太湖流域骨干工程聯(lián)合調(diào)度效果分析
——以望虞河、走馬塘工程為例

廖志盛，馬農(nóng)樂，薛 宣

（1.廣州華申建設(shè)工程管理有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524037；2.上海東南工程咨詢有限責(zé)任公司，上海 200434）

望虞河既是太湖流域洪水北排長江的主要泄洪河道，又是流域引長江水入太湖的“引江濟(jì)太”通道，對流域整體供水安全起著重要作用。為避免望虞河西岸污水的影響，統(tǒng)籌解決望虞河西岸地區(qū)排水出路問題，充分發(fā)揮望虞河引江濟(jì)太效益和效率，實(shí)施望虞河西岸控制工程和走馬塘拓浚延伸工程，實(shí)現(xiàn)“引江濟(jì)太”期間引排分開、清污分流，形成望虞河引江清水通道。平原河網(wǎng)地區(qū)，眾多水閘、泵站和堤防等水利工程是控制河網(wǎng)地區(qū)水位、調(diào)節(jié)流量的重要設(shè)施，通過對水利工程聯(lián)合調(diào)度實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)區(qū)域防洪、排澇和引水、灌溉、改善水環(huán)境及航運(yùn)等調(diào)度功能的需要。本文在開展調(diào)度需求分析基礎(chǔ)上，提出聯(lián)合調(diào)度的方向和方案，分析不同調(diào)度方案對望虞河引江濟(jì)太以及西岸地區(qū)的影響，確定工程聯(lián)合調(diào)度方案，促進(jìn)望虞河西岸地區(qū)水體有序流動，為工程調(diào)度方案提供技術(shù)參考。

1 工程概況

（1）望虞河西岸控制工程是《太湖流域防洪規(guī)劃》提出的望虞河后續(xù)工程主要工程內(nèi)容之一，也是國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》中近期優(yōu)先安排實(shí)施的治理工程項(xiàng)目，同時也是《太湖流域綜合規(guī)劃》中確定的重要工程項(xiàng)目。主要建設(shè)內(nèi)容包括新建支河口門建筑物35 座及水系調(diào)整等。水系調(diào)整包括新開河道約5.78 km、疏浚河道約34.1 km 等。同時，為緩解望虞河西岸控制對地區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境等方面的影響，望虞河引水期間，通過支河口門適當(dāng)向西岸地區(qū)補(bǔ)水，設(shè)置望虞河西岸8 m3/s補(bǔ)水泵站，同時設(shè)置了3.5 m3/s的備用泵站。

（2）河道全長66.51 km，南起京杭運(yùn)河，利用現(xiàn)有沈?yàn)^港、走馬塘、錫北運(yùn)河，穿越無錫市錫山區(qū)東北部，于常熟市王莊東北沿常熟、張家港兩市交界處平地開河至張家港七干河，與張家港立交后經(jīng)七干河入長江。望虞河西岸控制工程實(shí)施后，為解決“引江濟(jì)太”期間望虞河西岸的排水出路，將西岸地區(qū)走馬塘北排長江，提高“引江濟(jì)太”效率。即望虞河引江濟(jì)太期間，望虞河西岸地區(qū)遭遇5 a 一遇設(shè)計降雨時，西岸地區(qū)的洪水由走馬塘拓浚延伸工程北排長江，同時承擔(dān)引水初期望虞河水體置換的部分退水任務(wù)。

2 聯(lián)合調(diào)度需求分析

2.1 流域?qū)用?/h3>

2.1.1 太湖水位

太湖流域多年平均水資源總量約176 億m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足流域用水需求，為提高太湖的供水能力以及水環(huán)境承載能力，太湖最低旬平均水位不宜低于2.80 m。根據(jù)2011年國家防總批復(fù)的《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》（國汛〔2011〕17 號），當(dāng)太湖水位低于調(diào)水限制水位時相機(jī)實(shí)施水量調(diào)度。太湖調(diào)度控制水位見圖1。

2.1.2 引江濟(jì)太入湖效率

統(tǒng)計2002 年后10 余年引江濟(jì)太數(shù)據(jù)，望虞河平均引水入湖率為46.11%。為保障太湖供水安全，水量分配方案對望虞河入湖效率提出要求，望虞河西岸控制工程實(shí)施后，多年平均引水入湖效率達(dá)到68.4%，同時，望虞河引水入湖時，東岸口門分水比例不超過常熟水利樞紐引水量的30%，且分水總流量不超過50 m3/s；西岸口門不得向望虞河排水，可視西岸地區(qū)水環(huán)境狀況，適當(dāng)從望虞河引水，維持西岸主要支流斷面水質(zhì)類別不降低。“引江濟(jì)太”入湖水量及入湖效率統(tǒng)計見表1。

表1 引江濟(jì)太入湖水量及入湖效率統(tǒng)計

2.1.3 望虞河入湖水質(zhì)

《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》中要求水量調(diào)度時，當(dāng)望亭水利樞紐閘下水質(zhì)調(diào)度指標(biāo)和參考指標(biāo)均滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時，望亭水利樞紐開閘向太湖輸水；當(dāng)望亭水利樞紐閘下水質(zhì)調(diào)度指標(biāo)滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)調(diào)度參考指標(biāo)為Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)時，如望虞河大橋角新橋水質(zhì)調(diào)度參考指標(biāo)滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，望亭水利樞紐可控制向太湖輸水。

為保證望虞河入湖水質(zhì)，“引江濟(jì)太”調(diào)度中通過望亭樞紐控制未達(dá)標(biāo)水流進(jìn)入太湖，常熟樞紐初期引水對望虞河水體進(jìn)行置換，需要走馬塘工程承擔(dān)望虞河西岸地區(qū)排水任務(wù)。

2.2 區(qū)域?qū)用?/h3>

2.2.1 水資源需求

望虞河西岸地區(qū)需維持一定的水位用于滿足農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)及水環(huán)境改善等需求，相關(guān)規(guī)劃中明確了望虞河西岸地區(qū)的青陽站、無錫站的允許旬平均最低水位、河道內(nèi)需水控制指標(biāo)均為2.80 m。在枯水年或枯水期，西岸地區(qū)主要靠引長江水來補(bǔ)充河網(wǎng)水資源的不足。

2.2.2 水環(huán)境需求

根據(jù)監(jiān)測資料，望虞河西岸地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量總體較差，各支流水質(zhì)類別基本以Ⅳ～劣Ⅴ類為主，張家港水質(zhì)較差。監(jiān)測的71 個功能區(qū)108 個斷面（點(diǎn)）中，水質(zhì)綜合評價為Ⅱ類的斷面占總監(jiān)測斷面數(shù)的12.0%，Ⅲ類的斷面占13.0%，Ⅳ類和Ⅴ類分別占16.7%和27.8%，其余為劣Ⅴ類，占30.6%，低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的斷面占75.0%。在望虞河西岸支河敞開的現(xiàn)狀工情下，“引江濟(jì)太”期間由于望虞河引水的分流影響，各支流水質(zhì)有所改善，水質(zhì)基本優(yōu)于非“引江濟(jì)太”期間，部分水質(zhì)指標(biāo)能夠提升1 個類別左右，非“引江濟(jì)太”期間西岸支流的水質(zhì)基本維持在V～劣Ⅴ類。對望虞河西岸伯瀆港、九里河等主要支流水質(zhì)主要超標(biāo)指標(biāo)NH3-N 均值的月際變化分析，1～4 月西岸地區(qū)NH3-N 指標(biāo)均值為2.41 mg/L，水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，在全年相對較差，且根據(jù)對西岸地區(qū)代表站水位的分析，1～4 月水位在全年相對較低。望虞河西岸地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評價統(tǒng)計見圖2。

2.2.3 排澇需求

走馬塘工程實(shí)施前，望虞河是西岸錫澄虞片區(qū)的主要泄洪排澇通道。為了充分發(fā)揮“引江濟(jì)太”效益，提高望虞河連續(xù)引水入湖的效率，根據(jù)走馬塘延伸拓浚工程及望虞河西岸控制工程的功能定位，走馬塘工程需聯(lián)合望虞河西岸控制工程，解決“引江濟(jì)太”期間望虞河西岸地區(qū)5 a 一遇以下（無錫水位低于4.0 m）洪水的排泄，將西岸地區(qū)東排望虞河改為走馬塘北排長江，滿足引江濟(jì)太期間西岸地區(qū)排水需要。

3 聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

3.1 方案思路

望虞河是流域骨干引水河道，周邊區(qū)域相關(guān)工程調(diào)度與“引江濟(jì)太”效益關(guān)系密切。因此，針對望虞河西岸控制工程、走馬塘拓浚延伸工程、白屈港控制線及沿江口門等工程聯(lián)合調(diào)度，盡可能促進(jìn)西岸地區(qū)水體有序流動，減少對望虞河引水入湖的影響。其中，望虞河西岸控制工程根據(jù)太湖水位分級控制合理流量向西岸地區(qū)補(bǔ)水；走馬塘延伸拓浚工程在解決西岸地區(qū)5 a 一遇以下澇水北排的同時，根據(jù)西岸地區(qū)水資源條件適時排水，促進(jìn)地區(qū)水體流動，緩解西岸控制對區(qū)域排水、水環(huán)境的影響。

3.2 方案設(shè)計

方案設(shè)計的方向?yàn)椋阂皇菍ξ靼堆a(bǔ)水進(jìn)行空間和時間優(yōu)化，即對西岸支流中錫北運(yùn)河以南區(qū)域重點(diǎn)河道進(jìn)行補(bǔ)水，并考慮在水質(zhì)較差的重點(diǎn)時段（1～4月）進(jìn)行補(bǔ)水；二是充分利用西岸地區(qū)沿江引排能力較強(qiáng)的區(qū)位優(yōu)勢，對白屈港控制線和沿江張家港閘進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度。主要設(shè)計4個方案（見表2）。

表2 聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

4 數(shù)值模擬計算及效果分析

4.1 數(shù)值模擬計算

采用應(yīng)用比較成熟的太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，計算范圍為太湖流域全部面積36 895 km2，骨干河網(wǎng)水系概化為河道近1800條、總長超過1.5 萬km，河道斷面超過10 000 個；調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)60 余個、控制建筑物245 個，由1698 個節(jié)點(diǎn)相連；邊界河道101條，其中潮位邊界47條，環(huán)太湖水位邊界31條，山區(qū)入流流量邊界20條，骨干河網(wǎng)水系概化見圖3。選取1971 年（90%頻率枯水典型年）進(jìn)行數(shù)值模擬計算，統(tǒng)計分析水量、水位、水質(zhì)等變化情況，以評估不同調(diào)度方案的效果。

4.2 調(diào)控效果分析

4.2.1 太湖及地區(qū)水位

1971 年型下，WZ-1、WZ-2、WZ-3 三種方案太湖計算水位過程基本沒有變化（見圖4），3個方案均基本上不會對太湖水位產(chǎn)生明顯影響。WZ-1 方案、WZ-2 方案最低旬均水位均為2.72 m，與WZ-0方案一樣；WZ-3 方案最低旬均水位為2.71 m，較WZ-0方案降低了1 cm。

WZ-1～WZ-3方案無錫及青陽最低旬平均水位均高于河道控制指標(biāo)2.80 m，可以滿足區(qū)域水資源需求。WZ-1 方案西岸時空優(yōu)化方案水位與WZ-0方案沒有變化；WZ-2 方案由于對白屈港控制線進(jìn)行適度控制后，白屈港西岸地區(qū)入白屈港水量減少，青陽最低旬平均水位抬升了3 cm；WZ-3方案同時對白屈港控制線適度控制及沿江張家港閘排水優(yōu)化后，無錫最低旬平均水位降低了1 cm。區(qū)域主要代表站4～10月最低旬平均水位見表3。

表3 區(qū)域主要代表站4～10月最低旬平均水位m

4.2.2 區(qū)域水量交換

（1）望虞河引水入湖水量。WZ-1 方案對望虞河西岸工程補(bǔ)水流量的分配進(jìn)行時間及空間優(yōu)化，水資源調(diào)度期間及引水入湖期間望虞河引水入湖效率較WZ-0 方案相比基本沒有變化，不會對流域“引江濟(jì)太”造成影響；WZ-2 方案及WZ-3 方案在WZ-0 方案的基礎(chǔ)上，對白屈港控制線適度控制或沿江張家港閘排水優(yōu)化后，導(dǎo)致走馬塘以西、錫北運(yùn)河以北區(qū)域進(jìn)入走馬塘水量減少，望虞河西岸口門出望虞河特別是張家港出望虞河水量明顯增多，“引江濟(jì)太”期間望虞河引水入湖效率逐漸下降，與WZ-0方案相比，WZ-2方案下降3%左右，WZ-3方案則下降了8%，WHY-3 方案的引水入湖效率為66%，低于《水量分配方案》中多年平均引水入湖效率68.4%的要求。1971 年型望虞河引水入湖期間進(jìn)出水量計算成果對比見表4。

表4 1971年型望虞河引水入湖期間進(jìn)出水量計算成果對比

（2）望虞河西岸分流水量。1971 年型集中引水期時段相同，望虞河西岸分流水量與WZ-0 方案相比，WZ-1 方案基本沒有變化，WZ-2 方案增多0.59 億m3、WZ-3 方案增多1.63 億m3。主要因張家港尚未建設(shè)口門建筑物，而望虞河西岸其他口門均進(jìn)行了有效控制，不統(tǒng)計張家港分流量的情況下，各方案望虞河西岸支流的分流水量基本相當(dāng)。由于WZ-1～WZ-3方案對望虞河西岸各河道的分水流量進(jìn)行了空間優(yōu)化，西岸各支流間補(bǔ)水量的分配發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為南部伯瀆港、楊安港分流量較WZ-0 方案相比分別增加了0.11 億m3，北部錫北運(yùn)河分流量則減少了0.13 億m3。1971 年型引水入湖期間望虞河西岸分流水量對比見表5。

（3）走馬塘工程進(jìn)出水量。與基礎(chǔ)方案相比，WZ-1 方案對走馬塘西岸匯入走馬塘水量影響不大，走馬塘東岸（望虞河西岸）錫北運(yùn)河以南河道匯入走馬塘水量增加了約0.3 億m3，對望虞河西岸錫北運(yùn)河以南區(qū)域水體有序流動和水環(huán)境產(chǎn)生有利影響。WZ-2方案走馬塘西岸匯入走馬塘的總水量有所減少，但位于走馬塘西岸錫北運(yùn)河以南的伯瀆港、九里河、雙涇河等支流匯入走馬塘的水量較WZ-0方案增加了1.04億m3，同時，走馬塘東岸錫北運(yùn)河以南河道匯入走馬塘水量也增加了0.67億m3，有效拉動了走馬塘兩岸錫北運(yùn)河以南區(qū)域的水流進(jìn)入走馬塘。WZ-3方案沿江張家港樞紐排水量增加，從而促進(jìn)錫北運(yùn)河以南區(qū)域走馬塘東西兩岸匯入水量較WZ-0 方案分別增加了0.85 億m3和1.50億m3，促進(jìn)了錫北運(yùn)河以南區(qū)域水體的有序流動。1971 年型引水入湖期間走馬塘工程進(jìn)出水量對比見表6。

表6 1971年型引水入湖期間走馬塘工程進(jìn)出水量對比表億m3

（4）武澄錫虞區(qū)進(jìn)出水量。與WZ-0 方案相比，WZ-1方案的武澄錫虞區(qū)入長江、武澄錫虞區(qū)出運(yùn)河及入望虞河水量變化不大；WZ-2 方案武澄錫虞區(qū)沿江調(diào)度代表站青陽水位有所升高，入長江水量相應(yīng)有所增加；WZ-3 方案由于張家港沿江樞紐加大排江，經(jīng)張家港分流望虞河水量有所增加，入望虞河水量有較大幅度減少，在河道水質(zhì)較差的情況下，望虞河引水及西岸地區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生有利影響。1971 年型引水入湖期間武澄錫虞區(qū)進(jìn)出水量對比見表7。

表7 1971年型引水入湖期間武澄錫虞區(qū)進(jìn)出水量對比表億m3

4.2.3 水質(zhì)指標(biāo)變化

（1）望虞河沿線水質(zhì)。水質(zhì)指標(biāo)主要分析COD、NH3-N 濃度變化（見表8），計算成果表明，引江濟(jì)太期間望虞河干流自長江口至太湖沿程水質(zhì)總體較好，由于望虞河西岸張家港尚未建閘控制，導(dǎo)致較差水體匯入望虞河后造成虞義大橋斷面水質(zhì)指標(biāo)濃度上升，而后沿程逐漸下降。其中WZ-3方案的下降幅度最大，望虞河大橋角新橋斷面COD平均濃度降低了2.4%，NH3-N 平均濃度降低了12%。1971 年型望虞河沿線引水入湖期間水質(zhì)計算成果對比見表8。

表8 1971年型望虞河沿線引水入湖期間水質(zhì)計算成果對比%

（2）望虞河西岸河網(wǎng)水質(zhì)。分析望虞河西岸地區(qū)骨干河道斷面水質(zhì)，與WZ-0方案相比，大多數(shù)支流水質(zhì)有所改善，其中張家港沿線區(qū)域及錫北運(yùn)河以南區(qū)域改善幅度較為顯著，3 個方案的水質(zhì)改善效果為WZ-3 方案＞W(wǎng)Z-2 方案＞W(wǎng)Z-1 方案?！耙瓭?jì)太”期間和重點(diǎn)時段1～4月，對西岸各支流補(bǔ)水流量的空間分配進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，引水入湖期間WZ-1～WZ-3 方案中伯瀆港、九里河等重點(diǎn)增大補(bǔ)水流量的西岸支流水質(zhì)有所改善，伯瀆港NH3-N改善幅度在20%～30%，效果較好。1971 年型望虞河西岸區(qū)域引水入湖期間水質(zhì)計算成果對比見表9。

表9 1971年型望虞河西岸區(qū)域引水入湖期間水質(zhì)計算成果對比%

5 結(jié)語

望虞河和走馬塘工程聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)望虞河西岸地區(qū)水體有序流動，同時也保證引“引江濟(jì)太”湖效率，可充分發(fā)揮工程效益，實(shí)現(xiàn)引江濟(jì)太效益最大化。

（1）WZ-1 方案優(yōu)化望虞河西岸控制工程補(bǔ)水流量的時間和空間分布，對太湖、地區(qū)水位以及望虞河“引江濟(jì)太”入湖效率基本無影響，錫北運(yùn)河以南區(qū)域北排水量增加了0.3億m3；WZ-2方案在WZ-1方案的基礎(chǔ)上，對白屈港進(jìn)行適當(dāng)控制后，導(dǎo)致望虞河引江入湖期間西岸出望虞河水量較WZ-0方案增多0.59億m3，“引江濟(jì)太”入湖效率降低3%，走馬塘西岸錫北運(yùn)河以南區(qū)域北排水量增加1.04億m3，望虞河沿線水質(zhì)改善0.7%～9.1%；WZ-3 方案在WZ-2方案的基礎(chǔ)上，沿江張家港閘排水后，導(dǎo)致望虞河引江入湖期間西岸出望虞河水量較WZ-0方案增多1.63億m3，“引江濟(jì)太”入湖效率降低8%，走馬塘西岸錫北運(yùn)河以南區(qū)域北排水量增加1.50億m3，望虞河沿線水質(zhì)改善2.4%～19.7%。

（2）望虞河引水期間通過西岸支河口門進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃Y源調(diào)度，并結(jié)合現(xiàn)狀水質(zhì)分析情況在區(qū)域水質(zhì)相對較差的重點(diǎn)時段1～4 月加大補(bǔ)水，改善錫北運(yùn)河以南地區(qū)水環(huán)境，解決西岸地區(qū)因“控”致“滯”問題，對望虞河西岸地區(qū)水環(huán)境改善是有利的。

（3）綜合各方案水量、水位、水質(zhì)影響的分析成果，WZ-2、WZ-3 方案分別對白屈港控制線進(jìn)行適當(dāng)控制、沿江張家港樞紐排水，能夠有效形成區(qū)域的有序循環(huán)；但由于張家港與望虞河無口門建筑物控制，會導(dǎo)致望虞河西岸分流水量有所增多，對引江濟(jì)太入湖效率造成不利影響，低于多年平均引水入湖效率68.4%的要求，且張家港是江蘇的省級重要航道，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)予以控制性排水。

（4）隨著區(qū)域治理工程的推進(jìn)，特別是走馬塘沿江泵站建成后，建議進(jìn)一步深化研究區(qū)域控制工程的聯(lián)合調(diào)度方案，綜合考慮航運(yùn)需求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化調(diào)度，充分發(fā)揮工程綜合效益。