長江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)暢流活水方案研究

曹偉岳 王正飛 朱海清

（1. 常熟市水利技術(shù)推廣站，江蘇 常熟 215500；2. 常熟市水利工程建設(shè)管理通中心，江蘇 常熟 215500）

隨著長江中下游平原地區(qū)城鎮(zhèn)化進程的加快，人口的增長，其面臨的水環(huán)境問題也日益突出，主要表現(xiàn)在以下方面：污染物的不斷排放，加重了水體自凈負荷；城市建設(shè)擠占河湖空間，破壞了水系結(jié)構(gòu)和連通性[1]；圩區(qū)建設(shè)阻斷了內(nèi)外水體交換，水系暢通性變差。針對上述問題，南京水科院張建云院士團隊率先系統(tǒng)性地提出了平原城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合治理思路，包含河流的控源截污、河道的治理、水系的連通、動力的調(diào)控、凈化的強化和生態(tài)的修復(fù)6個方面[2]，并認為活水是水環(huán)境治理的靈魂，要實現(xiàn)水流不腐。為此，許多專家學者[3-6]開展了活水方面的研究，取得了一定的成果。蘇州、南通、常州等平原河網(wǎng)城市[7-9]在該治水思路指導(dǎo)下通過引水調(diào)水，同時結(jié)合控源截污、生態(tài)修復(fù)、長效管護等工程及非工程措施，實現(xiàn)了城區(qū)水環(huán)境的提升。

隨著對水環(huán)境問題認識的不斷深入，新時期下水環(huán)境治理已由以往單一的水環(huán)境污染治理向“三水統(tǒng)籌”（即水環(huán)境、水資源和水生態(tài)）的水生態(tài)環(huán)境保護思路轉(zhuǎn)變[10]。在此新治水要求下，本文以常熟市城區(qū)為研究對象，綜合考慮常熟市水系和水利工程分布的特點，借助河網(wǎng)水動力數(shù)學模型開展暢流活水方案決策研究，因地制宜地提出暢流活水工程建設(shè)及調(diào)度方案，為改善常熟市城區(qū)水環(huán)境提供保障，并為其他長江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)實現(xiàn)“三水統(tǒng)籌”提供新思路。

1 研究區(qū)域概況

常熟市位于江蘇省東南部、太湖下游，境內(nèi)河網(wǎng)交織，各河流湖泊均屬于太湖水系，屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。城區(qū)河道主要由3條環(huán)繞城區(qū)的環(huán)河、13條從城區(qū)向四周放射的骨干河道以及其余河道組成，屬于環(huán)射形水系格局，河道水域南密北疏，河道比降小，水流平緩，迂回蕩漾，受潮汐引排和片區(qū)分布影響，河道無固定流向[11]，增加了水系治理的難度。研究區(qū)域水系及水利工程分布見圖1。在開展暢流活水工程前，常熟市已做了大量的水環(huán)境治理工作，但多數(shù)河道仍然存在水少、水緩、水臟的問題?！八佟奔撮L江清水引入城區(qū)后，大部分水量從主干河道流走，城區(qū)內(nèi)部中小型河道分得的水量較少；“水緩”即城區(qū)內(nèi)地勢高差較小，內(nèi)部河道流動性較差，且部分河道由明河變暗河，或是直接被截斷為斷頭浜；“水臟”即部分人口密集地區(qū)，污水入河量較大，進而影響整個城區(qū)水質(zhì)。

圖1 研究區(qū)域水系及水利工程分布

2 城區(qū)河網(wǎng)數(shù)學模型構(gòu)建

通過構(gòu)建常熟市城區(qū)精細化河網(wǎng)水動力學模型，對活水后河道的流量、流速、水位等水力要素進行模擬，并以此來制定和優(yōu)化暢流活水方案。

城區(qū)河道采用一維模型，并應(yīng)用Saint Vennant方程組進行求解：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2；q為旁側(cè)入流流量，m2/s；x為距離，m；t為時間，s；h為水深，m；g為重力加速度，m/s2；Vx為旁側(cè)入流在水流方向上的流速分量，m/s；vˉ為斷面平均流速，m/s；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；K為流量模數(shù)；a為動量修正系數(shù)；v為流速，m/s。

3 城區(qū)暢流活水方案研究

城區(qū)暢流活水主要是在已有河道基礎(chǔ)上，通過重新規(guī)劃城區(qū)河道布局和功能，合理布置配水工程及調(diào)控工程，并借助科學的引排調(diào)度以達到水體流動及水質(zhì)改善的目標[12]。

3.1 引排水格局分析

海洋涇東接長江，入江口建設(shè)有海洋涇樞紐，因受潮汐影響，海洋涇最大泵引流量為30m3/s，高潮位時自引，流量不穩(wěn)定，最大瞬時流量可達200m3/s。近些年海洋涇實測水質(zhì)監(jiān)測資料顯示，監(jiān)測斷面水質(zhì)狀況整體較好，各項水質(zhì)要素濃度平均值基本符合Ⅲ類地表水環(huán)境質(zhì)量標準，最值與均值差異度較小，表明海洋涇引水水質(zhì)較好且穩(wěn)定。因此，可將海洋涇作為城區(qū)主要的引水水源。，此外，另一條引清通道是從望虞河引水，經(jīng)由山前塘至城區(qū)，引水流量約13m3/s。根據(jù)望虞河常熟段水質(zhì)評價結(jié)果顯示，望虞河水質(zhì)可達Ⅲ類水標準，水質(zhì)總體為優(yōu)，因其引水流量小，故作為城區(qū)次要引水水源。因此，本次城區(qū)暢流活水方案明確從兩條途徑向城區(qū)引入優(yōu)質(zhì)水源，以北邊的海洋涇為主，西邊的望虞河山前塘為輔引入水源，見圖2。

3.2 方案制定

3.2.1 設(shè)計思路

方案擬通過“包圍控制、靈活調(diào)度”的方式實現(xiàn)常熟城區(qū)換水自如，滿足改善水質(zhì)的要求。針對城區(qū)內(nèi)引入的清水從主干河道直接流走，難以進入中小河道這一核心問題，在研究范圍邊界上所有較大口門處新建控制工程，形成大包圍，通過控制工程的啟閉，實現(xiàn)對城區(qū)河道排水能力和方向的控制，從而增強對城區(qū)河網(wǎng)的總體調(diào)控能力。同時，針對常熟城區(qū)地形平坦、河道流動缺乏自然動力的特點，在常滸河、清墎塘、護城河和橫徑塘5處設(shè)置溢流堰，精細調(diào)控水位，進一步增強河網(wǎng)的可控性。

3.2.2 活水區(qū)域劃分

方案以護城河、環(huán)城河、東環(huán)河為界，將全城分為三環(huán)。第一環(huán)以護城河為界，是全城核心區(qū)——古城區(qū)；第二環(huán)以護城河和環(huán)城河為界；第三環(huán)以環(huán)城河與東環(huán)河為界。以三環(huán)為基礎(chǔ)將全城劃分為4個區(qū)域，分別為中心區(qū)、東區(qū)、西南區(qū)和西北區(qū)，區(qū)域劃分見圖2。

3.2.3 主要活水工程布局

根據(jù)研究方案的設(shè)計思路，在研究范圍邊界的山前塘、太平港、元和塘、橫涇塘西、橫涇塘東、肖涇港、白茆塘、青墩塘、常滸河、陳涇共10個口門處新建7座樞紐和3處單閘，各樞紐分布位置及設(shè)計尺寸見圖1。

規(guī)劃新建常滸河、青墩塘兩處控制工程，其作用是將三環(huán)隔開。新建護城河、環(huán)城河、橫涇塘三處控制工程，其作用是將每一環(huán)分出高低水片，通過控制工程和閘站精細調(diào)控水位，逐級遞減。城區(qū)范圍內(nèi)已建小規(guī)模閘站，根據(jù)運行調(diào)度需要，通過調(diào)控閘門的開度，控制各河道的水量、流速。

3.2.4 暢流活水方案擬定

根據(jù)方案設(shè)計思路，憑借10個口門處的控制工程所形成的大包圍圈，可實現(xiàn)全城活水、分區(qū)活水和局部強化活水三大類型暢流活水方案。

a. 全城活水方案。清水經(jīng)海洋涇和山前塘引入，當外河水位低于3.40m時，大包圍圈控制工程元和塘閘、橫涇塘西閘和肖涇港樞紐關(guān)泵開閘自流，元和塘、橫涇塘和肖涇港作為主要退水河道，其他控制工程均關(guān)閉，通過內(nèi)部河網(wǎng)及控制工程調(diào)控城區(qū)內(nèi)各河道水位及流量。當外河水位高于3.40m時，3個樞紐關(guān)閘開泵，泵排至泵前水位3.30m。結(jié)合城區(qū)外河常水位情況，將該方案按不同外河常水位細分出4個不同工況（3.20m水位自排、3.30m水位自排、3.40m水位自排及泵排）進行模擬。

b. 分區(qū)活水方案。為進一步提升活水效果，對城區(qū)3個區(qū)域（即中心區(qū)、東區(qū)和西南區(qū)）單獨進行活水方案設(shè)計。中心區(qū)活水方案：該方案在外河水位3.30m情況下進行模擬計算。清水經(jīng)海洋涇和山前塘引入，大包圍控制工程元和塘閘、常滸河樞紐關(guān)泵開閘自流，元和塘和常滸河作為主要退水河道，山前塘樞紐開泵引水，其他大包圍控制工程均關(guān)閉，通過內(nèi)部河網(wǎng)及控制工程調(diào)控城區(qū)內(nèi)各河道水位及流量。東區(qū)活水方案：該方案在外河水位3.30m情況下進行模擬計算。清水主要經(jīng)海洋涇引入，大包圍控制工程橫涇塘西閘、肖涇港樞紐關(guān)泵開閘自流，橫涇塘和肖涇港作為主要退水河道，山前塘樞紐開泵引水，作為次要引水途徑，其他大包圍控制工程均關(guān)閉，通過內(nèi)部河網(wǎng)及控制工程調(diào)控城區(qū)內(nèi)各河道水位及流量。西南區(qū)活水方案：該方案在外河水位3.30m情況下進行模擬計算。清水經(jīng)山前塘樞紐開泵引入，大包圍控制工程元和塘閘關(guān)泵開閘自流，元和塘作為主要退水河道，全城閘門和泵站均無控制。

c. 局部強化活水方案。根據(jù)現(xiàn)有河網(wǎng)、控制建筑物布設(shè)情況，目前劃分的片區(qū)中興隆片區(qū)、青墩片區(qū)、湖圩片區(qū)有能力實現(xiàn)封閉，可以將清水引入用于強化局部活水效果。具體3個片區(qū)活水方案如下：興隆片區(qū)：引水通道為海洋涇，排水通道為常滸河，常滸河樞紐關(guān)閘開泵排水，引排水規(guī)模為15m3/s，具體工況為關(guān)閉信一廣場北閘、陳涇北閘、耿涇塘南閘、花板塘閘、唐家壩閘，新省中閘站、陸石涇閘站，五星片區(qū)閘站開啟情況和東區(qū)活水一致，關(guān)閉2號、3號和4號溢流堰。青墩片區(qū)：水源為海洋涇，引水通道為常滸河，排水通道為青墩塘，青墩塘樞紐關(guān)閘開泵排水，引排水規(guī)模為20m3/s。具體措施與興隆片區(qū)相似，將常滸河北側(cè)閘門關(guān)閉，青墩塘南側(cè)閘門關(guān)閉，并關(guān)閉2號、3號和4號溢流堰。湖圩片區(qū)：水源為海洋涇，排水通道為白茆塘，白茆塘樞紐關(guān)閘開泵排水，引排水規(guī)模為30m3/s。具體措施與興隆片區(qū)相似，將青墩塘北側(cè)閘門關(guān)閉，白茆塘南側(cè)閘門關(guān)閉，并關(guān)閉2號溢流堰，打開3號溢流堰，控制4號溢流堰開度。

3.2.5 西北區(qū)水質(zhì)改善方案

西北區(qū)內(nèi)有4條斷頭浜，引清活水效果有限，因此作為單獨區(qū)域進行考慮，且斷頭浜污染較重，污水通過南福山塘進入古城，影響古城區(qū)水質(zhì)。因此，考慮沿用現(xiàn)有泵以抽回流方式進行換水，并對斷頭浜內(nèi)的污染源實施截污工程。平時可使用微氧增氧推流機來改善河道水質(zhì)，當水體污染較重時，可使用移動式超磁水體凈化站對水體進行處理。

3.3 方案效果分析

河道的水位、流速、流量作為反映水體流動性的重要參數(shù)，是此次方案模擬效果分析的重要指標。通過水位差、流速以及流量分配變化情況，可以判斷方案活水效果。

a. 全城活水方案。按照方案目標，認為流速大于10cm/s的河段為流速優(yōu)秀河段，流速為5～10cm/s的河段為流速較好河段，流速小于5cm/s的河段為流速較差河段?？紤]到流速大小與河道斷面有關(guān)，在河道較寬處流速放緩，因此，統(tǒng)計流速優(yōu)秀和較好的河道長度約占總河道長度的90%，全城活水方案各工況的模擬效果較好，能夠?qū)崿F(xiàn)城區(qū)活水目標。各工況下水位及流速分布見圖3～圖6。

圖4 全城活水方案（3.30m水位自排）水位及流速示意圖

圖5 全城活水方案（3.40m水位自排）水位及流速示意圖

圖6 全城活水方案（泵排）水位及流速示意圖

b. 分區(qū)活水方案。經(jīng)統(tǒng)計，中心區(qū)及西南區(qū)內(nèi)流速優(yōu)秀和較好的河長均占整個河長的90%以上。相較于全城活水方案，中心區(qū)內(nèi)的五星片區(qū)流經(jīng)流量從7.0m3/s提升至13.5m3/s，河流流速提升近一倍。東區(qū)內(nèi)流速優(yōu)秀和較好的河長占整個河長的80%。相較于全城活水方案，東區(qū)活水方案流經(jīng)各片區(qū)的流量大幅度提升。興隆片區(qū)流經(jīng)流量從9.0m3/s提升至15.0m3/s，青墩片區(qū)從20.0m3/s提升至24.0m3/s，湖圩片區(qū)從20.0m3/s提升至24.0m3/s，花溪片區(qū)從17.5m3/s提升至20.6m3/s，渠中片區(qū)從12.5m3/s提升至13.6m3/s。各分區(qū)活水后水位及流速見圖7～圖9。

圖7 分區(qū)活水方案（中心區(qū)自排）水位及流速示意圖

圖8 分區(qū)活水方案（東區(qū)自排）水位及流速示意圖

圖9 分區(qū)活水方案（西南區(qū)自排）水位及流速示意圖

c. 局部強化活水方案。興隆片區(qū)、青墩片區(qū)和湖圩片區(qū)根據(jù)規(guī)劃可分別實現(xiàn)15m3/s、20m3/s、30m3/s的引排流量。通過局部的引排，能在短期內(nèi)將多年積累的污水和底泥實現(xiàn)置換清理。

4 結(jié)語

本文以常熟市為例，在“三水統(tǒng)籌”的水環(huán)境治理要求下，因地制宜地提出暢流活水方案設(shè)計思路，結(jié)合城區(qū)現(xiàn)狀河網(wǎng)格局，科學劃分活水區(qū)域，合理布設(shè)控制工程，實現(xiàn)全城、分區(qū)及局部強化的三大類活水方案，并單獨對以斷頭浜為主的區(qū)域，采用抽回流的循環(huán)活水方式進行了治理。常熟市城區(qū)是典型的長江中下游平原河網(wǎng)地區(qū)，其周期性開閉閘門、自流引清、有序沖排的暢流活水方案，為解決“三水統(tǒng)籌”提供了新思路。