平原水網(wǎng)城市多源供水布局方案研究

于建忠，馬以宏，張 旭，王振紅

(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 215103；2.蘇州創(chuàng)元建設(shè)工程有限公司，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)地勢低洼平坦，河網(wǎng)密布但普遍水體流動性較慢，大部分地面高程均在江河湖泊的洪枯水位之間。為保障防洪除澇安全，許多地區(qū)建設(shè)了圩區(qū)及城市防洪包圍，一定程度上阻斷了水體的自由交換，給水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)帶來部分影響[1-3]。

平原河網(wǎng)區(qū)通過調(diào)水引流引入優(yōu)質(zhì)水源及合理的調(diào)度運行，既可以增加引清水量，有效增加河道水環(huán)境容量，也可以增大流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，水生微生物、植物的數(shù)量和種類以及水生生物活性相應(yīng)增強，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一[4-5]。

為了全面提升蘇州古城區(qū)河道水質(zhì)，2012年起蘇州市結(jié)合城區(qū)截污、清淤、保潔等水環(huán)境治理的工作實踐，實施了“自流活水”工程，引入合適的源水并按需分配到177條河道中。水體流動性得到增強，水質(zhì)明顯改善，水生態(tài)逐漸得到恢復(fù)[6-8]。從近年城內(nèi)河道水質(zhì)來看，城區(qū)活水效果改善進入瓶頸期，部分區(qū)域河道水體水質(zhì)仍不盡理想，片區(qū)間、縱橫向河道差異較大，且城區(qū)活水體系持續(xù)性保障度不高，研究新的源水供給，具有十分重要的意義。

1 現(xiàn)狀活水體系

蘇州享有“東方水城，人間天堂”的美譽。現(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，另一路為外塘河引陽澄湖來水。外塘河水源在西塘河引水受流域水資源調(diào)度限制或望虞河水質(zhì)不穩(wěn)定期間作為補充。通過東西環(huán)城河上的閶門堰、婁門堰和防洪大包圍樞紐的合理調(diào)控，形成北高南低水位差，實現(xiàn)全城活水、持續(xù)活水、自流活水?，F(xiàn)狀自流活水體系布局如圖1所示，城區(qū)周邊水系概覽示意圖如圖2所示。

圖1 現(xiàn)狀自流活水布局示意圖

圖2 城區(qū)周邊水系概覽示意圖

“自流活水”工程2013年建成投運以來，城區(qū)河道水質(zhì)明顯提升，古城區(qū)河道水體由原來的Ⅴ劣、劣Ⅴ類，提升至Ⅳ類，古城外圍河道由于清水的不斷補充，水質(zhì)也有普遍改善。

2 主要問題

現(xiàn)狀雙源供水時，西塘河為主水源，水量相對豐沛，但其水質(zhì)存在季節(jié)性差異，持續(xù)性保障度不高。汛期太湖泄洪期間，太湖洪水?dāng)y帶大量藍藻進入望虞河，此時須停用西塘河水源供水。只能利用外塘河向城區(qū)送水，但入城水量為日常西塘河引水量的一半左右，僅基本能維持古城內(nèi)河道活水，城南等活水末端區(qū)域活水效果更差。通過水源水質(zhì)系統(tǒng)調(diào)查、實際調(diào)水運行分析，目前兩水源難以保證城區(qū)整年度持續(xù)活水需求。

從調(diào)水效果看，總體而言，古城區(qū)水質(zhì)改善較好，但片區(qū)間、縱橫向河道差異較大。城南等區(qū)域始終處于活水末端，來水易受到區(qū)間污染的影響，來水水質(zhì)也不穩(wěn)定。另一方面，目前的活水體系充分利用北高南低水勢實現(xiàn)自流活水。因此，城區(qū)南北向河道水體流動和水質(zhì)改善效果較為明顯，但部分東西向河道水體仍存在滯流現(xiàn)象。

3 三源供水研究

3.1 引水水量分析

城區(qū)為平原河網(wǎng)地區(qū)，水勢小，河道流速緩慢，同時存在往復(fù)流、滯流情況?；钏畷沉鞴こ讨饕ㄟ^營造一定的水位差后提升區(qū)間河道的流動性，滿足河道適宜的生態(tài)、感觀流速需求。根據(jù)引水期間實現(xiàn)城區(qū)河道流速總體達到5～15cm/s的活水目標(biāo)要求。經(jīng)城區(qū)河網(wǎng)數(shù)模分析計算，參照城區(qū)現(xiàn)有引水入城規(guī)模以及蘇州周邊城區(qū)引清活水經(jīng)驗，城區(qū)適宜引水規(guī)模48～55m3/s[6]。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藻密度偏高暫停西塘河供水外，全年引水以西塘河供水為主，現(xiàn)狀城區(qū)活水日常入城流量約30m3/s，相應(yīng)補充水量規(guī)模需求約18～25m3/s。

城南、城西區(qū)為現(xiàn)狀“自流活水”的惠及區(qū)，是引水工程研究的新增目標(biāo)區(qū)，在現(xiàn)狀活水體系下，根據(jù)分片供水就近集中、快速滿足城南、城西區(qū)活水需求。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)有引水通道區(qū)域活水需求適當(dāng)減輕西塘河入城供水任務(wù)，綜合確定胥江引水規(guī)模為20m3/s。

3.2 引水路徑研究

3.2.1引水路徑方案

為解決現(xiàn)狀自流活水兩水源點難以保證城區(qū)整年度持續(xù)活水需求，須研究新的入城水源。同時，為解決現(xiàn)狀自流活水片區(qū)間、縱橫向河道差異較大問題，須在充分考慮對城市建設(shè)發(fā)展影響最小的前提下于城西/南尋求新的引水入城線路，或采取工程措施使水流分配合理、均衡。從圖2可看出，城西/南側(cè)規(guī)模較大的對外聯(lián)絡(luò)河道主要是東西走向的胥江與南北走向的西塘河、老運河。但是，西塘河線路較長，沿途水量散失較大，且是吳中城區(qū)的主要排水河道，不適合作為引水通道。老運河位于城區(qū)東南角，若從老運河引水，一方面與城市北引南排、西引東排的水勢相悖。另一方面老運河水源來自蘇南運河，受航運及上游來水影響水質(zhì)相對欠佳。胥江為2500年前伍子胥主持開挖的史上第一條人工運河，西接太湖、東入護城河，因勢利導(dǎo)引太湖清水入城。胥江引水入城無論從區(qū)位、水源、水勢均能很好的解決現(xiàn)狀自流活水的水源保證率、片區(qū)與河道間的受水差異。

基于太湖與城區(qū)的水系現(xiàn)狀，胥江引水路徑又有“大太湖引水”與“東太湖引水”兩個方案可供選擇，如圖3所示。

圖3 引水線路方案示意圖

3.2.2線路方案比選

在水量水質(zhì)保障度方面，“大太湖引水”方案引水線路總長為14.7km，引水線路較長，引水期間沿線有26處支河口若維持敞開，則沿程水量散失明顯(約占40%)，引水效率低。若對兩岸口門進行有效控制，以提升送水效率，則需協(xié)調(diào)好周邊地區(qū)的排水、活水和日常的水系連通需求。入城水量、水質(zhì)難以保證?！皷|太湖引水”方案引水線路總長度為8.6km。此線路充分利用現(xiàn)有石湖引水通道，線路短，環(huán)石湖支河口門均已建有控制，沿線污染入河較少。石湖景區(qū)管理完善，石湖水質(zhì)多為Ⅱ類，水量可控、水質(zhì)保障度更高。

對于周邊的影響方面，“大太湖引水”方案，線路穿越蘇州吳中區(qū)及高新區(qū)多個鎮(zhèn)區(qū)中心，沿線城鎮(zhèn)格局均已形成、人口較為密集。為保障引水入城的水質(zhì)和效果，城外段支河口門需全部新設(shè)控制，投資較大。并且胥江引水入城期間支河口門關(guān)閉后，將打亂周邊地區(qū)排水、活水體系，支河將缺乏清水補給，水環(huán)境風(fēng)險增加。

“東太湖引水”方案充分利用城區(qū)段胥江歷史水道和城外段石湖現(xiàn)有引水通道，石湖周邊支河均建有控制，且現(xiàn)狀引水通道已運行多年，運行管理完善，對周邊地區(qū)影響較小。但是，引水入城期間，可能會對既有石湖引水工程產(chǎn)生一定影響。經(jīng)分析在滿足石湖適宜水位基礎(chǔ)上，通過挖掘調(diào)度潛力，利用分時段合理調(diào)度，可調(diào)控石湖出入湖水量平衡，以滿足城區(qū)活水、石湖保水和周邊地區(qū)水環(huán)境用水需求。

在工程投資及運行費用方面，“東太湖引水”方案工程內(nèi)容主要包括新建越城河閘站、引水隧洞等；“大太湖引水”方案工程內(nèi)容主要包括胥口樞紐泵站增容、新建沿線口門控制26處及穿京杭運河立交輸水通道等?！皷|太湖引水”方案引水通道主體工程投資約35000萬元；“大太湖引水”方案工程內(nèi)容多、規(guī)模大，引水通道主體工程投資約41000萬元，工程總投資及年運行費均大于前者。

綜合以上各因素分析，“東太湖引水”方案充分利用城南石湖現(xiàn)有引水通道引東太湖水入城，經(jīng)越城河和輸水隧洞進入城區(qū)段胥江，實現(xiàn)胥江與太湖的溝通，水量、水質(zhì)更有保證。兩條引水線路方案比選匯總見表1。

表1 引水線路方案比選表

4 東太湖水方案分析

4.1 入城通道方案

根據(jù)引水線路沿線河道分布，運河以南段利用現(xiàn)有小石河—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，沿線若開挖明河將引起大量征遷，對城市發(fā)展及當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉa(chǎn)、生活影響很大，且途中需穿越京杭運河。為保證入城水量和水質(zhì)，降低對城市的影響，規(guī)劃越城河以北段2.1km入城送水通道全程采用地下引水隧洞。

引水線路布局如圖4所示。

圖4 石湖引水線路布局示意圖

4.2 引水工程方案

4.2.1城區(qū)水位控制需求

“自流活水”期間，城區(qū)北高南低水勢，城南片長年日常水位2.7～2.8m。胥江引水期間，考慮適當(dāng)抬高南部河網(wǎng)水位，以提升城區(qū)河道親水性。根據(jù)2000年后覓渡橋站水位分析，城區(qū)內(nèi)河多年平均水位3.0m，非汛期多年平均水位2.96m。確定南部城區(qū)按不低于多年平均水位3.0m控制。由于胥江入環(huán)城河口北側(cè)附近有局部地洼地，日常最高水位不宜超過3.05m?？紤]河道親水性和洼地排水安全，胥江送水期間西環(huán)城河水位按3.0～3.05m控制。

4.2.2水源區(qū)水位要求

東太湖水經(jīng)小石河、石湖、引水隧洞向城區(qū)送水，線路總長約8.6km，其中石湖按湖泊考慮，忽略南北水位落差。經(jīng)水利計算，按照目標(biāo)區(qū)西環(huán)城河日常水位3.0～3.05m控制要求，為保證引水入城，在設(shè)計引水流量20m3/s條件下，引水隧洞直徑5.5m，水源區(qū)東太湖水位應(yīng)不低于3.95m，相應(yīng)引水通道區(qū)石湖節(jié)點水位應(yīng)不低于3.87m。引水全程水位關(guān)系如圖5所示。

圖5 工程沿線水勢示意圖

4.2.3越城河泵站建設(shè)分析

2014年石湖及周邊地區(qū)引水體系建成并常態(tài)運行至今，引水期間保持石湖水位為3.3～3.4m。目前，石湖景區(qū)內(nèi)部景觀、親水平臺等基礎(chǔ)設(shè)施均按日?？刂扑?.4m建設(shè)，若抬高石湖日?？刂扑粚⒅苯佑绊懼苓吇A(chǔ)設(shè)施的正常運行。同時環(huán)石湖閘、堰、壩等建筑物頂高除局部作為東部吳中南城區(qū)防洪建筑物有擋為3.5～3.8m，難以滿足3.87m以上的石湖保水需求，即石湖現(xiàn)有活水體系也不支持本規(guī)劃工程自流引水3.87m以上。綜上分析，石湖不具備抬高水位自流入城的條件。為保證清水入城一定的水勢，又不影響石湖控制水位，規(guī)劃在石湖北側(cè)越城河上新建引水泵站20m3/s動力引水入城。

5 結(jié)語

胥江引水工程在城區(qū)現(xiàn)有雙源供水基礎(chǔ)上，充分利用城區(qū)南臨太湖的區(qū)位優(yōu)勢、西引東排自然水勢，恢復(fù)河(環(huán)城河)湖(太湖)溝通，利用胥江千年水道重架太湖與姑蘇城連接，增加姑蘇城區(qū)清水源頭補給，提升活水保障度，滿足不同河道活水需求。工程初步設(shè)計已經(jīng)批復(fù)，目前正工抓緊實施。

工程建成后，城區(qū)活水新增南部太湖來水，入城水量增加，水源進一步保障，可根據(jù)目標(biāo)區(qū)引水需求和水源水質(zhì)條件靈活調(diào)度一個或多個水源，實現(xiàn)優(yōu)化古城區(qū)、提升城南區(qū)，輻射城西區(qū)、兼顧城北區(qū)水質(zhì)改善的活水效果，配合城區(qū)“清水工程”的實施，實現(xiàn)城區(qū)水“更清、長清”，滿足百姓對生態(tài)文明城市建設(shè)的美好向往。