潮汐式調(diào)度對(duì)北運(yùn)河北關(guān)分洪樞紐下游水質(zhì)影響研究

田 煒，沙洪利，沈曉強(qiáng)，邵 靖，杜 峻，林瑞峰

(北京市北運(yùn)河管理處，北京 101100)

北運(yùn)河位于北京城市副中心通州，北運(yùn)河北關(guān)閘位于溫榆河、小中河、運(yùn)潮減河、通惠河、北運(yùn)河五河交匯之處，地理位置優(yōu)越，為了更好地發(fā)揮首都城市副中心“藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融”的生態(tài)作用，科學(xué)有效地提升河流水質(zhì)是“營造宜人環(huán)境，引領(lǐng)綠色生活”的必經(jīng)之路[1-2]。但從目前的相關(guān)研究來看，對(duì)于城市副中心的水生態(tài)環(huán)境建設(shè)主要包括提升河流水質(zhì)、灌溉綠地、構(gòu)建人文景觀及水生態(tài)環(huán)境等方面，且均停留在理論層面，實(shí)踐調(diào)度方面研究較少，尤其在如何有效改善河流水質(zhì)，提高水環(huán)境功能方面尚有欠缺。基于此，本研究可在相關(guān)調(diào)度實(shí)踐的基礎(chǔ)上，分析潮汐式調(diào)度對(duì)北運(yùn)河北關(guān)分洪樞紐下游水質(zhì)的影響，并針對(duì)現(xiàn)有情況總結(jié)問題、提出對(duì)策，為北京城市副中心生態(tài)城市的規(guī)劃及北運(yùn)河流域水景觀功能區(qū)建設(shè)提供參考[3-5]。

1 研究區(qū)域

北運(yùn)河，是京杭大運(yùn)河的北段，其上游溫榆河至北京市通州區(qū)北關(guān)與通惠河匯流，流域面積6166km2，流域長160km，平均寬度38km。本研究所涉及的北運(yùn)河北關(guān)閘為京杭大運(yùn)河的北起點(diǎn)，是北運(yùn)河的重要控制性工程，關(guān)系到下游北京、河北、天津三省市的防洪安全[6]。北關(guān)閘目前有新攔河閘、新分洪閘兩座閘站，主要依靠兩座閘站的啟閉進(jìn)行日常的流量及水位調(diào)控工作。地理位置如圖1所示。

圖1 地理位置圖

北關(guān)新攔河閘，位于北運(yùn)河干流通惠河口下游，閘室布置采用閘橋合一，閘室總凈寬為84.0m，共7孔，每孔凈寬12.0m，水閘順?biāo)飨蚩傞L153.3m，在攔河閘右側(cè)設(shè)有船閘，凈寬8m，順?biāo)飨蚩傞L80.9m。正常蓄水位為18.5～19m。北關(guān)新分洪閘，位于運(yùn)潮減河上，閘室總凈寬為90.0m，共分9孔，單孔凈寬10.0m，閘室總寬度105.8m，分洪閘順?biāo)飨蚩傞L172.8m，正常蓄水位為18.5～19m。

北關(guān)分洪樞紐工程的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了溫榆河、北運(yùn)河、小中河、通惠河和運(yùn)潮減河的五河連通，將通惠河雨洪攔截在北關(guān)樞紐以上，同時(shí)可將城區(qū)的雨洪通過運(yùn)潮減河分洪，減小了下游北運(yùn)河的行洪壓力。

綜上所述，北運(yùn)河北關(guān)閘地理位置優(yōu)越，合理調(diào)度北運(yùn)河水資源，改善河流水環(huán)境，促進(jìn)流域健康可持續(xù)發(fā)展，為北京城市副中心生態(tài)城市的規(guī)劃及北運(yùn)河流域水景觀功能區(qū)建設(shè)提供參考，具有重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。

2 情景設(shè)計(jì)

基于以上內(nèi)容，北運(yùn)河管理處特以北關(guān)閘為試點(diǎn)，開展潮汐式調(diào)度，探索該種調(diào)度方式對(duì)河流水質(zhì)的影響，即通過閘門關(guān)閉，使閘門上游水位上漲，一段時(shí)間后，開啟閘門，水流加速通過，增大河流過閘流量，增強(qiáng)下游水體稀釋擴(kuò)散能力，提升水體溶解氧含量，從而改善水體水質(zhì)[7-9]。另一方面，一段時(shí)間的閘門關(guān)閉可使閘門上游水量積蓄，閘門開啟后，水流加速通過，增加下游水量，可對(duì)下游水體起到置換的作用[10-13]。

2.1 調(diào)度方案

通過分析新攔河閘、新分洪閘兩座閘站的特性，同時(shí)考慮防洪、攔沙等因素，設(shè)計(jì)北運(yùn)河北關(guān)閘潮汐式調(diào)度原則為：閘門于前一日17：00左右全部關(guān)閉，通過14～15h的水量聚集，使閘門上游水位上升；于次日8：00左右全部開啟，使閘門過流量達(dá)到最大，其中新攔河閘平均流量可達(dá)125.72m3/s，平均過流水量可達(dá)1.06×106m3，新分洪閘平均流量可達(dá)141.68m3/s，平均過流水量可達(dá)1.40×106m3；以此方式運(yùn)行2h后，減少閘門孔數(shù)及閘門開度，并持續(xù)7h，此時(shí)新攔河閘平均流量可達(dá)12.66m3/s，平均過流水量可達(dá)2.90×105m3，新分洪閘平均流量可達(dá)7.25m3/s，平均過流水量可達(dá)1.70×105m3；最后，關(guān)閉全部閘門至次日8：00，完成當(dāng)日調(diào)度方案，準(zhǔn)備下一日的水量積蓄。潮汐式調(diào)度方案見表1。

表1 潮汐式調(diào)度方案

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要在以上潮汐式調(diào)度原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合新攔河閘及新分洪閘實(shí)時(shí)觀測(cè)狀態(tài)下的上、下游水位，利用“北運(yùn)河管理處北關(guān)閘流量計(jì)算系統(tǒng)”，計(jì)算當(dāng)前水位下的過閘流量，形成以時(shí)間-開啟方式-流量-水位4種參量組成的調(diào)度方案。

2.2 水質(zhì)情況

就水生態(tài)而言，北運(yùn)河通州段河流流量大，流速快，水動(dòng)力學(xué)條件好，且達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(以下稱《標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定的Ⅳ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，無水體富營養(yǎng)化及水華事件發(fā)生，水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好，為了提高北運(yùn)河水質(zhì)指標(biāo)等級(jí)，改善河流水環(huán)境，提升運(yùn)河景觀性，增加運(yùn)河功能性，北運(yùn)河北關(guān)閘于10月中旬—11月中旬開展了潮汐式調(diào)度試驗(yàn)，通過改變新攔河閘及新分洪閘的閘門開啟孔數(shù)及開度，并結(jié)合新攔河閘下游及新分洪閘下游兩處監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析潮汐式調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)的影響，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 2020年1—11月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mg/L

通過對(duì)北運(yùn)河北關(guān)新攔河閘下游水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可得，2020年初至汛期以前，北運(yùn)河北關(guān)新攔河閘下游水質(zhì)整體良好，化學(xué)需氧量(COD)、總磷、氨氮(NH3-N)均可達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地表水環(huán)境Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。6月進(jìn)入汛期后，由于雨水增多，河流水量增加，從而導(dǎo)致水體流速加快，為水體內(nèi)污染物的稀釋擴(kuò)散提供了良好的水文條件，水質(zhì)情況較汛期前有明顯的改善，偶爾可達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地表水環(huán)境Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；10月汛期過后，北運(yùn)河北關(guān)閘開展了潮汐式調(diào)度，北運(yùn)河水質(zhì)情況較汛期前未開展潮汐式調(diào)度時(shí)水質(zhì)有了明顯的改善，具體表現(xiàn)為化學(xué)需氧量(COD)達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)濃度值20mg/L，總磷達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)濃度值0.1mg/L，氨氮(NH3-N)達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)濃度值0.15mg/L；11月，潮汐式調(diào)度頻率下降，由之前的3次/d，變?yōu)?～2次/d，且調(diào)度間隔周期變長，從而使北運(yùn)河北關(guān)閘下游化學(xué)需氧量(COD)、總磷、氨氮(NH3-N)指標(biāo)濃度值有小幅度升高趨勢(shì)，但均符合《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。新攔河閘水質(zhì)指標(biāo)變化見圖2。

圖2 新攔河閘水質(zhì)指標(biāo)變化圖

通過對(duì)北運(yùn)河北關(guān)新分洪閘下游水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可得，2020年汛期以前，新分洪閘下游水質(zhì)整體良好，化學(xué)需氧量(COD)、總磷、氨氮(NH3-N)均可達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地表水環(huán)境Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；6月進(jìn)入汛期后，新分洪閘下游水質(zhì)出現(xiàn)了水質(zhì)指標(biāo)升高現(xiàn)象，可能是由于汛期雨水增多，河流流量加大，流速加快，底泥沖刷作用增強(qiáng)，使得底泥中的污染物質(zhì)重新翻入水體，從而使再懸浮作用超過了沉降與稀釋作用，成為了主導(dǎo)作用，降低了河流水質(zhì)等級(jí)。10月開展潮汐式調(diào)度后，北運(yùn)河新分洪閘下游水質(zhì)得到了較好的改善，具體表現(xiàn)為化學(xué)需氧量(COD)、總磷、氨氮(NH3-N)均達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)濃度值。新分洪閘水質(zhì)指標(biāo)變化如圖3所示。

圖3 新分洪閘水質(zhì)指標(biāo)變化圖

由此可知，北運(yùn)河北關(guān)分洪樞紐潮汐式調(diào)度的運(yùn)行，加大了水體中的物質(zhì)基于水流的紊動(dòng)作用產(chǎn)生的交換能力，在一定程度上增強(qiáng)了水體的稀釋、擴(kuò)散等自凈過程，同時(shí)改變了河流的水文、水利條件，加快了污染物的擴(kuò)散作用，環(huán)境容量也相對(duì)增加，實(shí)現(xiàn)了污染物濃度的降低，提高了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(部分達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn))，有效地改善了河流水體水環(huán)境。

3 問題及對(duì)策

此外，由2020年1—11月北運(yùn)河北關(guān)閘水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，通過潮汐式調(diào)度的運(yùn)行，北運(yùn)河水質(zhì)情況具有明顯的變化規(guī)律，但仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)與整體時(shí)段數(shù)據(jù)規(guī)律不符，為后期的數(shù)據(jù)分析及潮汐式調(diào)度可行性研究帶來一定的難度。據(jù)此，對(duì)于以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，可能有以下幾點(diǎn)原因：

(1)水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期過長。目前對(duì)于北運(yùn)河新攔河閘下游及新分洪閘下游水質(zhì)的監(jiān)測(cè)周期為1次/月，潮汐式調(diào)度屬于日調(diào)度(3次/d)，監(jiān)測(cè)周期過長造成數(shù)據(jù)數(shù)量過少，不利于后期數(shù)據(jù)的處理，不能很好地反映河流流量、水位、及其在日變化的狀態(tài)下對(duì)水質(zhì)的影響，同時(shí)也不能排除偶然因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，如監(jiān)測(cè)當(dāng)天發(fā)生了水污染事件等，會(huì)對(duì)日后的數(shù)據(jù)分析帶來一定的難度[14]。

(2)潮汐式調(diào)度方案沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)律性。通過對(duì)當(dāng)前潮汐式調(diào)度方案分析可得，在受雨情影響較小的非汛期，潮汐式調(diào)度方案并不是固定化的，且無特定規(guī)律，時(shí)而短暫停止、時(shí)而長期不變，在監(jiān)測(cè)頻率過低(1次/月)的前提下，該種形式會(huì)對(duì)下游監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，造成監(jiān)測(cè)誤差[15-16]。

(3)監(jiān)測(cè)斷面過少。通過資料分析與實(shí)地調(diào)查可知，北運(yùn)河北關(guān)閘位于五河交匯之處，河流水動(dòng)力條件復(fù)雜，且潮汐式調(diào)度是依靠于新攔河閘、新分洪閘兩座閘站組合式運(yùn)行形成的調(diào)度方案，當(dāng)前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅來自于新攔河閘下游及新分洪閘下游兩處監(jiān)測(cè)斷面，水質(zhì)指標(biāo)單一且無對(duì)照，并不能排除該斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否存在誤差或偶然因素，為后期的數(shù)據(jù)分析與處理帶來一定的難度。

基于以上問題，結(jié)合北運(yùn)河北關(guān)閘相關(guān)特性，提出以下幾種對(duì)策：

(1)監(jiān)測(cè)頻率有待進(jìn)一步增加。加大水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)頻率，可更準(zhǔn)確地反映北運(yùn)河北關(guān)閘處河流在潮汐式調(diào)度方案下的水質(zhì)變化情況，同時(shí)可與相同調(diào)度方案下不同監(jiān)測(cè)時(shí)間的水質(zhì)情況形成縱向?qū)Ρ龋蚺c不同調(diào)度方案下相同監(jiān)測(cè)時(shí)間的水質(zhì)情況形成橫向?qū)Ρ?，增加?duì)照組，可有效地排除操作誤差及偶然因素對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造成的影響。

(2)調(diào)度連續(xù)性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。通過設(shè)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)有規(guī)律、有變化量的調(diào)度方案，結(jié)合相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)不同監(jiān)測(cè)斷面的河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況，可有效地分析北運(yùn)河北關(guān)閘河流水體在潮汐式調(diào)度下河流水質(zhì)的變化情況，從而形成最佳調(diào)度方案，為日后研究潮汐式調(diào)度改善河流水質(zhì)或水環(huán)境提供基礎(chǔ)支撐。

(3)監(jiān)測(cè)斷面有待增加。通過增設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，形成相同調(diào)度方案下不同監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)橫向?qū)Ρ?，及時(shí)剔除誤差數(shù)據(jù)，有效地分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與潮汐式調(diào)度方案間的響應(yīng)關(guān)系，從而提高潮汐式調(diào)度改善河流水質(zhì)的科學(xué)性與研究性。

4 結(jié)語

研究通過分析潮汐式調(diào)度前、中、后的水質(zhì)數(shù)據(jù)及其變化情況，探明了潮汐式調(diào)度對(duì)北運(yùn)河北關(guān)閘區(qū)域河流水質(zhì)的影響，即潮汐式調(diào)度可有效改善河流水質(zhì)，提升水環(huán)境質(zhì)量；總結(jié)出了當(dāng)前調(diào)度運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題并提出相應(yīng)的對(duì)策，為后期的數(shù)據(jù)分析及潮汐式調(diào)度可行性研究提供了決策指導(dǎo)，同時(shí)為北京城市副中心生態(tài)城市建設(shè)及北運(yùn)河流域水景觀功能區(qū)建設(shè)提供參考。此外，雖然本研究在研究潮汐式調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)影響方面做了一些工作，但依然存在著不足，如通過水閘的調(diào)蓄作用，水閘上游蓄水量增加，但容易蓄積污水，并形成濃度較高的污染團(tuán)，隨著閘門的開啟使得污染團(tuán)下泄，在水閘下游河道會(huì)形成污染帶，嚴(yán)重污染下游水體。今后可將該因素考慮在內(nèi)，更加準(zhǔn)確地研究水閘調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)的影響。