新孟河引江期間金壇城區(qū)調(diào)水方案研究

張絲葦

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司,上海 200434）

0 前言

長三角一體化進程中,城市水環(huán)境改善、水生態(tài)文明建設(shè)成為高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分。常州市金壇區(qū)位于太湖流域上游、湖西區(qū)腹地,是長三角城市群的重要組成部分,也面臨著典型平原城市河網(wǎng)面臨的水動力條件不足、水體滯流、水流往復(fù)等問題[1]。

金壇區(qū)水系整體呈自北向南,自西向東,北引運河,東、南排太湖的引排格局,金壇區(qū)水環(huán)境改善對于入湖水質(zhì)提升有益。近年來控源截污工作日見成效,金壇城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量有所改善,但仍存在水動力條件差、水體流動性不佳、水體自凈能力差等問題。

目前,太湖流域骨干引排河道新孟河延伸拓浚工程即將實施完成。該工程是流域洪水北排長江的骨干工程之一,也是流域主要引水河道,具有改善水環(huán)境、提高防洪排澇和水資源配置能力等綜合功能和效益[2]。該工程的實施,將增加金壇北引長江水,汛期北排長江的通道,對于金壇區(qū)整體水資源配置能力的提升有益。但是新孟河大流量引江期間,其水位的抬升將導(dǎo)致金壇城區(qū)上下游水頭差進一步減小,城區(qū)河道水動力條件進一步惡化。因此,考慮因勢利導(dǎo),通過實施城區(qū)水系連通及引調(diào)水方案,改善新孟河延伸拓浚工程實施后城區(qū)水動力條件是十分有意義的。

1 研究區(qū)域概況

1.1 區(qū)位概況

金壇區(qū)隸屬于江蘇省常州市,地處江蘇省南部,太湖湖西腹地,西枕茅山與鎮(zhèn)江句容市為界,東與常州武進區(qū)相連,南與溧陽市接壤,東南與無錫宜興市,西北及東北分別與鎮(zhèn)江丹徒區(qū)和丹陽市毗鄰。

金壇城區(qū)是金壇經(jīng)濟、文化和政治中心,根據(jù)《金壇市城市總體規(guī)劃（2013 ~2030）》以及金壇城區(qū)經(jīng)濟發(fā)展要求,金壇城區(qū)范圍為：東至銀湖路接丹陽邊界,西以新丹金溧漕河為界,南至常合高速,北以通濟河接老丹金溧漕河與丹陽邊界,總面積為168.8 km2。

1.2 水系及水利工程建設(shè)情況

金壇區(qū)水系整體呈自北向南,自西向東,北引運河,東、南排太湖的引排格局[3]；汛期金壇區(qū)主要來水為西部山區(qū)降雨徑流及丹金溧漕河；非汛期,丹金溧漕河為金壇區(qū)主要來水水源。丹金溧漕河上游連通京杭運河,其來水水量依托于湖西區(qū)引江口門[4]。丹金溧漕河多年平均徑流量為2.5 億m3。新孟河延伸拓浚工程實施后,隨著其引江能力的發(fā)揮,湖西區(qū)其他沿江口門引水量將有所減少,通過丹金溧漕河入金壇的水量將有所減少。另外,丹金溧漕河水質(zhì)受上游丹陽來水影響很大?？傮w而言,作為金壇區(qū)現(xiàn)有來水水源,丹金溧漕河的水質(zhì)、水量的保障性不高。

金壇城區(qū)水系（圖1）以丹金溧漕河為中軸,西連通濟河,東連柘蕩河、堯塘河、下塘河,南連下坵河、方洛港；湖蕩主要有錢資湖,北與濱湖新城水系及下坵河相連,南通過新建河、方洛港與長蕩湖相連,東與錢資東河相連,形成一個城區(qū)水系互連互通的河網(wǎng)格局。目前城區(qū)共有64 條河道,4 片水面,水面率為8.30%。

金壇城區(qū)采用城市大包圍與圩區(qū)建設(shè)相結(jié)合的防洪體系。良常樞紐、龍山樞紐、石橋樞紐、金花河閘站等形成中心城區(qū)大包圍；潘莊圩、南墅圩、小柘蕩圩等圩區(qū)內(nèi)建筑物較多,為調(diào)水引流提供良好條件。

2 研究方法

2.1 模型介紹

太湖流域模型已應(yīng)用于太湖流域防洪規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃、水環(huán)境綜合治理總體方案等重大規(guī)劃的水利計算,以及望虞河、新孟河、新溝河和走馬塘等流域性工程的論證工作,目前已較為成熟[2]。

2.2 模型搭建

利用太湖流域模型集成的大量基礎(chǔ)資料,在此基礎(chǔ)上,收集金壇城區(qū)及周邊區(qū)域河道、地形資料,對研究區(qū)域進行局部細化并構(gòu)建金壇城區(qū)及其周邊河網(wǎng)水文-水動力-水質(zhì)耦合模型,模型計算范圍見圖2。

計算水文年型采用2000 年流域平水年型。2000 年型降水過程與多年平均過程的基本相當(dāng),屬太湖流域的平水年：流域全年面雨量1074.2 mm,保證率為52%；湖西區(qū)全年降雨保證率為55%。從水文條件出發(fā),2000 年可充分代表太湖流域及湖西區(qū)平水年年型[5]；且新孟河調(diào)引長江水改善太湖流域水環(huán)境方案研究的計算典型年也采用2000 年實測雨量水位過程,與其保持一致,本模型計算典型年采用2000 年。

采用2000 年金壇站、王母觀站實測水位對金壇城區(qū)水位進行率定,采用2018 年城區(qū)河道代表站點實測污染物指標(biāo)濃度對水質(zhì)進行率定,率定結(jié)果表明,計算值與實測值基本接近。

3 調(diào)水方案研究

根據(jù)新孟河延伸拓浚工程模型計算結(jié)果,2000 年平水年型下,新孟河全年總引水量35.13 億m3,8 月~9 月為連續(xù)引水期,引水量12.64 億m3,大約占全年引水量的36%[6]。新孟河延伸拓浚工程規(guī)劃工況下,新孟河與堯塘河交界處全年平均流量154 m3/s,7 月~10 月大流量引江期間平均流量245 m3/s,金壇城區(qū)上下游水位差僅3 cm（丹金閘處斷面作為城區(qū)上游水位代表斷面,新孟河與堯塘河相交處斷面作為城區(qū)下游水位代表斷面,見圖1）。選取連續(xù)引水期2000 年8 月作為本次調(diào)水方案研究時段。

調(diào)水方案結(jié)合流域整體“引江濟太”的格局：新孟河連續(xù)引江期間,水位高、流量大,一方面對城區(qū)河道產(chǎn)生頂托,導(dǎo)致城區(qū)河道滯流情況加重；另一方面也為金壇城區(qū)創(chuàng)造了較好的調(diào)水引流條件。同時,方案必須保障區(qū)域防洪排澇安全：當(dāng)遇到暴雨時,服從流域調(diào)度,提前預(yù)降丹金溧漕河水位。

在此前提下,以城區(qū)上下游水位差作為主要控制因素,以水量、水質(zhì)為參考指標(biāo),通過水系連通、束水建筑物改造、增加必要控導(dǎo)建筑物等措施,實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。調(diào)度規(guī)則如下：

當(dāng)城區(qū)上下游水位差較小時,關(guān)閉堯塘河下游鋼壩（規(guī)劃新建）,石橋樞紐向北引水,復(fù)興河閘站向北引水,控制城區(qū)東側(cè)優(yōu)質(zhì)水資源通過錢資東河進入城區(qū)。關(guān)閉良常樞紐,控制一支水流入老丹金溧漕河,并通過控制金花河閘站引導(dǎo)另一支水流進入金花河,與復(fù)興河、堯塘河引水一同匯入堯塘河補充至經(jīng)濟開發(fā)區(qū)東北片；濱湖高鐵新城片通過錢資湖樞紐引長蕩湖水多條路線給周邊配水；華科園片區(qū)通過岸頭翻水閘站或紅星樞紐向片區(qū)內(nèi)引水,活水方式多樣。

以城區(qū)主要河道——新、老丹金溧漕河、堯塘河、下塘河、錢資東河、金花河等河道的流速情況為判斷條件,判斷調(diào)水方案前后城區(qū)水動力條件的情況。

具體方案見表1。

表1 計算方案設(shè)計列表

4 結(jié)果與分析

4.1 城區(qū)河道水位分析

統(tǒng)計方案一、方案二計算水位可知,新孟河工程引江期間,城區(qū)河道整體水位較現(xiàn)狀平均抬升17 cm。如表2 所示,城區(qū)上下游水位差由現(xiàn)狀的14 cm減少至3 cm。如圖3 所示,城區(qū)東片河道堯塘河、下塘河、電勝河、金花河、復(fù)興河等河道的水位更加趨于一致。總體而言,通水后,新孟河引江期間對金壇城區(qū)河道頂托作用明顯,東片河道尤甚；城區(qū)上下游水位差減小,水勢減小。

表2 新孟河通水前后上下游水位差值 單位：m

圖3 城區(qū)主要河道水位

4.2 城區(qū)河道流速分析

采取邊界為2000 年平水年8 月,現(xiàn)狀條件下（方案一）,城區(qū)骨干河道流速條件尚可,但規(guī)模較小河道流速基本接近于0；經(jīng)統(tǒng)計,流速小于5 cm/s的河段占所有城區(qū)河道的33%。

新孟河工程引水期間（方案二）,由于其水位頂托,城區(qū)上下游水頭差進一步減少,城區(qū)城區(qū)東片河道受頂托尤甚,堯塘河等河道滯流嚴(yán)重、水流往復(fù),上游丹金溧漕河來水無法順利進入東側(cè)河道,更多的水量自城區(qū)西側(cè)流出,新老丹金溧漕河流速增大。但總體而言,城區(qū)河道的水動力條件較現(xiàn)狀惡化；對城區(qū)主要河道進行統(tǒng)計,僅新丹金溧漕河流速大于0.1 m/s,流速在0~5 cm/s的河段占城區(qū)所有河道的80%以上。

如圖4 所示,采用水系溝通及調(diào)水方案改善后（方案三）,城區(qū)河道流速提升,水動力條件得到改善。方案三較方案二,主要河道流速提升約3 倍；較現(xiàn)狀（方案一）,流速提升約70%,城區(qū)水動力條件顯著改善。

圖4 城區(qū)主要河道流速

4.3 城區(qū)河道水質(zhì)分析

采用水系溝通及調(diào)水方案改善后（方案三）,城區(qū)河道水環(huán)境容量增加,水質(zhì)明顯改善。如表3 所示,方案三較現(xiàn)狀,NH3-N濃度下降約59%,TP濃度下降約16%。這也佐證了,調(diào)水引流工程可以促進平原河網(wǎng)水體有序流動,改善河湖水環(huán)境,是水環(huán)境綜合治理中一項非常必要的措施[7-8]。

表3 調(diào)水引流前后城區(qū)河道水質(zhì)濃度 單位：mg/L

4.4 引水時段分析

2000 年平水年型,無任何調(diào)度情況下,金壇城區(qū)主要河道天然流速與上下游水頭差之間的關(guān)系見圖5 。據(jù)統(tǒng)計,水位差在0~5 cm之間時,城區(qū)河道流速情況最差、多條河道流速接近于0,且城區(qū)河道正向、逆向流動不一,流向紊亂；水位差在5 cm~15 cm時,主要河道呈正向流動,但流速較小,金花河、電勝河及局部小河道流速在0~5 cm/s之間；水位差>15 cm時,城區(qū)主要河道流速能達到5 cm/s,城區(qū)自然流速狀態(tài)較好,僅有局部小河道流速仍接近于0,需要通過閘泵調(diào)度實現(xiàn)流動。但是全年水位差>15 cm的時間全年僅29 天,且多集中在汛期,條件苛刻,實則可遇不可求。

圖5 城區(qū)主要河道天然流速與城區(qū)上下游水頭差的關(guān)系

考慮經(jīng)濟性與實操性,引水時,應(yīng)根據(jù)城區(qū)上下游實際水位、水質(zhì)條件選擇適宜的調(diào)水模式。當(dāng)城區(qū)上下游水位差較小時,推薦采用優(yōu)化調(diào)度方案對城區(qū)水動力條件進行改善。水位差較大且丹金溧漕河水量水質(zhì)占優(yōu)時,可采取自流并配合局部片區(qū)小閘泵進行調(diào)度。

5 結(jié)論與展望

（1）基于金壇城區(qū)及其周邊河網(wǎng)水文-水動力-水質(zhì)耦合模型計算成果,新孟河延伸拓浚工程引江期間,金壇城區(qū)河道受下游新孟河高水位頂托,滯流情況加重；在此情形下,可因勢利導(dǎo),通過優(yōu)化調(diào)度方案增加城區(qū)優(yōu)質(zhì)水資源,改善城區(qū)水動力條件,提升城區(qū)河道流速,并改善城區(qū)水質(zhì)情況。

（2）金壇城區(qū)調(diào)水引流方案,應(yīng)在服從流域防洪、水資源調(diào)度的前提下進行實施。引水時,應(yīng)根據(jù)城區(qū)上下游實際水位、水質(zhì)條件選擇適宜的調(diào)水模式。

（3）調(diào)水引流是改善平原區(qū)城市河網(wǎng)水動力條件的重要措施,也是水環(huán)境提升的重要基礎(chǔ)。通過促進水體有序流動、增加水體水環(huán)境容量實現(xiàn)對于水環(huán)境的改善。通過工程優(yōu)化調(diào)度改善金壇城區(qū)水動力條件,進而為改善水環(huán)境制造有利條件。金壇區(qū)水環(huán)境的改善對于入湖水質(zhì)提升有益。