河泵引”方案主要工程內(nèi)容相同，“雙側(cè)泵引”方案雖增加2座泵站，但泵站總流量與前面2個方案相同，其余工程內(nèi)容也是一致的，因此，3個方案在工程投資上基本相當(dāng)。

經(jīng)綜合分析，太倉市城區(qū)調(diào)水改善水環(huán)境方案推薦采用“楊林泵引”方案。

4.5 調(diào)水工程建設(shè)

考慮結(jié)合城市防洪工程建設(shè)，“楊林泵引”方案共計新建引排水樞紐建筑物4座；骨干河道與外河相通處共設(shè)控制閘26座，包括：16 m節(jié)制閘2座，8 m節(jié)制閘4座，6 m節(jié)制閘5座，4 m節(jié)制閘15座。

根據(jù)太倉水利局分期實施計劃，目前，十八港南樞紐及十八港河道整治已完工，十八港北樞紐正在建設(shè)，即將發(fā)揮效益?，F(xiàn)階段，在鹽鐵塘南、北樞紐及部分口門尚未完成時，可充分利用現(xiàn)有水利工程，開啟西側(cè)、南側(cè)口門自流排水，讓部分區(qū)

域河道先期流動起來，改善水質(zhì)。

表1 2000年型各方案城區(qū)主要斷面COD平均濃度調(diào)水前后比較表單位：mg/l

5 效益分析

太倉市城區(qū)調(diào)水改善水環(huán)境工程實施后，效益主要體現(xiàn)在通過定期引清釋污促進(jìn)河網(wǎng)水體流動，城區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)明顯改善由此帶來的一系列環(huán)境效益、社會經(jīng)濟(jì)效益及防洪除澇效益。

（1）環(huán)境效益

通過引調(diào)水工程，增加河網(wǎng)水動力條件，增強(qiáng)水體自凈能力，加大水環(huán)境容量，引水期間可將城區(qū)水體從Ⅴ類或劣Ⅴ水提高至景觀水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)或更高，水體COD指標(biāo)濃度下降至30 mg/l以下，河道生態(tài)能力恢復(fù)，有利于形成生物多樣性的自然生態(tài)環(huán)境，改變城區(qū)水環(huán)境面貌。

（2）社會經(jīng)濟(jì)效益

太倉城區(qū)調(diào)水改善水環(huán)境工程屬于無直接收益的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，受益的是城市整體。工程的實施，對于改善水環(huán)境污染、恢復(fù)自然生態(tài)環(huán)境、改善市民生活環(huán)境、拉動河道兩岸土地的增值、提升城市綜合競爭力具有極大的促進(jìn)作用，其社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）防洪除澇效益

太倉城區(qū)規(guī)劃調(diào)水格局形成后，可通過節(jié)制閘的合理調(diào)度，提高城區(qū)防洪能力。外河高水位時關(guān)閘擋洪，低潮時開閘排水，通過閘門的靈活調(diào)度，合理利用兩高兩低潮位。城區(qū)內(nèi)河最高水位可控制在4.0 m以下，比現(xiàn)狀降低近30 cm，如在關(guān)閘期間配合雙向泵站抽排，內(nèi)河水位可降得更低，進(jìn)一步提高城區(qū)防洪安全，防洪效益明顯。

6 結(jié)語

改善太倉城區(qū)河道水環(huán)境質(zhì)量，根本出路在于加強(qiáng)治污力度，以及對城區(qū)上游地區(qū)污染物來量有效控制。目前，在對污染源尚未完全控制的情況下，調(diào)水引流作為及時、有效地改善區(qū)域水環(huán)境的輔助措施，可以快速提高太倉市城區(qū)河道水環(huán)境容量，降低水體COD指標(biāo)濃度，讓水體有序流動起來，改善水環(huán)境，為其他城市水環(huán)境治理提供參考價值。