水資源科學(xué)調(diào)度在通惠河水環(huán)境治理中的應(yīng)用

喬巖松，唐雨竹，王斌潤(rùn)，薛曉妍

（北京市城市河湖管理處，北京 100144）

1 通惠河概況

北京作為國(guó)際化大都市，伴隨著城市化進(jìn)程的加快，水資源短缺、水質(zhì)污染等大城市病也越發(fā)嚴(yán)重，其中城市雨水徑流是重要的水環(huán)境污染渠道。在城市化進(jìn)程中，城市道路、房屋建筑為代表的混凝土地面大幅增加，逐漸取代自然土壤，導(dǎo)致土地硬化面積增多，水源滲透能力減弱，增快城市雨水徑流形成速度[1]；同時(shí)，隨著人類(lèi)在城市生活足跡的拓展，排放的污染物也顯著增多。一旦突發(fā)降雨，大量城市地面污染物將伴隨城市雨水徑流注入湖泊、河道，對(duì)水體形成污染。

通惠河是京杭大運(yùn)河北端的一段人工開(kāi)鑿的運(yùn)河，元至元二十八年（1291 年）由都水監(jiān)郭守敬主持修建[2]。通惠河現(xiàn)上接南護(hù)城河尾段，西起東便門(mén)鐵路橋，承接前三門(mén)暗溝和東護(hù)暗溝，全長(zhǎng)20.35 km，總流域面積258 km2，主要功能是將首都功能核心區(qū)的洪水平穩(wěn)地排向城市副中心，保障2 個(gè)中心人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。作為城市雨洪“東排”的重要河道，通惠河也是受城市雨水徑流污染最嚴(yán)重的河道之一。北京市城市河湖管理處通惠河管理所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)通惠所）管轄通惠河長(zhǎng)度14.74 km，涉及大北窯橡膠壩、大北窯船閘、高碑店閘和普濟(jì)閘4 座閘壩。通惠河有一條主要支流為二道溝，西起東直門(mén)外亮馬河右岸，東至高碑店閘下游入通惠河左岸，全長(zhǎng)16.00 km，通惠所管轄9.17 km，共有3 座水閘，分別為顯塔寺閘、二道溝泄洪閘和二道溝循環(huán)閘。

近年來(lái)，通惠河泄洪壓力較大。為緩解泄洪過(guò)程中河道上游首都功能核心區(qū)降雨量和來(lái)水量瞬間增加的情況，加之無(wú)法掌握前三門(mén)暗溝泄洪數(shù)據(jù)，通惠所管轄閘壩需要提前騰庫(kù)，降低河道水位，全力保證洪水順利宣泄。泄洪工作結(jié)束后，高碑店湖右側(cè)和五環(huán)橋下游的2個(gè)中水口可以立即向通惠河輸送優(yōu)質(zhì)中水，但由于河道上游來(lái)水?dāng)y帶大量泥沙，水質(zhì)渾濁，且上游河道短時(shí)間內(nèi)無(wú)法進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，導(dǎo)致通惠河產(chǎn)生降雨徑流污染問(wèn)題，僅靠中水無(wú)法解決存在的問(wèn)題。

通惠河地勢(shì)自然落差較大，其中通惠所管轄河段高差12.28 m。相關(guān)研究顯示，梯級(jí)水壩對(duì)高落差河道水質(zhì)治理效果顯著，可促進(jìn)河道生態(tài)系統(tǒng)自動(dòng)凈化能力[2]。因此，結(jié)合大北窯橡膠壩、高碑店閘、普濟(jì)閘（上游至下游）3座閘壩形成的3個(gè)梯級(jí)斷面，有必要探討如何通過(guò)梯級(jí)調(diào)水改善河道水質(zhì)、水位等問(wèn)題。該模式考慮了通惠河不同河段水量、水質(zhì)的實(shí)際情況以及相關(guān)的環(huán)境因素，通過(guò)調(diào)度水流，實(shí)現(xiàn)改善水環(huán)境的治理目標(biāo)，達(dá)到最優(yōu)的水流調(diào)度目標(biāo)，為沿河居民營(yíng)造一個(gè)優(yōu)美的河湖生態(tài)環(huán)境。

2 存在問(wèn)題

2.1 部分區(qū)域水位較低

近年來(lái)，在日常水流調(diào)度及巡視巡查過(guò)程中，通惠所工作人員發(fā)現(xiàn)大北窯橡膠壩至大望保潔平臺(tái)段、北花園橋至雙橋段河道日常運(yùn)行水位較低，且明顯低于河道平均水位，導(dǎo)致上述區(qū)域保潔船只作業(yè)困難，且通惠河流經(jīng)區(qū)域多為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等人流密集場(chǎng)所，社會(huì)關(guān)注度較高，水環(huán)境整體感觀較差。特別在汛期泄洪結(jié)束后，上述區(qū)域河道水位下降更為明顯，河底裸露情況時(shí)有發(fā)生，水環(huán)境問(wèn)題較為突出。

2.2 雨后河道泡沫問(wèn)題凸顯

通惠河作為城區(qū)重要泄洪河道，承擔(dān)大部分中心城區(qū)雨洪的下泄任務(wù)。強(qiáng)降雨天氣結(jié)束后，城市雨洪匯流，上游河道來(lái)水中的氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)含量短期內(nèi)迅速增高。富含氮、磷的水體流經(jīng)節(jié)制閘、橡膠壩等水工建筑物時(shí)，受水工建筑物上下游高差帶來(lái)的負(fù)荷沖擊和氣浮作用的共同影響，產(chǎn)生大量白色泡沫。另外，雨后河道補(bǔ)水過(guò)程中，流速較緩，水中溶解氧含量較低，這又導(dǎo)致白色泡沫短時(shí)間內(nèi)無(wú)法消散。

3 原因分析

3.1 河道水源補(bǔ)給不足

通惠河現(xiàn)供給水源主要來(lái)自上游河道、高碑店湖中水出水口和五環(huán)橋中水出水口。其中，上游河道補(bǔ)水，日均補(bǔ)水量自我調(diào)控程度較低。當(dāng)河道泄洪結(jié)束后，為滿(mǎn)足高碑店湖及上游河道景觀蓄水需求，高碑店閘通常采取閉閘蓄水方式，此時(shí)高碑店閘下游河道水源補(bǔ)給僅依靠五環(huán)橋中水出水口，日均水量?jī)H45萬(wàn)m3，而高碑店閘至普濟(jì)閘河道全長(zhǎng)6.71 km，河道較長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿(mǎn)足河道蓄水需求，導(dǎo)致北花園橋至雙橋段河道水位過(guò)低，無(wú)法行船打撈水草等漂浮物，水環(huán)境問(wèn)題隨之凸顯。

3.2 補(bǔ)給水源水質(zhì)不穩(wěn)定

中水作為通惠河的重要補(bǔ)給水源，在輸送過(guò)程中，受管線較長(zhǎng)、管線老化等客觀因素影響，入河水質(zhì)在一定程度上有所降低。

在汛期河道泄洪過(guò)程中，二道溝泄洪閘經(jīng)大黃莊暗溝出口向通惠河下游宣泄洪水，下泄洪水絕大部分為城市雨洪，而二道溝沿線多為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)，綠地覆蓋率較低、入河徑流水質(zhì)可控性差，且汛期瞬時(shí)下泄流量較大，導(dǎo)致管線中泥沙等雜質(zhì)隨洪水沖入河道，對(duì)通惠河高碑店閘下游水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。高碑店湖作為通惠河上景觀蓄水和雨洪調(diào)蓄的重要節(jié)點(diǎn)，水體流動(dòng)性較差，整體置換周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致水草繁殖加速，水質(zhì)下降明顯。

4 改進(jìn)措施

4.1 水流調(diào)度方面

4.1.1 調(diào)整閉閘蓄水順序

根據(jù)通惠河河道較長(zhǎng)的特點(diǎn)，充分利用大北窯橡膠壩、高碑店閘、普濟(jì)閘3 座閘壩為節(jié)點(diǎn)，將通惠河分為3 段，分段蓄水。二道溝泄洪閘在宣泄完洪水后關(guān)閉閘門(mén)，隨后高碑店閘降低閘門(mén)開(kāi)度，開(kāi)始小流量放水；二道溝泄洪閘閉閘1 h 后，泄洪暗溝出口不再出水，再經(jīng)過(guò)1 h，普濟(jì)閘、高碑店閘閉閘蓄水，同時(shí)大北窯橡膠壩鼓壩蓄水。

通過(guò)調(diào)整水閘泄洪后的閉閘順序，延后普濟(jì)閘和高碑店閘的閉閘時(shí)間，將渾濁水體大量宣泄，使蓄水后的水體泥沙量相對(duì)減少，縮短泥沙和污染物自然沉淀時(shí)間，使水體更快變清，提升水體感觀效果，為改善水環(huán)境提供有力支撐。

4.1.2 中水加量稀釋水體

根據(jù)通惠河泄洪后上游來(lái)水不足的情況，通惠所和中水公司開(kāi)展協(xié)商并達(dá)成一致，每次強(qiáng)降雨后，將高碑店湖中水供水流量由日常的2.00 m3/s增加到4.00 m3/s。通過(guò)加大中水供水量，稀釋水體，降低水體殘留的氮、磷等物質(zhì)濃度，達(dá)到改善雨后河道水質(zhì)的效果。

同時(shí)，結(jié)合上述閉閘蓄水調(diào)整措施，將雨水口匯水和上游泄洪水體中的富含氮、磷等物質(zhì)的水體充分宣泄后，再加大中水供水量，使水體本身含氮、磷和其他成分的濃度相對(duì)減少，大幅縮短水體稀釋時(shí)間，真正達(dá)到事半功倍的效果。

4.1.3 壅高水位增蓄時(shí)間

將蓄水水位控制在運(yùn)行水位范圍內(nèi)并盡量壅高，可解決河道縱斷面落差大導(dǎo)致的區(qū)間水位較低的問(wèn)題，確保各段河道不露底。普濟(jì)閘水位壅高至23.00 m，高碑店閘蓄水至30.95 m，大北窯橡膠壩鼓壩蓄水至31.80 m，并充分利用蓄水時(shí)間，使河水中的泥沙自然沉淀和稀釋。各閘壩每次泄洪完畢，水位高低不等，來(lái)水流量不等，蓄至上述水位的時(shí)間也不同，區(qū)間河道蓄水時(shí)間統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 區(qū)間河道蓄水時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由于高碑店湖中水口雨后出水量固定為4.00 m3/s，所以只有一種蓄水情況；東便門(mén)橡膠壩至大北窯橡膠壩區(qū)間河道雨后主要靠上游龍?zhí)堕l放水，故用4.00 和8.00 m3/s 2 個(gè)常用流量計(jì)算蓄水時(shí)間；大北窯橡膠壩至京包鐵路橋區(qū)間河道是由上游河道過(guò)水和高碑店湖反向壅高上游水位2 種方式共同蓄水，采用龍?zhí)堕l閘門(mén)全閉和龍?zhí)堕l放水4.00 m3/s 2 種情況，故用4.00 和8.00 m3/s 2 個(gè)流量計(jì)算蓄水時(shí)間；高碑店閘至普濟(jì)閘區(qū)間河道則是由高碑店閘過(guò)水和五環(huán)橋中水口2 個(gè)水源共同蓄水，中水口日常流量為5.00 m3/s，采用高碑店閘閘門(mén)全閉和放水5.00 m3/s 2種情況，故用5.00和10.0 m3/s 2個(gè)流量計(jì)算蓄水時(shí)間。

壅高水位也有利于河道保潔船在河道中開(kāi)展漂浮物打撈作業(yè)，與低水位段人工下河打撈相比，打撈效率明顯提高，這將為改善河道環(huán)境面貌、提升水環(huán)境整體質(zhì)量提供堅(jiān)實(shí)保障。

4.1.4 脈沖調(diào)水改善水質(zhì)

當(dāng)通惠河各閘壩蓄水達(dá)到相應(yīng)水位時(shí)，根據(jù)河道各段水質(zhì)情況，通過(guò)各閘壩癟壩、啟閘操作，開(kāi)展脈沖調(diào)水工作。大北窯橡膠壩癟壩0.50 m，高碑店閘啟閘，放水流量30.0 m3/s；同時(shí)，普濟(jì)閘開(kāi)啟，放水流量32.0 m3/s，持續(xù)放水0.5 h，使河道水體充分流動(dòng)起來(lái)。通過(guò)脈沖調(diào)水過(guò)程，加快水體流動(dòng)速度，進(jìn)一步稀釋水中營(yíng)養(yǎng)物濃度，置換河道水體，促進(jìn)水體發(fā)揮自身凈化功能，達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

4.1.5 底流過(guò)水治理白沫

通惠河高碑店閘為平板舌瓣鋼閘門(mén)，當(dāng)泄洪任務(wù)結(jié)束后，閘門(mén)關(guān)閉，采用舌瓣過(guò)水，受雨洪后水質(zhì)和上下游高差等因素影響，會(huì)產(chǎn)生大量白色泡沫。為解決泡沫問(wèn)題，特改變現(xiàn)有過(guò)水模式，將舌瓣過(guò)水改為底流過(guò)水，直至水體恢復(fù)不再產(chǎn)生白沫。采取底流過(guò)水后，緩解了上下游水位差的問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)下游連接段的消力池、海漫等消除過(guò)水能量，減少白色泡沫的產(chǎn)生。結(jié)合汛期泄洪情況，通惠所開(kāi)展了多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從對(duì)比結(jié)果得出，相比舌瓣過(guò)水，底流過(guò)水能有效抑制白色泡沫的形成，達(dá)到泡沫治理效果。

4.2 水環(huán)境管理方面

通惠河沿線有大量暗溝、暗涵入河，當(dāng)遇到強(qiáng)降雨天氣進(jìn)行泄洪時(shí)，管線內(nèi)會(huì)沖出大量雜質(zhì)及漂浮物，造成通惠河及二道溝河道沿線水質(zhì)惡化，對(duì)河道整體水環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。對(duì)此，應(yīng)在雨后加強(qiáng)物理、生物等方面的應(yīng)對(duì)處置措施。

在物理治理方面，主要采取如下措施：①要強(qiáng)化巡視檢查。水環(huán)境管理人員及閘站巡視人員在雨中、雨后開(kāi)展不間斷巡回檢查，密切關(guān)注沿線排水情況及河道水環(huán)境情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題快速反饋、及時(shí)處理；②要加強(qiáng)雨后河道保潔。為恢復(fù)河道正常水環(huán)境景觀，在河道中設(shè)置多道攔污網(wǎng)，安排相關(guān)單位，增加人力、船只，增大作業(yè)頻次，延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間，利用人工拉網(wǎng)及時(shí)對(duì)水面垃圾、漂浮物等進(jìn)行集中打撈，保證河道過(guò)水通暢、及時(shí)恢復(fù)河道水環(huán)境景觀。

在生物治理方面，要及時(shí)采取生物制劑投放措施，抑制雨后河道水體渾濁、氮磷等元素含量較高、閘壩水位差導(dǎo)致的沖擊作用下產(chǎn)生的白色泡沫[4]，以提高水體質(zhì)量和透明度恢復(fù)速度。

此外，還應(yīng)加強(qiáng)部門(mén)聯(lián)動(dòng)，共同提高入河水源質(zhì)量。通惠河作為北京市重要河道，近年來(lái)，受大城市病、城市污染等多種因素影響，入河水體水質(zhì)正逐年變差。水管單位可通過(guò)與排水集團(tuán)、屬地政府等相關(guān)部門(mén)和單位建立聯(lián)絡(luò)機(jī)制，促進(jìn)部門(mén)聯(lián)動(dòng)，充分發(fā)揮河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)入河水源水質(zhì)管控，嚴(yán)格落實(shí)水源指標(biāo)管理機(jī)制，確保入河水體達(dá)標(biāo)。

5 建議

5.1 建設(shè)海綿城市

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)速度迅猛，瀝青、混凝土類(lèi)硬質(zhì)材料覆蓋在城市地表上，使城市水循環(huán)系統(tǒng)遭到一定程度的破壞，滲透能力減弱，在暴雨季節(jié)容易出現(xiàn)城市內(nèi)澇，造成面源污染。為了城市的可持續(xù)發(fā)展，要從根源上改善污水入河問(wèn)題，建議加強(qiáng)城市濕地景觀建設(shè)，打造“海綿城市”，將城市打造成具有自然滲透、自然存蓄、自然凈化的新型城市，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理利用，推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展[5]。

以通惠河為例，可利用沿河多個(gè)公園（如慶豐公園、西會(huì)公園等）打造濕地景觀保護(hù)帶，不僅能起到凈水、蓄水、滲水、排水等功效，而且在生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護(hù)上也有著巨大作用，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化，減緩水資源緊張局面，促進(jìn)人與自然的和諧、可持續(xù)發(fā)展。

5.2 河道底泥清淤

由于城市河道水體較淺、流速較慢，污染物更易沉積在河道底泥中，導(dǎo)致厭氧現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間縮短，河道有效行洪庫(kù)容大大降低，因此對(duì)底泥污染的處理是城市河道水環(huán)境綜合整治中不可忽視的內(nèi)容。建議加強(qiáng)通惠河河道淤積情況監(jiān)測(cè)，形成常態(tài)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)河道現(xiàn)有水流特征，分區(qū)域、分時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)消力池下游、高碑店湖等淤積嚴(yán)重點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)頻次，為河道清淤提供參考依據(jù)。利用水源監(jiān)測(cè)、水體管理、水流調(diào)度等，多維度改善通惠河水體水質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，通惠河水環(huán)境問(wèn)題在雨后尤為明顯，如雨水徑流匯集、部分區(qū)域水位較低、泡沫問(wèn)題凸顯、河道水源補(bǔ)給不足等問(wèn)題，都直接影響河道水環(huán)境。通過(guò)調(diào)整閉閘蓄水順序、中水加量稀釋水體、壅高水位增蓄時(shí)間、脈沖調(diào)水和底流過(guò)水等水流調(diào)度方法，可減輕水體富營(yíng)養(yǎng)化，有效改善水體質(zhì)量；同時(shí)，通過(guò)運(yùn)用物理、生物等方法，可抑制白色泡沫的產(chǎn)生，最終達(dá)到快速改善河道水環(huán)境的目的，為北京市民提供更好的親水體驗(yàn)。