復(fù)雜江河湖連通地區(qū)引清調(diào)度方案設(shè)計(jì)研究

王元元，劉增賢，馬農(nóng)樂，錢 旭

(1.太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200000；2.上海東南工程咨詢有限責(zé)任公司，上海 200434)

引清調(diào)度是利用水量的調(diào)節(jié)來調(diào)活水體、增大流速，以改善和修復(fù)水環(huán)境的一種水資源調(diào)度措施，具體是指在保證防汛安全，生產(chǎn)、生活用水，航運(yùn)及重要區(qū)域水環(huán)境的前提下，充分利用外河潮汐動力和清水資源，通過水閘、泵站等工程設(shè)施的調(diào)度，使河網(wǎng)內(nèi)主要河道水體定向、有序流動，加快水體更新速度，提高河水的復(fù)氧能力與自凈能力，進(jìn)而加快水體污染物的降解速度，改善內(nèi)河水質(zhì)的一種水資源調(diào)度方式[1,2]。

國內(nèi)外先后開展了眾多引清調(diào)度實(shí)踐，其中尤以一些跨流域的調(diào)水工程，因其工程規(guī)模巨大、建設(shè)周期較長、涉及范圍廣、經(jīng)濟(jì)效益明顯、環(huán)境影響復(fù)雜等因素備受世人關(guān)注，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有24個(gè)國家和地區(qū)興建了160多項(xiàng)跨流域調(diào)水工程[3]。最早通過水資源調(diào)度改善水質(zhì)的工作始于日本，1964年東京通過調(diào)水增加隅田川河道原有流量，從而有效改善了其水質(zhì)，之后日本陸續(xù)開展多條河流間的引清調(diào)度，效果良好。隨后，這種引水修復(fù)水環(huán)境的方法在其他國家也有廣泛的應(yīng)用，如美國Moses湖的引換水工程、荷蘭Veluwemeer湖的引換水工程，以及德國魯爾河、俄羅斯莫斯科河通過引水修復(fù)水環(huán)境等，均取得了較好的成效。我國也開展了很多引清調(diào)度實(shí)踐，20世紀(jì)80年代中期上海市開始利用水利工程進(jìn)行引清調(diào)度，是我國進(jìn)行水利工程調(diào)度改善水質(zhì)的先例，隨后福州、蘇州、南京、昆明、杭州等地則陸續(xù)開展了通過水資源調(diào)度改善水環(huán)境的試驗(yàn)研究和實(shí)踐[4]。太湖流域從2002年起利用已建治太骨干工程，開展引江濟(jì)太調(diào)水試驗(yàn)，對水資源調(diào)度進(jìn)行了有益探索，成功緩解了2003年、2004年流域嚴(yán)重旱情。2005年起，引江濟(jì)太轉(zhuǎn)入長效運(yùn)行，2009年太湖流域結(jié)合多年實(shí)踐組織編制了《太湖流域引江濟(jì)太調(diào)度方案》，獲得水利部批復(fù)執(zhí)行。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，引江濟(jì)太調(diào)水工程有效調(diào)活了流域水體，加快了水體置換，對于改善太湖局部湖區(qū)水質(zhì)和保障太湖供水安全具有重要意義[5]。

平原河網(wǎng)區(qū)多具有地勢低平、水系發(fā)達(dá)、河網(wǎng)如織、水體流速慢、流向多變等特點(diǎn)，水動力學(xué)條件極其復(fù)雜，特別是江-河-湖連通的平原河網(wǎng)區(qū)，感潮作用明顯，引清調(diào)度成效很大程度上取決于能否最大限度地發(fā)揮水體動力學(xué)特性，其關(guān)鍵是適宜的調(diào)水時(shí)機(jī)和合理的調(diào)度方案。本文選擇典型平原河網(wǎng)區(qū)----太湖流域湖西區(qū)作為研究對象，結(jié)合區(qū)域自身特點(diǎn)和以往調(diào)水實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，圍繞如何選擇適宜的調(diào)水時(shí)機(jī)和設(shè)計(jì)合理的調(diào)度方案，開展分析和討論。

1 典型區(qū)域選擇

湖西區(qū)地處太湖流域上游地區(qū)，北依長江，南接太湖，區(qū)域內(nèi)水文情勢與長江的潮汐現(xiàn)象有著極為密切的關(guān)系。平枯水季節(jié)，沿江口門利用長江漲潮，開閘引長江水補(bǔ)給京杭運(yùn)河、丹金漕河、武宜運(yùn)河、南河(南溪河)、長蕩湖、滆湖及境內(nèi)其他水網(wǎng)，供航行、灌溉以及城市用水，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水流基本為西北-東南流向；在洪水時(shí)期，沿江口門則利用長江落潮開閘排泄境內(nèi)澇水，或利用閘門擋潮，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水流基本為西-東、南-北流向，水流大小與長江潮位密切相關(guān)(見圖1)。

圖1 太湖流域湖西區(qū)水系河網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The river-network structure diagram of Huxi area in the Taihu lake basin

2 以往調(diào)水引流實(shí)踐分析

沿江平原河網(wǎng)區(qū)通過長江潮差引入優(yōu)質(zhì)的長江水，能有效增加河道的環(huán)境容量和水體自凈能力，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一[6]。

2010-2011年間，太湖流域管理機(jī)構(gòu)先后聯(lián)合鎮(zhèn)江、常州兩地水利部門開展了水量調(diào)度與水環(huán)境改善試驗(yàn)，探索沿江口門不同引水工況對于地區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)水體流動性、水質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用沿江口門引調(diào)長江水，可有效加速鎮(zhèn)江、常州地區(qū)河網(wǎng)水體流動，提高水體自凈能力，改善河網(wǎng)水質(zhì)，且水質(zhì)改善程度與沿江口門引水量大小成正比。其中，通過諫壁樞紐、九曲河樞紐這沿江兩大水利樞紐調(diào)水，可在改善鎮(zhèn)江丹陽市城區(qū)水環(huán)境的同時(shí)，對湖西區(qū)鎮(zhèn)江市其他受水區(qū)域(如京杭運(yùn)河呂城段、香草河、丹金溧漕河、通濟(jì)河下段等)水體水質(zhì)起到稀釋作用；通過小河新閘、魏村樞紐、澡港樞紐等沿江水利工程調(diào)水，可有效改善京杭運(yùn)河以北區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)，但對京杭運(yùn)河以南區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)影響較小。其中，澡港樞紐泵站翻引水對常州市區(qū)河道水質(zhì)影響程度要強(qiáng)于魏村樞紐泵站翻引水。

為合理確定湖西區(qū)引江濟(jì)太規(guī)模，發(fā)揮湖西區(qū)沿江口門調(diào)引長江水的能力，2013年太湖流域管理機(jī)構(gòu)又聯(lián)合江蘇省有關(guān)水利部門開展了為期12 d的湖西區(qū)水量調(diào)度與水環(huán)境改善調(diào)度試驗(yàn)。試驗(yàn)通過改變沿江口門引水調(diào)度，監(jiān)測引江水量變化、區(qū)域內(nèi)部骨干河道，如京杭運(yùn)河、丹金溧漕河、武宜運(yùn)河、南河(南溪河)水量水質(zhì)沿程變化，初步摸清了沿江口門引長江水的現(xiàn)狀能力，引江水量與湖西區(qū)河網(wǎng)水量、入太水量的關(guān)系，以及調(diào)水引流對區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)改善的作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[7]，沿江口門引水規(guī)模宜維持在200 m3/s以上，成本效益比較好；沿江口門地理位置不一，相應(yīng)引江水量的影響時(shí)效和影響范圍也不一致。其中，諫壁閘(含諫壁抽水站)、九曲河樞紐原水大約需要190～220 h到達(dá)太湖，主要影響范圍為九曲河與新孟河分水線以西、京杭運(yùn)河常州段以南的區(qū)域；小河水閘原水大約需要120～140 h到達(dá)太湖，主要影響范圍為九曲河與新孟河分水線～丹金溧漕河與扁擔(dān)河分水線～孟津河以東、新孟河與德勝河分水線以西、京杭運(yùn)河常州段以南的區(qū)域；魏村樞紐原水大約需要120～140 h到達(dá)太湖，主要影響范圍為新孟河與德勝河分水線～武宜運(yùn)河(錫溧漕河)以東、德勝河與澡港河分水線以西、京杭運(yùn)河常州段以南的區(qū)域；澡港樞紐原水大約需要110～130 h到達(dá)太湖，主要影響范圍為，德勝河與澡港河分水線～武進(jìn)港以東的區(qū)域，包括老京杭運(yùn)河、京杭運(yùn)河天寧大橋以東河段。

可見，調(diào)水改善水環(huán)境是水環(huán)境綜合治理的重要措施之一，在摸清區(qū)域水流運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過工程調(diào)控，維持一定的流速、實(shí)現(xiàn)水體的有序循環(huán)，是水環(huán)境治理中“活水”工程的具體體現(xiàn)，可以有效地促進(jìn)水體自凈能力提高，從而改善水環(huán)境，但并不能從根本上解決區(qū)域水污染問題。且從區(qū)域調(diào)控實(shí)踐分析可知，引水也存在一定風(fēng)險(xiǎn)，例如在引水初期，污染物會隨水流運(yùn)動而發(fā)生遷移，若上游水體水質(zhì)較差，將會侵占下游水體的環(huán)境容量。因此，從相關(guān)水環(huán)境治理的研究成果來看，調(diào)水改善水環(huán)境必須按照“引水必先治污”的原則進(jìn)行，隨著污染源治理力度的加大，可逐漸減少引水量。

3 調(diào)度方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選

3.1 引水水源分析

充足而安全的水源是調(diào)水引流的重要條件。湖西區(qū)通江河道較多，與長江聯(lián)系緊密。根據(jù)2014年1月-2016年12月長江流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)情況，靠近湖西區(qū)的長江干流大通水文測流斷面水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅲ類。采用大通站1956-2010年實(shí)測徑流系列分析，長江干流多年平均流量約28 000 m3/s，多年平均徑流量約8 800 億m3。月平均最大流量發(fā)生在七八月，月平均最小流量出現(xiàn)在1月，5-10月徑流量占全年徑流總量的70.9%。可見，優(yōu)質(zhì)而充足的長江水可為湖西區(qū)引水提供有利的邊界條件，設(shè)計(jì)通過諫壁樞紐、九曲河樞紐、小河閘、魏村樞紐、澡港樞紐等區(qū)域沿江閘泵工程引長江水入?yún)^(qū)域。

3.2 引水時(shí)機(jī)選擇

3.2.1 閘引能力計(jì)算

湖西區(qū)內(nèi)水文情勢與長江的潮汐密切相關(guān)。一般情況下平枯水季節(jié)，區(qū)域內(nèi)河水位較低，沿江口門利用長江漲潮，開閘引長江水補(bǔ)給京杭運(yùn)河、丹金漕河、武宜運(yùn)河、南河(南溪河)、長蕩湖、滆湖及境內(nèi)其他水網(wǎng)，供航行、灌溉以及城市用水；在洪水時(shí)期，受太湖水位頂托，沿江口門利用長江落潮開閘排泄境內(nèi)澇水，或利用閘門擋潮。但無論是引水效果還是排水效果，都受到長江潮位高低影響。

根據(jù)上海海事局編纂的《2016上海港杭州灣潮汐表》，整理得到江陰站潮位過程。建立長江一維河道模型，以長江大通站流量為上邊界，江陰潮位過程為下邊界，演算得到區(qū)間內(nèi)各斷面潮位過程，由此得到諫壁閘、九曲河閘、小河閘、魏村閘、澡港樞紐閘下水位過程。

考慮沿江口門當(dāng)閘下水位(潮位)高于閘上水位時(shí)，開閘引水。若閘門全開，此時(shí)閘門可看作寬頂堰。按照寬頂堰堰流公式，計(jì)算得到沿江各口門在預(yù)測潮位下的日引水規(guī)模。堰流流量Q計(jì)算公式如下：

(1)

式中：σ為淹沒系數(shù)，自由堰流時(shí)取σ=1；m為包含側(cè)收縮影響在內(nèi)的流量系數(shù)，寬頂堰的流量系數(shù)變化范圍為0.32～0.385，本次考慮通用性，取均值0.35；g為重力加速度；B為節(jié)制閘總凈寬；H為過水?dāng)嗝娓叨?，本次取?jié)制閘閘底高程與潮位的差值；Z為節(jié)制閘內(nèi)外的水頭差，閘外水位取實(shí)際潮位數(shù)據(jù)，閘上水位(即內(nèi)河水位)采用兩種方式確定。

第1種方式是由常州站1925-2015年系列水位數(shù)據(jù)分析得到各月多年平均水位值，作為閘上水位(即內(nèi)河水位)，成果來自江蘇省水文部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表1。第2種方式是在常州站各月多年平均水位基礎(chǔ)上，根據(jù)各口門閘下水位與常州站水位間的經(jīng)驗(yàn)差值，增加“Δ”值作為各閘閘上水位(即內(nèi)河水位)，見表2。第1種方式所采用的內(nèi)河水位相對偏低，各閘內(nèi)外水位差相對較大，利于閘引，稱之為“樂觀估計(jì)”；第2種方式所采用的內(nèi)河水位相對偏高，不利于無動力的閘引，稱之為“保守估計(jì)”。由此計(jì)算得到各閘預(yù)測日引水規(guī)模。

表1 常州站1925-2015年系列月均水位 m

表2 各口門閘下水位與常州站水位間的經(jīng)驗(yàn)差值 m

3.2.2 基于調(diào)水成本的時(shí)段篩選

引調(diào)水成本，特別是引水過程中的泵站運(yùn)行費(fèi)是調(diào)水試驗(yàn)必須考慮的因素之一。根據(jù)以往湖西區(qū)調(diào)水試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，沿江口門總?cè)站髁窟_(dá)到200 m3/s時(shí)，區(qū)域水資源條件得到明顯改善。為了保證本次試驗(yàn)引水效果，提出5個(gè)引水口門總?cè)站髁坎恍∮?00 m3/s，即每日總引水規(guī)模不小于1 728 萬m3的控制條件。當(dāng)閘引不能滿足流量控制要求時(shí)，通過開啟泵站補(bǔ)充引水。本次將連續(xù)12 d內(nèi)開啟泵站時(shí)長最小作為約束條件，初選引水時(shí)段。其中，5-9月潮位較高，5月19日-9月30日間是閘引有利時(shí)段；10月份中的10月10日-10月21日和11月份中的11月11日-11月22日也是可選時(shí)段，見表3和圖2。

表3 引水時(shí)段初選結(jié)果Tab.3 The preliminary optimized time periods

3.2.3 基于歷史水情的時(shí)段篩選

當(dāng)太湖水位大于防洪控制水位時(shí)，進(jìn)行調(diào)水試驗(yàn)會增加防洪壓力，因此需要開展太湖水位與防洪控制水位的對比分析，避免選擇太湖水位不高于防洪控制水位的時(shí)段。分析2000-2010年十年間太湖日均水位與防洪控制水位的關(guān)系，可以看出：3月29日-4月15日、4月22日-6月8日、6月10日-6月11日、6月14日-6月16日、6月24日-7月9日太湖日均水位超過了太湖防洪控制水位。在引調(diào)水成本分析得到的初選引水時(shí)段中，將太湖水位超過防洪水位的時(shí)段排除，同時(shí)剔除時(shí)段長小于調(diào)水總時(shí)長12 d的時(shí)段，優(yōu)選得出調(diào)水時(shí)段如表4和圖3所示。

圖2 預(yù)測潮位下沿江5閘日總引水規(guī)模統(tǒng)計(jì)Fig.2 Daily total water diversion scale of the 5 floodgates along the Yangtse River under the predicted tidal level

表4 基于太湖歷史水位優(yōu)選引水時(shí)段Tab.4 The optimized time periods of water diversion based on the historical Taihu lake level

圖3 2000-2010年太湖日均水位與防洪控制水位對比圖Fig.3 Comparison chart of average daily water level and the flood control level of Taihu lake from 2000 to 2010

3.2.4 基于歷史雨情的時(shí)段篩選

為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，需避免在歷史不利天氣狀況發(fā)生較多的時(shí)段，如降雨較多的時(shí)段引水，因此采用太湖流域逐日平均雨量資料，篩選出降雨較多的時(shí)段，予以排除，以減少不利天氣狀況的影響。

選擇2004-2013年逐日平均雨量作為分析對象，分析得出十年間流域逐日降雨頻次與降雨量，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算初選引水時(shí)段中連續(xù)12 d內(nèi)的總降雨頻次與平均降雨量，分析結(jié)果如圖4所示，可以看出7月10日-9月30日內(nèi)連續(xù)12 d內(nèi)的總降雨頻次在82～115次之間，連續(xù)12 d平均降雨量在23.18～75.26 mm之間，其中9月13日-9月24日間降雨頻次相對較小，為82次；9月19日至9月30日間降雨量相對較小，為23.2 mm。另外，10月10日-10月21日連續(xù)12 d總降雨頻次為58次，總降雨量為8.8 mm；11月11日-11月22日連續(xù)12天總降雨頻次為70次，總降雨量為29 mm；11月12日-11月23日連續(xù)12 d總降雨頻次為70次，總降雨量為30.51 mm。

圖4 初選引水時(shí)段內(nèi)連續(xù)12 d降雨頻次及平均降雨量Fig.4 Frequency and average amount statistics of rainfall for 12 consecutive days during the initial elected water diversion period

綜合考慮太湖日均水位與防洪控制水位關(guān)系對比、逐日平均雨量對比成果，分析得出調(diào)水試驗(yàn)最佳時(shí)段見表5，樂觀估計(jì)方案為9月19日-9月30日或者10月10日-10月21日，保守估計(jì)方案為9月13日-9月24日或者11月11日-11月22日。

表5 基于流域歷史降雨情況優(yōu)選引水時(shí)段Tab.5 The optimized time periods of water diversion based on the historical rainfall of the Taihu lake basin

3.3 方案設(shè)計(jì)及預(yù)期效果分析

3.3.1 方案設(shè)計(jì)

綜合考慮人力、財(cái)力成本與調(diào)水的水環(huán)境改善效益大小，調(diào)度方案按照12 d進(jìn)行設(shè)計(jì)，分3個(gè)階段進(jìn)行，具體包括：第一階段試驗(yàn)主要目的是，通過加快區(qū)域水體循環(huán)，增加水環(huán)境容量，改善引水河道基礎(chǔ)水質(zhì)，避免調(diào)水引流帶來的污水遷移風(fēng)險(xiǎn)。第二階段試驗(yàn)主要目的是，利用閘泵組合引水，加大引江力度，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)長江水流入?yún)^(qū)域腹地，改善區(qū)域內(nèi)部河網(wǎng)水環(huán)境。第三階段試驗(yàn)則考慮成本效益最優(yōu)，利用沿江口門趁高潮引水，以期鞏固引水效果。根據(jù)不同引水時(shí)機(jī)的引排水條件不同，細(xì)化沿江口門組合運(yùn)行方式，得到不同調(diào)度期的具體調(diào)度方案，見表6。

3.3.2 方案預(yù)期效果

以區(qū)域骨干河道丹金溧漕河丹金閘斷面、入太湖湖河道太滆運(yùn)河黃埝橋斷面、殷村港人民橋斷面為分析對象，利用太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬分析不同方案下的水質(zhì)變化，從而判斷方案的優(yōu)劣，見圖5～圖7。分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)度受控期間溶解氧濃度波動明顯，方案1和方案2下溶解氧濃度趨勢不明顯，方案3下溶解氧濃度持續(xù)上升，方案4下溶解氧濃度呈總體上升趨勢。從主要水質(zhì)指標(biāo)化學(xué)需氧量和氨氮來看，受控調(diào)度期間，除人民橋斷面外，其他2個(gè)斷面化學(xué)需氧量濃度變化較為平穩(wěn)，方案3下呈現(xiàn)持續(xù)下降的態(tài)勢；氨氮濃度波動明顯，但不同方案下結(jié)束調(diào)度時(shí)與調(diào)度前基本持平，其中方案1和方案2存在不同程度的污染風(fēng)險(xiǎn)，方案3下氨氮濃度雖有波動，結(jié)束調(diào)度時(shí)下降較為明顯。故綜合分析來看，方案3較優(yōu)。

4 結(jié) 語

鑒于平原河網(wǎng)區(qū)，特別是江-河-湖連通的平原河網(wǎng)區(qū)的獨(dú)特自然地理?xiàng)l件，只有對外江潮位、降雨條件、河網(wǎng)水位、工程能力、運(yùn)行成本等進(jìn)行多因素綜合分析，選擇合適的引水時(shí)機(jī)，才有可能設(shè)計(jì)出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的引清調(diào)度方案，最大地發(fā)揮其水環(huán)境改善效益。同時(shí)，也必須認(rèn)識到，引清調(diào)度雖可有效地促進(jìn)水體自凈能力提高，改善水環(huán)境，但并不能從根本上解決區(qū)域水污染問題。無論是從以往的調(diào)水實(shí)踐分析還是本次模擬計(jì)算結(jié)果來看，引清調(diào)度都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，例如在引水初期，污染物會隨水流運(yùn)動而發(fā)生遷移，若上游水體水質(zhì)較差，將會侵占下游水體的環(huán)境容量，且引清調(diào)度受降雨等不確定因素影響較大，短時(shí)間的引清調(diào)度對于河網(wǎng)水環(huán)境改善的作用極為有限。因此，在實(shí)際的調(diào)度管理工作中，一定要做到“治污”與“引清”兩手發(fā)力，按照“引水必先治污”的原則探索有序的常態(tài)化引清調(diào)度，促進(jìn)河網(wǎng)水體的有序循環(huán)。

表6 調(diào)度方案設(shè)計(jì)Tab.6 The designed scheduling schemes table

圖5 不同方案下各斷面溶解氧濃度變化Fig.5 The variation diagram of dissolved oxygen concentration in different sections under different schemes

圖6 不同方案下各斷面化學(xué)需氧量濃度變化Fig.6 The variation diagram of chemical oxygen demand concentration in different sections under different schemes

圖7 不同方案下各斷面氨氮濃度變化Fig.7 The variation diagram of ammonia nitrogen concentration in different sections under different schemes