李 衛(wèi) 東,閔 勇,施 順 成,唐 仁,鐘 栗,尹 洋 洋
(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.蘇州規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,江蘇 蘇州 215128; 3.博雅達(dá)勘測規(guī)劃設(shè)計集團有限公司,江蘇 蘇州 215128)
太湖流域地處長江下游,經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口密集、城市集中,流域內(nèi)湖蕩密布、河港縱橫,地勢低洼、平坦,河道比降小,水流往復(fù)不定[1]。流域獨特的平原河網(wǎng)為流域經(jīng)濟社會發(fā)展提供了良好的水利條件,同時也決定了流域防洪、水資源、水環(huán)境等問題的復(fù)雜性、艱巨性。21世紀(jì)初,隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展,受污染物過度排放、城市建設(shè)開發(fā)侵占水域以及人類活動等影響,流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。經(jīng)過近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和嚴(yán)格污染管控治理,流域內(nèi)節(jié)水減排工作成效明顯,河湖水質(zhì)狀況有明顯好轉(zhuǎn)趨勢,重點水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率從2005年僅有的19.2%提升至2020年的80%[2],入河湖污染逐步削減,但龐大的經(jīng)濟總量和人口密度使得污染物排放量仍然超出區(qū)域水環(huán)境承載力,流域水環(huán)境問題依然不容樂觀。
生態(tài)補水作為太湖流域平原水網(wǎng)城市促進水體有序流動、增強自凈能力、改善河網(wǎng)水質(zhì)、抑制藍(lán)藻、修復(fù)生態(tài)的有效舉措,在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用并取得顯著成效。20世紀(jì)60年代,日本、美國等發(fā)達(dá)國家學(xué)者已就河道水動力提升能否改善河網(wǎng)水質(zhì)等一系列問題開展了室內(nèi)試驗、原型觀測和數(shù)值模擬等多方面的研究,并形成了不少成功案例[3]。21世紀(jì)以來,為提升城市水環(huán)境面貌,平原水網(wǎng)城市中心城區(qū)特別是太湖流域大力開展了生態(tài)補水方案及措施研究,通過新建補水泵站、增設(shè)活動堰等一系列工程措施,配合科學(xué)化、精準(zhǔn)化和精細(xì)化調(diào)度,適時補入周邊地區(qū)優(yōu)質(zhì)水源,增大城區(qū)河網(wǎng)流速,提升河道水環(huán)境容量和水體自凈能力。
太湖流域平原水網(wǎng)城市中心城區(qū)水環(huán)境提升作為一項綜合性的系統(tǒng)工程,受防洪能力提升、水資源配置優(yōu)化、水生態(tài)環(huán)境保護修復(fù)等多方因素牽制,相互影響,互相制約。本文以蘇州市古城區(qū)為研究對象,在“自流活水”工程運行投入的基礎(chǔ)上,立足城區(qū)活水存在的主要問題和水質(zhì)提升進入“擴面、提效”的現(xiàn)實需求,建立了城區(qū)生態(tài)補水?dāng)?shù)學(xué)模型并開展城區(qū)汛期水源補給研究,以提高區(qū)域水體流動性和改善河網(wǎng)水質(zhì)為目標(biāo),提出中心城區(qū)生態(tài)補水方案,進一步提升城區(qū)活水保障,并為太湖流域其他類似平原水網(wǎng)城市開展生態(tài)補水提供理論依據(jù)和參考借鑒。
蘇州中心城區(qū)主要指蘇州城區(qū)大包圍區(qū)域,為城市核心區(qū)域,主要以姑蘇區(qū)為主,以及周邊由于水系溝通、堤防分割納入同一防洪區(qū)的吳中區(qū)運北地區(qū)、工業(yè)園區(qū)西部局部區(qū)域,總面積87.8 km2。該區(qū)域地勢平緩,河道縱橫有序,水系呈發(fā)散性網(wǎng)狀分布,水系保護完整,是典型的江南水鄉(xiāng)。中部為環(huán)繞古城的環(huán)城河,環(huán)城河內(nèi)水系較為發(fā)達(dá)。以環(huán)城河為中心,分別有西塘河、元和塘、外塘河等11條骨干河道向外輻射分布,連接大運河及區(qū)域河網(wǎng)。
為加快提升古城區(qū)河道水質(zhì),2012年蘇州市水利局開展《蘇州古城區(qū)河網(wǎng)“自流活水”方案研究》[4],提出通過“因勢利導(dǎo)、江湖共濟、雙源補水、三點配水、活水自流、惠及周邊”等措施,人工實現(xiàn)平原河網(wǎng)水頭差,營造古城南北相對水勢,實現(xiàn)古城“自流活水”[11]。“自流活水”是古城區(qū)河道水質(zhì)提升的重要環(huán)節(jié)?,F(xiàn)有“自流活水”為雙水源供水格局,一路為西塘河引望虞河來水,由裴家圩樞紐引望虞河水,經(jīng)西塘河兩岸封閉補水在錢萬里橋進入環(huán)城河;另一路為外塘河引陽澄湖來水,利用外塘河樞紐,經(jīng)外塘河在塘坊灣橋處送入環(huán)城河[5],城區(qū)活水工程及河道水流流向分布見圖1。
根據(jù)2015~2019年5 a水質(zhì)監(jiān)測資料分析,自2012年蘇州水質(zhì)提升行動實施以來,特別是2013年重點工程“自流活水”投運并持續(xù)常態(tài)運行,城區(qū)河道水質(zhì)提升明顯并相對保持穩(wěn)定,河道水質(zhì)由原來的Ⅴ類、劣Ⅴ類普遍提升至Ⅳ類,部分指標(biāo)為Ⅲ類。“活水期間”,姑蘇區(qū)內(nèi)南北形成穩(wěn)定水勢,結(jié)合外圍控制樞紐的聯(lián)合調(diào)度形成“望虞河、陽澄湖”雙源補水格局,城區(qū)河道總體形成由北向南、由東向西流向,全城活水局面初步形成。但經(jīng)過這幾年的實踐運行,城區(qū)“自流活水”格局也面臨諸如現(xiàn)有活水體系難以保證整個城區(qū)活水需求、古城區(qū)河道東西向流動性不足、汛期受運河聯(lián)合調(diào)度限制入城供水量不足和雙源供水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等問題。為系統(tǒng)解決上述問題,恢復(fù)周邊區(qū)域水體流通及活水的迫切需求,亟需開展古城區(qū)生態(tài)補水方案研究,通過生態(tài)調(diào)控等措施,恢復(fù)城區(qū)河道原有生境。
為提高模型的可信度和計算的準(zhǔn)確度,本次模型構(gòu)建選用丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE模型。MIKE模型是目前水利工程領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛且已經(jīng)過大量實驗證明,并得到諸多水利工程師好評,是適用于太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)一維非恒定流穩(wěn)定計算的標(biāo)準(zhǔn)工具。該模型由降雨徑流(RR)、水動力(HD)、非黏性泥沙輸運模塊(ST)、對流擴散(AD)、水質(zhì)(EcoLab)以及洪水預(yù)報等諸多模塊組成,以水動力模塊為核心,本次研究擬采用水動力模塊和對流擴散模塊耦合模型進行生態(tài)補水方案計算。
2.1.1水動力模塊(HD)
MIKE11水動力模塊的構(gòu)建主要包括河網(wǎng)文件(.nwk11)、斷面數(shù)據(jù)(.xns11)、邊界條件(.bnd11)、模型參數(shù)文件(.hd11)4部分,再由這幾部分共同生成模擬文件(.sim)。水動力學(xué)模塊參數(shù)包括:河道長度、斷面尺寸、斷面形狀、河道糙率、水面率、水工建筑物規(guī)模和調(diào)度方式等。HD模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程,即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)[6]。
質(zhì)量守恒(連續(xù)性)方程:
(1)
動量守恒(動量)方程:
(2)
式中:Q為流量,m3/s;q為側(cè)向入流,m3/s;A為過水面積,m2;h為水位,m;R為水力半徑,m;C為謝才系數(shù);α為動量修正系數(shù)。
2.1.2對流模塊(AD)
MIKE11水質(zhì)模塊是模擬河網(wǎng)水體中的可溶性物質(zhì)和懸浮物物質(zhì)對流擴散的工具,具體包括水質(zhì)組成(component)、初始條件(Int.Cond.)、衰減系數(shù)(Decay)、擴散系數(shù)(Dispersion)以及附加輸出結(jié)果(Add.output)5部分。該模塊根據(jù)HD產(chǎn)生的水動力條件,應(yīng)用對流擴散方程進行計算,并設(shè)定一個恒定的衰減常數(shù)模擬非保守物質(zhì),模擬物質(zhì)在水體中的對流和擴散過程。[7,9-10]污染物對流擴散方程為
河道方程:
(3)
河道叉點方程:
(4)
式中:Q,Z是流量及水位;A是河道面積;Ex是縱向分散系數(shù);C是水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω是河道叉點-節(jié)點的水面面積;j是節(jié)點編號;I是與節(jié)點j相連接的河道編號;Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項。
2.2.1河網(wǎng)與水工建筑物概化
基于對研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)及水利工程現(xiàn)狀的調(diào)研,本次模型概化范圍為蘇州城區(qū)“自流活水”區(qū)域,面積為74 km2,涉及水工建筑物主要包括中心城區(qū)城市大包圍防洪工程及其他閘站樞紐。累計概化河道329條、斷面2 987個、可控建筑物139處,河道長度共計156 km,其中斷面數(shù)據(jù)采用實測數(shù)據(jù),測量斷面間距在30~100 m,基本反映了河道現(xiàn)狀實際情況。水利工程規(guī)模按照實際調(diào)研資料設(shè)置,調(diào)度原則以實際調(diào)度規(guī)程為依據(jù)。概化后的河網(wǎng)中最大計算節(jié)點間距為200 m,共有726個水位計算點,388個流量計算點。模型概化結(jié)果見圖2。
圖2 蘇州市中心城區(qū)河網(wǎng)與水工建筑物概化示意Fig.2 The generalized diagram of the river network and hydraulic buildings in the downtown area of Suzhou
2.2.2模型計算條件
(1) 污染源條件。本次計算點源涉及污水廠排污口,非點源涉及城鎮(zhèn)生活污染源,其中點源根據(jù)排污口的位置直接加入到概化的河網(wǎng)中,非點源根據(jù)流入的河道分布概化到一定長度的河道中,計算按完全混合模型進行計算。根據(jù)規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)分析,河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀基本處于Ⅲ~Ⅳ類,通過在概化河網(wǎng)中投加適量NH3-N污染,使得現(xiàn)狀工況、常水位條件下規(guī)劃范圍內(nèi)部河道水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅲ~Ⅳ類水平,并使用同斷面的全年平均實測氨氮濃度進行驗證,確保與現(xiàn)狀水質(zhì)基本一致。
(2) 邊界條件。模型中共設(shè)置38處邊界,研究區(qū)內(nèi)部分?jǐn)囝^浜作為閉邊界處理。水動力開邊界條件根據(jù)蘇州(二)站水文分析成果,取工程區(qū)域地區(qū)近64 a多年平均水位2.9 m;水質(zhì)開邊界條件取用2015~2019年5 a全年平均水質(zhì)監(jiān)測實際數(shù)據(jù)。
(3) 初始條件。根據(jù)蘇州大包圍內(nèi)河道的2015~2019年多年平均實測氨氮濃度設(shè)置污染源,并以該現(xiàn)狀水質(zhì)情況作為水質(zhì)初始條件。沒有實際監(jiān)測資料的河道,以現(xiàn)狀工況下添加污染源計算穩(wěn)定時的結(jié)果作為水質(zhì)初始條件。
2.3.1參數(shù)設(shè)置
影響本次模型準(zhǔn)確性的主要參數(shù)包括河道糙率和水質(zhì)降解系數(shù)。其中河道糙率參照《水力計算手冊(第二版)》要求,取0.025~0.035;水質(zhì)降解系數(shù)依據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者對太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)各類水體的NH3-N和TP衰減規(guī)律研究成果,分別取0.06 d-1和0.07 d-1[8]。
2.3.2模型驗證
通過模擬古城區(qū)“自流活水”現(xiàn)狀條件下工程調(diào)度措施,分析北護城河入城流量、堰上堰下水頭差以及古城區(qū)內(nèi)部河道水質(zhì)變化,并與實測數(shù)據(jù)進行對比,以驗證模型能否正常運行,參數(shù)設(shè)置是否合理,模型模擬是否符合實際。經(jīng)模型計算,西塘河與外塘河同時補水20 m3/s,通過啟用閶門堰與婁門堰,經(jīng)北護城河入城流量大概為10~15 m3/s,且堰上堰下水頭差為0.045 m,符合現(xiàn)狀“自流活水”效果。同時以蘇州大包圍2019年實測氨氮濃度設(shè)置污染源,并以該現(xiàn)狀水質(zhì)情況作為水質(zhì)初始條件。沒有實測資料的河道,以現(xiàn)狀工況下添加污染源計算穩(wěn)定時的結(jié)果作為水質(zhì)初始條件。經(jīng)模擬分析,古城區(qū)19處水質(zhì)監(jiān)測斷面模擬誤差在15%以內(nèi),水質(zhì)模型模擬結(jié)果基本反映了古城區(qū)河道水質(zhì),表明參數(shù)取值是基本合理的。
根據(jù)蘇州市區(qū)水系“四湖供清水”(太湖、漕湖(望虞河)、陽澄湖和澄湖)空間布局,遵循周邊水源條件和就近取水原則,在現(xiàn)狀“自流活水”體系下,城區(qū)水系現(xiàn)有以北部望虞河、陽澄湖雙源供水基礎(chǔ)上,考慮新增太湖水作為補充水源,實現(xiàn)南北互補,滿足靈活引排需求。根據(jù)現(xiàn)狀城區(qū)與大太湖和東太湖之間的區(qū)域水系分布,初擬兩條引太湖水入城線路:“大太湖補水方案”和“東太湖補水方案”,如圖3(a)所示。
(1) 線路一?!按筇?城外段胥江-穿運河送入城區(qū)段胥江入城” 充分利用太湖與城區(qū)之間歷史水道,利用古人治水智慧,順應(yīng)自然為古城區(qū)送水。但隨著歷史變遷、城市發(fā)展、水系演變等,胥江城外段(運河以西段)入城條件已發(fā)生變化;同時大太湖藍(lán)藻密度偏高,且沿途穿木瀆、胥口等鎮(zhèn)區(qū),人口較為密集,污水排放量大,入城水質(zhì)難以保證。
(2) 線路二?!皷|太湖-小石河-石湖-越城河穿運河-胥江入城”充分利用現(xiàn)有引水通道引東太湖水入城。東太湖水是太湖湖體水質(zhì)最好的湖區(qū),常年Ⅱ~Ⅲ類水,引水水質(zhì)較好;且汛期東太湖藍(lán)藻明顯少于大太湖,可滿足汛期城區(qū)活水需求;同時送水距離短,工程內(nèi)容少、相對經(jīng)濟。
經(jīng)從補水水源水質(zhì)、補水距離、補水通道水量水質(zhì)保障度、對周邊地區(qū)的影響等方面綜合分析(見表1),擬定線路二作為本次生態(tài)補水線路,即“東太湖補水方案”:就近取用東太湖優(yōu)質(zhì)水源,利用現(xiàn)有石湖引清通道往北過運河,將東太湖清水送入城區(qū)段胥江(運東),利用胥江西水東送順勢入城,形成東太湖-小石河-石湖-越城河穿運河-胥江-城區(qū)河網(wǎng)的補水線路。
根據(jù)補水線路沿線河道分布,運河以南段利用現(xiàn)有的小石河-石湖-越城河,往北過運河后與城區(qū)段胥江之間無現(xiàn)成可利用河道,為保證入城水量和水質(zhì),規(guī)劃入城送水通道全程采用地下輸水隧洞,詳見圖3(b)。
圖3 蘇州市中心城區(qū)生態(tài)補水線路及入城通道方案Fig.3 The ecological water replenishment line and the channel into dawntown of Suzhou
表1 生態(tài)補水線路方案比選
根據(jù)蘇州市古城區(qū)內(nèi)部河道活水需求,結(jié)合城市大包圍和自流活水現(xiàn)有工程,考慮到平原河網(wǎng)地勢平坦,東太湖水不具備自流入城水文條件。為保證清水入城具備一定的水勢,又不影響石湖控制水位,擬在越城河上新建補水泵站,依靠動力補水入城。同時,為進一步提升古城區(qū)不同方向河道水質(zhì)改善度,保障西護城河入古城水量,優(yōu)化古城活水效果,規(guī)劃在環(huán)城河盤門內(nèi)城河口東側(cè)新建生態(tài)堰壩——蟠龍堰,聯(lián)合現(xiàn)有的閶門堰、婁門堰,靈活調(diào)控入城水量?;谏鲜龉こ檀胧?,擬定3種生態(tài)補水方案(見表2),其中:“三源補水方案”在古城區(qū)原有北引南排的格局下,利用胥江補水作為西南城區(qū)新增補充水源,通過增加南部排水動力,實現(xiàn)增補水量與增排水量平衡,全面改善城區(qū)活水條件;“兩源補水方案”通過啟用西塘河、胥江補水,形成西引東排活水格局,依托增設(shè)蟠龍堰控導(dǎo)工程,攔蓄清水,抬高西環(huán)城河河道水位,提升西環(huán)城河清水入古城水量;“一源補水方案”依靠新增胥江補水水源,在汛期城區(qū)河網(wǎng)水位偏高情況下,順應(yīng)區(qū)域北排水勢,形成西水東送、南水北送格局,同時通過調(diào)節(jié)蟠龍堰、閶門堰控制入古城區(qū)水量,持續(xù)滿足古城東西向河道活水需求。各方案生態(tài)補水情況詳見圖4。
表2 生態(tài)補水計算方案Tab.2 Ecological water replenishment calculation plan
圖4 不同生態(tài)補水方案示意Fig.4 Diagram of different ecological water replenishment schemes
根據(jù)生態(tài)補水期間實現(xiàn)城區(qū)河道流速總體達(dá)到5~15 cm/s的活水目標(biāo)要求,經(jīng)城區(qū)河網(wǎng)數(shù)模分析計算,結(jié)合參照城區(qū)現(xiàn)有補水入城規(guī)模以及蘇州周邊城區(qū)引清活水經(jīng)驗,城區(qū)適宜補水規(guī)模48~55 m3/s。城區(qū)“自流活水”現(xiàn)狀為西塘河、陽澄湖雙源供水,除太湖行洪期間望虞河藍(lán)藻密度偏高暫停西塘河供水外,全年補水以西塘河供水為主,現(xiàn)狀城區(qū)活水日常入城流量約30 m3/s,補充水量規(guī)模需求約18~25 m3/s。綜合考慮城區(qū)全面活水和擴展片區(qū)的集中換水需求及活水期間的適宜流速要求,以及兼顧現(xiàn)有補水通道區(qū)域活水需求適當(dāng)減輕西塘河入城供水任務(wù),綜合確定胥江生態(tài)補水規(guī)模為20 m3/s。
胥江生態(tài)補水工程實施后,根據(jù)送水目標(biāo)區(qū)、水源水質(zhì)等不同條件和需求,可啟用1個或多個水源,靈活調(diào)度包圍圈控制閘站和活動堰,營造南北向或東西向適宜水頭差,滿足不同片區(qū)、不同方向活水需求。根據(jù)生態(tài)補水模型計算結(jié)果顯示,3種不同補水方案均不同程度上改變了中心城區(qū)不同片區(qū)河道水動力條件,且重點河道監(jiān)測斷面水質(zhì)均得到大幅改善,但由于各個補水方案啟用的補水水源、補水措施不同,改善程度有所差異。
3.3.1三源補水實施效果
與現(xiàn)狀工況相比,三源補水方案考慮新增胥江補水工程與古城區(qū)“自流活水”工程同時運行,通過新增補水水量,配合城市大包圍主要節(jié)點工程,滿足不同片區(qū)活水需求。其中,上塘山塘片和古城區(qū)片活水效果與現(xiàn)狀基本相同;城南片區(qū)河道流速增大,從現(xiàn)狀“自流活水”體系下的0~9 cm/s,總體提升至7~19 cm/s(見圖5),水體流動性得到顯著提升;城西區(qū)部分區(qū)域需通過胥江沿線口門放水和東風(fēng)新、活絡(luò)浜、徐家郎泵站等泵站及內(nèi)部節(jié)制閘調(diào)節(jié),活水受益輻射至里雙河以南及北部小部分區(qū)域;西南部城區(qū)近運河段河道活水條件主要受動力大小影響,部分河道流速改善不明顯。城西片和城南片區(qū)河道流速增大的同時,水質(zhì)得到有效改善,部分河道由原先的Ⅳ、Ⅴ類水體改善至Ⅲ類,5個片區(qū)監(jiān)測斷面水質(zhì)全部提升至Ⅲ類及Ⅲ類以上(見表3)。
圖5 三源補水方案下研究區(qū)不同片區(qū)河道流速變化Fig.5 River flow velocity changes in different regions of the study area under the three-source water supplement scheme
表3 三源補水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況
3.3.2兩源補水實施效果
兩源補水方案實施后,通過啟用西塘河、石湖引水,形成西引東排的活水格局,重點提升城區(qū)東西向河道換水效果,改善城區(qū)部分東西向河道水流滯緩的問題。其中:古城區(qū)在既有自流活水體系已改善南北向河道流速情況下,東西向河道流速也明顯提升,總體提升至5~18 cm/s;城北區(qū)通過沿元和塘及沿線泵站,抽引西塘河來水,流速提升至7 cm/s左右(見圖6)。由于古城片區(qū)東南角縱橫河道較多,活水目標(biāo)負(fù)擔(dān)較重,需相應(yīng)啟用東側(cè)南園泵站進一步增加羊王廟河等水動力。水質(zhì)方面,古城區(qū)16個監(jiān)測斷面水質(zhì)改善效果顯著,Ⅲ類及Ⅲ類以上占比達(dá)93.8%(見表4)。
圖6 兩源補水方案下古城區(qū)區(qū)河道流速變化Fig.6 River flow velocity changes in different regions of the study area under the two-source water supplement scheme
表4 兩源補水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況
3.3.3一源補水實施效果
一源補水方案主要順應(yīng)汛期區(qū)域北排水勢,通過胥江補水入城,實現(xiàn)汛期活水需求。同時,若城南區(qū)有獨立活水需求時,利用胥江補水入城,聯(lián)合胥江北岸和入古城區(qū)河道控制,適當(dāng)抬高城南區(qū)水位,可改善城南片部分低水區(qū)河道水生態(tài)環(huán)境。一源供水期間總體入城量較小,活水效果有限,但作為北部來水水質(zhì)不能滿足入城需求時的補充調(diào)度,以及順應(yīng)汛期北排水勢,通過閘站和活動堰的控制實施分片、分時供水,基本能滿足分片區(qū)域的緩流活水要求,基本實現(xiàn)城區(qū)汛期持續(xù)活水目標(biāo),古城區(qū)和城南片區(qū)河道水質(zhì)總體提升至Ⅲ類及Ⅲ類以上(見表5)?!耙辉囱a水”方案分時分片供水河道流速變化見圖7。
表5 一源補水方案下研究區(qū)河道水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況Tab.5 The standard attaiment rate of river water quality (ammonia nitrogen)in the study area under the one-source water supplement scheme
圖7 一源補水方案下研究區(qū)河道流速變化Fig.7 River flow velocity changes in different regions of the study area under the one-source water supplement scheme
3.3.4不同補水方案實施效果對比分析
根據(jù)模型計算分析,上述3種補水方案實施后,對比現(xiàn)狀工況各指標(biāo)均有一定程度的提升,河道流速普遍達(dá)到10 cm/s以上,古城區(qū)重點河道監(jiān)測斷面氨氮指標(biāo)從Ⅳ類、Ⅴ類提升至Ⅲ類以上水平(見圖8)??傮w來看,本文提出的生態(tài)補水措施方案均達(dá)到了理想的水環(huán)境改善效果,但由于各個補水方案采用的補水渠道和補水措施不同,各片區(qū)內(nèi)河道整體水動力條件及重點河道水質(zhì)改善效果仍有所差異。其中:① 三源補水方案由于額外增加了胥江補水水源,相應(yīng)增加城市大包圍主要節(jié)點工程外排,不同片區(qū)活水需求均一定程度得到滿足,活水效益輻射整個研究范圍,尤其城南片區(qū)河道活水條件改善最為顯著,同時該方案下?lián)Q水周期和運行費用較其他預(yù)設(shè)補水方案均最優(yōu),但古城片區(qū)東西向河道流速效果有限。② 兩源補水方案則在三源補水方案下,新增蟠龍堰生態(tài)堰壩,攔蓄胥江清水,提升西環(huán)城河清水入古城水量,在既有自流活水體系已改善南北向河道流速情況下,進一步提升古城區(qū)東西向河道流速。③ 一源補水方案在兩源補水方案的基礎(chǔ)上,通過控制胥江沿線口門并調(diào)節(jié)蟠龍堰和閶門堰開度,控制西環(huán)城河入古城區(qū)水量,順應(yīng)區(qū)域汛期北排水勢,形成西水東送、南水北送格局,但由于整體生態(tài)補水水量較少,除古城區(qū)東西向河道外其余活水效果有限,但可作為北部來水水質(zhì)不能滿足入城需求時的補充調(diào)度。
圖8 不同方案古城區(qū)重點河道斷面水質(zhì)(氨氮) 改善效果變化Fig.8 Water quality(ammonia nitrogen)improvement of key river sections in the ancient city area under different schemes
(1) 本文基于MIKE模型構(gòu)建的蘇州城區(qū)生態(tài)補水模型,可準(zhǔn)確模擬不同生態(tài)補水方案城區(qū)河道水質(zhì)改善效果,為平原水網(wǎng)地區(qū)中心城區(qū)水環(huán)境治理和生態(tài)系統(tǒng)保護提供技術(shù)支撐。
(2) 通過對蘇州古城區(qū)3種不同生態(tài)補水方案進行分析模擬,可以得出:通過新增補水水源、增設(shè)生態(tài)堰壩、提升補水水量等綜合措施,可優(yōu)化中心城區(qū)多源補水格局,完善補水體系,提升活水保證率,古城區(qū)重點河道斷面水質(zhì)均得到有效改善,且大部分提升至Ⅲ類及以上水平,為改善城區(qū)河道水動力、提升水體修復(fù)自凈能力以及水環(huán)境改善和提升創(chuàng)造了有利條件。
(3) 太湖流域平原水網(wǎng)中心城區(qū)水網(wǎng)交錯,如蘇錫常等城市中心城區(qū)均位于蘇南運河沿線,生態(tài)補水方案研究需綜合考慮汛期大運河高水位外排不暢、退水通道選取等問題,因地制宜,綜合施策。