常州市運(yùn)北主城區(qū)暢流活水方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

柳 楊，范子武，謝 忱，劉國(guó)慶，楊 帆，潘小保

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

平原河網(wǎng)區(qū)通過(guò)調(diào)水引流引入優(yōu)質(zhì)水源、合理調(diào)度運(yùn)行，既可以增加引入清水量，稀釋河水，降低污染物的濃度，有效增加河道的水環(huán)境容量和水體自凈能力；也可以調(diào)活水體，增大流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一[1-3]。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代末開始便有引水沖污、引清調(diào)水改善水環(huán)境的試驗(yàn)嘗試[4-7]，當(dāng)時(shí)已能根據(jù)引水工程運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)河道水質(zhì)的改善進(jìn)行定性和定量評(píng)估，但對(duì)引水各主要水系水量重新(優(yōu)化)分配后的水質(zhì)變化只能作定性分析。21世紀(jì)以來(lái)，常熟、昆山、張家港等地[8-10]在引水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水量、水質(zhì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MIKE11水量數(shù)學(xué)模型，模擬不同工況下不同引水量的水質(zhì)改善效果，但水量相對(duì)誤差在20%左右，模型精度仍有待進(jìn)一步提高。

本文基于現(xiàn)狀水系及水利工程，建立了河網(wǎng)水動(dòng)力精細(xì)化數(shù)學(xué)模型，分析了不同方案的河網(wǎng)流速變化情況，以提高水體流動(dòng)性為目標(biāo)，提出常州市主城區(qū)暢流活水總體思路及工程建設(shè)方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證暢流活水方案改善水環(huán)境的效果。

1 研究區(qū)域概況

常州市地處江淮交匯，北鄰長(zhǎng)江，東臨太湖，西臨鎮(zhèn)江、南京，南臨安徽省，屬于長(zhǎng)江三角洲上的太湖平原，地勢(shì)西南高、東北低，屬平原水網(wǎng)區(qū)，河道縱橫，水系豐富，河道水力坡降較小，水流緩慢，往復(fù)流動(dòng)。本文以常州市主城區(qū)為研究重點(diǎn)，活水范圍北至新龍河和滬寧高速公路，東臨丁塘港，南到京杭運(yùn)河，西靠德勝河，總面積179.2 km2。常州市主城區(qū)內(nèi)部水系發(fā)達(dá)、呈輻射狀，以老運(yùn)河、關(guān)河環(huán)抱老城區(qū)為中心，向外輻射有澡港河、北塘河、采菱港河、白蕩河、南運(yùn)河、橫塘河等城區(qū)骨干河道。研究范圍內(nèi)大小河道共113條，長(zhǎng)約285 km，其中斷頭浜43條，長(zhǎng)約50 km。

目前主城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面：骨干河道水質(zhì)尚可，城區(qū)小河道水質(zhì)較差；河網(wǎng)較為分割，存在多處斷頭浜，水系暢通性差；引水難入中小河道，直接從骨干河道流走；河道兩岸截污不徹底，水質(zhì)受污染；部分區(qū)域缺乏調(diào)控工程設(shè)施；相對(duì)河岸景觀、生態(tài)，河道水體渾濁、感觀較差；城市建設(shè)過(guò)程中，填埋、擠占河道。

2003年“水利進(jìn)城”，常州市水利局實(shí)施了為期6年的水環(huán)境整治一期工程和“清水工程”(由市環(huán)保局牽頭)，并同步開展市區(qū)河道調(diào)水換水研究工作。2009年，市水利局發(fā)布《常州市區(qū)河道引清調(diào)水調(diào)度方案(試行)》：高潮期正常引水外，低潮期視內(nèi)河水質(zhì)改善需求每月開啟江邊泵站動(dòng)力引清水2～3次。清水進(jìn)城后，依托老運(yùn)河、關(guān)河等7條主要河道，啟用排澇閘站對(duì)城區(qū)河道定期換水、活水及調(diào)水方案定期運(yùn)行后，區(qū)域內(nèi)42條河道基本達(dá)到了“不黑不臭、管理到位”的既定目標(biāo)。但分析城區(qū)德勝河橋(德勝河)、常新橋(澡港河)、連江橋(老運(yùn)河)、鐘樓大橋(京杭運(yùn)河)、陽(yáng)湖大橋(京杭運(yùn)河)、清樣橋(北塘河)等6個(gè)斷面近三年的水質(zhì)情況發(fā)現(xiàn)德勝河橋超標(biāo)率59%、常新橋超標(biāo)率17%、連江橋超標(biāo)率74%、鐘樓大橋超標(biāo)率66%、陽(yáng)湖大橋超標(biāo)率33%、北塘河清樣橋超標(biāo)率71%，城區(qū)水環(huán)境問(wèn)題仍十分嚴(yán)峻。

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與率定

2.1 基本框架

本文通過(guò)ICM軟件構(gòu)建一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，采用有限差分法求解一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)，采用Preissman四點(diǎn)隱格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散化求解。

一維河道(河網(wǎng))的洪水運(yùn)動(dòng)用St.Vennant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過(guò)程控制、流量過(guò)程控制、流量-水位關(guān)系控制等形式。由基本方程St.Vennant方程、邊界條件和初始條件共同組成一維水流運(yùn)動(dòng)的定解問(wèn)題[11]。描述河道水動(dòng)力過(guò)程的一維圣維南方程組由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

(1)

(2)

式中：x，t分別為河道縱向坐標(biāo)及時(shí)間；n為糙率系數(shù)；Q，Z分別為斷面流量及水位；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；u，R分別為過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉偌八Π霃?；g為重力加速度；Bt=B+Bw，其中B和Bw分別為河寬和附加灘地寬度。

本文采用的河流模擬軟件Infoworks ICM的數(shù)值計(jì)算方法為有限差分法，并采用Preissmann四點(diǎn)隱格式。初始條件如下：

(3)

式中：Z，v分別為初始流場(chǎng)各點(diǎn)的水位和流速值，一般流速場(chǎng)取為靜止場(chǎng)，水位則取控制斷面的水位值。對(duì)于非恒定流計(jì)算，先按恒定流計(jì)算，得到一個(gè)恒定場(chǎng)，作為初始場(chǎng)。

2.2 模型構(gòu)建

本研究模擬范圍為常州市運(yùn)北主城區(qū)河網(wǎng)，北至新龍河和滬寧高速公路，東臨丁塘港，南到京杭運(yùn)河，西靠德勝河，全片總面積179.2 km2。主城區(qū)大小河道約113條，內(nèi)部河網(wǎng)總長(zhǎng)度大約285 km。模型中創(chuàng)建的河道斷面均為實(shí)測(cè)斷面，共創(chuàng)建斷面1 154個(gè)、河段335段、閘門69座、泵站71座，如圖1所示。

圖1 常州市河網(wǎng)模型

根據(jù)《水力學(xué)手冊(cè)》、《河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)參考文獻(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)河道賦予不同的糙率初始值。一級(jí)河道(澡港河、京杭運(yùn)河、德勝河)n選取0.025，二級(jí)河道(南運(yùn)河，橫塘河，白蕩河等)選取0.030，三級(jí)河道(章家浜等)選取0.035。

常州運(yùn)北主城區(qū)多年平均水位3.41 m，歷史最高水位6.08 m，歷史最低水位2.42 m。長(zhǎng)江常水位3.8～4.0 m，京杭大運(yùn)河水位為3.4～3.6 m。模型計(jì)算時(shí)，上游流量邊界選取德勝河、澡港河和大運(yùn)河的流量過(guò)程，控制節(jié)點(diǎn)分別為B1，B2和B3；水位控制點(diǎn)主要是大運(yùn)河水位，本文選取下游戚墅堰水位作為下游控制水位，控制節(jié)點(diǎn)為B4。

2.3 模型率定

模型率定驗(yàn)證主要用于調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)以提高模擬結(jié)果的精確度，一維模型中的主要影響因子為河道糙率。對(duì)于常州市主城區(qū)水動(dòng)力模型，采用2016年12月26—28日現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)率定，模型計(jì)算時(shí)將德勝河、澡港河和京杭大運(yùn)河的實(shí)測(cè)入流過(guò)程作為上游邊界，戚墅堰水位過(guò)程作為下游邊界，按照實(shí)際水利工程運(yùn)行設(shè)置閘泵調(diào)度。率定時(shí)，將內(nèi)部多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的水位進(jìn)行對(duì)比，樊家橋、北景橋、茶花路橋和朝暉橋4個(gè)控制點(diǎn)位(位置見圖1)的水位對(duì)比結(jié)果進(jìn)行分析，如圖2所示，圖中實(shí)測(cè)值為各點(diǎn)位自動(dòng)水位尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。模型率定結(jié)果表明，各站點(diǎn)的計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的變化趨勢(shì)相似，且平均誤差能控制在5 cm內(nèi)，基本能夠模擬區(qū)域內(nèi)水量情況，本文基于ICM所建立的常州市主城區(qū)一維水動(dòng)力模型具有較高的精度，能夠較準(zhǔn)確地模擬常州市主城區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力特性。經(jīng)過(guò)率定，最終確定京杭大運(yùn)河、德勝河、澡港河糙率為0.020，古運(yùn)河、關(guān)河糙率為0.025，其他河道糙率為0.030～0.035。

圖2 水位實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值對(duì)比

3 暢流活水方案設(shè)計(jì)與模擬

3.1 引排路徑分析

圖3 引水水流路徑

常州市主城區(qū)北臨長(zhǎng)江，長(zhǎng)江水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類水平，可以作為城區(qū)暢流活水優(yōu)質(zhì)水源，德勝河和澡港河骨干河道水質(zhì)較好，可以作為兩條引水通道，根據(jù)城區(qū)和周邊水系分析確定引排路徑。長(zhǎng)江水源經(jīng)魏村樞紐和澡港水利樞紐引入后，進(jìn)入德勝河和澡港河，隨后分配進(jìn)入其他中小河道。德勝河清水入城后，經(jīng)新閘泵站(擬建)引入，主要供給主城區(qū)西北部薛家片區(qū)和老運(yùn)河南部區(qū)域，其中西北部水流經(jīng)肖龍港(擬打通)北排，南部區(qū)域水流經(jīng)京杭大運(yùn)河?xùn)|排；澡港河清水進(jìn)入城區(qū)后，部分供給東部中小河道，再通過(guò)北塘河、老桃花港北排，部分進(jìn)入老運(yùn)河后，供給南部河流，經(jīng)京杭運(yùn)河?xùn)|排，形成的水流路徑既滿足活水的需要，也兼顧了區(qū)域內(nèi)的防洪排澇，如圖3所示。

3.2 方案設(shè)計(jì)

常州市運(yùn)北主城區(qū)屬平原河網(wǎng)區(qū)，水動(dòng)力條件弱，須在合理位置建設(shè)活動(dòng)溢流堰，人工營(yíng)造河網(wǎng)水位差，形成城區(qū)自流活水格局[12]。根據(jù)城區(qū)水系，需在城區(qū)內(nèi)部形成三級(jí)梯級(jí)水位，即澡港河為第一級(jí)水位、老運(yùn)河為第二級(jí)水位、京杭大運(yùn)河為第三級(jí)水位，才能形成自流活水的狀態(tài)，而活動(dòng)溢流堰是形成三級(jí)水位的關(guān)鍵。

圖4 溢流堰位置及三級(jí)水位

澡港河為城區(qū)重要引水通道，澡港河引水入城后，在主城區(qū)上游分流，一股從澡港河入城，一股從澡港河?xùn)|支流走，為保證入城水量，需在澡港東支建設(shè)活動(dòng)溢流堰；以關(guān)河、老運(yùn)河包圍的老城區(qū)是常州市水環(huán)境提升的重點(diǎn)，以往調(diào)水中，該區(qū)域東西南北4條市河的水流流量均不大，為了保證引水能夠進(jìn)入該區(qū)域，需要在關(guān)河建設(shè)活動(dòng)溢流堰，抬升關(guān)河水位；澡港河?xùn)|支分流后，在下游有分支老澡港河，在澡港河?xùn)|支(老澡港河交匯口下游)布設(shè)活動(dòng)溢流堰才能保證更多的水流進(jìn)入城區(qū)。因此，本文選擇在關(guān)河新市橋、關(guān)河洋橋、澡港河?xùn)|支盤龍?jiān)?、澡港河?xùn)|支恐龍園4處建設(shè)活動(dòng)溢流堰，溢流堰位置示意圖如圖4所示。

城區(qū)上游水位條件(第一級(jí)水位)對(duì)內(nèi)部河道水位、水體流動(dòng)性影響較大，水位設(shè)置時(shí)既需要滿足暢流活水的需求，又不能影響城區(qū)的防洪安全。為確定常州市運(yùn)北主城區(qū)“暢流活水”方案中澡港河入口的控制水位，本文擬定了5組比選方案開展活水效果模擬，計(jì)算方案如表1所示。

表1 計(jì)算方案

3.3 計(jì)算邊界條件

本文采用常州運(yùn)北主城區(qū)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行暢流活水效果模擬，模型計(jì)算時(shí)，上游采用流量過(guò)程、下游采用水位控制，上游流量分別為澡港河長(zhǎng)江側(cè)澡港水利樞紐泵引40 m3/s，魏村樞紐泵引30 m3/s，下游水位取主城區(qū)多年平均水位3.41 m。不同方案計(jì)算時(shí)，城區(qū)上游(澡港河入城口)分別控制3.80，3.85，3.90，3.95和4.00 m共5種水位條件。

3.4 效果模擬

控制澡港河水位3.80 m條件下(方案1)，模型計(jì)算結(jié)果顯示：入城水量為24 m3/s，柴之浜分流1.3 m3/s，三井河分流5.3 m3/s。水流進(jìn)入老城區(qū)后，流量分配情況為：西市河流量5.8 m3/s，北市河8.1 m3/s，南市河3.5 m3/s，東市河8.1 m3/s。城區(qū)河道流速在7 cm/s以上的河道長(zhǎng)度占比為51.34%?？刂圃韪酆铀?.85 m情況下(方案2)，澡港河引水入城區(qū)流量為27 m3/s，相對(duì)方案1入城流量增大，水流進(jìn)入老城區(qū)后，西市河流量6.4 m3/s，北市河8.9 m3/s，南市河3.9 m3/s，東市河5.0 m3/s。本方案城區(qū)河道流速在7 cm/s以上的河道長(zhǎng)度占比為54.17%，相比方案1，活水效果增加。

表2 不同方案主城區(qū)河道流速

控制澡港河水位3.90 m的情況下(方案3)，澡港河引水入城區(qū)流量為28.5 m3/s，進(jìn)入老城區(qū)后，西市河流量6.9 m3/s，北市河9.5 m3/s，南市河4.2 m3/s，東市河5.3 m3/s。本方案中城區(qū)河道流速在7 cm/s以上的河道長(zhǎng)度占比為54.75%，相比方案1和2，本方案的活水效果更好?？刂圃韪酆铀?.95 m(方案4)，澡港河引水入城區(qū)流量為29.5 m3/s，進(jìn)入老城區(qū)后，西市河流量7 m3/s，北市河9.5 m3/s，南市河4.3 m3/s，東市河5.2 m3/s?？刂圃韪酆铀?.95 m，京杭運(yùn)河3.41 m常水位，本方案城區(qū)河道流速在7 cm/s以上的河道長(zhǎng)度占比為54.97%?？刂圃韪酆铀?.0 m(方案5)，澡港河引水入城區(qū)流量為34 m3/s，西市河流量7.5 m3/s，北市河10.1 m3/s，南市河4.6 m3/s，東市河5.5 m3/s。本方案城區(qū)河道流速在7 cm/s以上的河道長(zhǎng)度占比為56.38%，水體流動(dòng)性提高最明顯。上述5組方案下的主城區(qū)內(nèi)各河道流速及各流速下河道長(zhǎng)度占比情況見表2。

通過(guò)對(duì)以上5組方案的模擬，可以看出，水位越高，流速10 cm/s以上的河道占比越大，活水效果越好。從此角度分析，澡港河上游水位越高越好，但是當(dāng)上游水位超過(guò)4.0 m時(shí)，會(huì)對(duì)區(qū)域防洪安全產(chǎn)生影響。因此，建議澡港河水位控制在4.0 m左右，此時(shí)入城流量可達(dá)30 m3/s以上。另外，從所有方案模擬結(jié)果來(lái)看，城區(qū)內(nèi)仍有部分河道的流速較小，經(jīng)分析，流速較小的河道主要存在兩種情況，第一種是如丁家塘河、橫塘浜等管道連接的河道，因?yàn)楹苓^(guò)流能力較小，影響了河道的流速；另一種是白家浜、童家浜、串新浜等斷頭浜，由于水系不連通，現(xiàn)狀條件下，斷頭河的流速不能得到提升。

4 暢流活水效果現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的常州市運(yùn)北主城區(qū)“暢流活水”方案的效果，在方案中4座溢流堰位置搭建臨時(shí)溢流堰，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，溢流堰現(xiàn)場(chǎng)照片見圖5。

本次試驗(yàn)時(shí)間為5月1—13日。試驗(yàn)期間，受新閘工程未實(shí)施改造的影響，僅能形成方案中的一二級(jí)水位差，即東北部城區(qū)可以實(shí)現(xiàn)活水效果，因此本次試驗(yàn)主要針對(duì)東北部城區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，從5月9日開始，澡港河引水40 m3/s，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度區(qū)域內(nèi)水利工程，控制澡港河入口水位達(dá)4.0 m，利用模型計(jì)算時(shí)溢流堰的頂高程預(yù)設(shè)臨時(shí)溢流堰堰頂高程，實(shí)現(xiàn)區(qū)域三級(jí)水位差，與此同時(shí)，對(duì)區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)位水位、流量、水質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)同步觀測(cè)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)溢流堰

試驗(yàn)期間，澡港河入城口水位保持在4.0 m左右，老運(yùn)河水位約為3.8 m，形成了20 cm的一二級(jí)水位差，與模型計(jì)算結(jié)果一致，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)的理想效果。總?cè)肓鳛?8.3 m3/s，其中澡港河30.0 m3/s，澡港河?xùn)|支7.2 m3/s，西市河6.8 m3/s，北市河5.5 m3/s，南市河2.1 m3/s，東市河3.5 m3/s，與前文所述的模型計(jì)算結(jié)果相比，各河道流量分配相似，數(shù)值稍小，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)期間僅從澡港河引水，引水水量稍小，但東北部城區(qū)河道流量比以往調(diào)水試驗(yàn)的實(shí)測(cè)流量明顯增加。由此可見，本次試驗(yàn)有效提高了區(qū)域內(nèi)河道的水動(dòng)力條件。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)變化情況

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 采用常州市主城區(qū)一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，模擬了5種方案下常州市主城區(qū)河網(wǎng)流速分布，提出了“利用長(zhǎng)江優(yōu)質(zhì)水源、打造兩條清水通道、新建4座活動(dòng)溢流堰、形成三級(jí)水位差”的改善城市河網(wǎng)水環(huán)境的最優(yōu)方案，為常州市主城區(qū)水環(huán)境治理提供了科學(xué)依據(jù)。

(2) 采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，通過(guò)澡港河北引長(zhǎng)江水入城，4座活動(dòng)溢流堰調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)部(目前為東北部城區(qū))河道均衡合理分配流量。通過(guò)引水入城、合理配水和自流活水，城區(qū)河道水質(zhì)綜合指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類且大部分處于Ⅲ類，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)水環(huán)境改善和提升。