常州市主城區(qū)暢流活水方案模擬比選及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

穆守勝，柳 楊，烏景秀，范子武，劉國(guó)慶，謝 忱

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

平原河網(wǎng)城市水系復(fù)雜，水體流動(dòng)性差，涉水工程眾多，調(diào)控困難，同時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，污染負(fù)荷重，水環(huán)境治理難度大[1-2]。改善河網(wǎng)水環(huán)境的基本策略是通過(guò)物理、化學(xué)和生物等方法削減水體中的污染物總量[3-4]。物理方法主要包括控源截污、底泥疏浚、水動(dòng)力調(diào)控和水體曝氣等；化學(xué)方法主要包括投加除藻劑和絮凝沉淀等；生物方法主要包括微生物降解技術(shù)、水生植物凈化技術(shù)、人工濕地凈化技術(shù)等。目前，不同水環(huán)境治理方法中的各單項(xiàng)技術(shù)都已相對(duì)成熟，在物理、生物法基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展水動(dòng)力調(diào)控研究，利用閘泵堰等水利工程進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，可以顯著改善河道水環(huán)境[5-9]。

1 研究區(qū)域概況

常州市主城區(qū)北至新龍河和滬寧高速公路，南到京杭大運(yùn)河，西靠德勝河，東臨丁塘港，面積179.2 km2。研究范圍內(nèi)大小河道共計(jì)113條，長(zhǎng)約285 km，其中斷頭浜43條，長(zhǎng)約50 km。研究區(qū)域?qū)儆诟叨瘸擎?zhèn)化的平原河網(wǎng)區(qū)，內(nèi)部水系豐富，水利工程較為完善，具備較強(qiáng)的調(diào)控能力。近年來(lái)，常州市在防洪排澇和水環(huán)境治理方面投入力度很大，主城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境得到明顯改善，但仍存在以下問(wèn)題：（1）骨干河道水質(zhì)尚可，但因引水難進(jìn)入中小河道，部分中小河道水質(zhì)不佳；（2）河網(wǎng)較為分割，存在多處斷頭浜，水系暢通性差；（3）河道兩岸截污不徹底，水質(zhì)受污染，部分河道水質(zhì)仍為Ⅴ類和劣Ⅴ類。

針對(duì)以上問(wèn)題，2017年制定的常州市主城區(qū)暢流活水總體方案的總體思路為：通過(guò)魏村樞紐和澡港水利樞紐泵站引長(zhǎng)江水（Ⅲ類水質(zhì)），充分利用優(yōu)質(zhì)過(guò)境水源，打造德勝河、澡港河兩條清水通道入城；新建4個(gè)控導(dǎo)工程，即盤(pán)龍?jiān)芬缌餮?、恐龍園溢流堰、新市橋溢流堰和洋橋溢流堰，以增強(qiáng)內(nèi)部調(diào)控能力，形成3級(jí)梯級(jí)水位，其中，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；通過(guò)創(chuàng)造水位差實(shí)現(xiàn)自流活水，按照區(qū)域水系特點(diǎn)，制定主城區(qū)合理補(bǔ)水頻次，按需配水；充分利用現(xiàn)有閘門(mén)科學(xué)調(diào)度、聯(lián)合調(diào)控，精確控制每條河道的分流比，讓更多的流量進(jìn)入主城區(qū)，實(shí)現(xiàn)暢流活水[10]。具體引水水流路徑見(jiàn)圖1。

圖1 常州市暢流活水方案的引水水流路徑Fig. 1 Water diversion and flow path of Changzhou clean water diversion project

依據(jù)常州主城區(qū)工程現(xiàn)狀、地形和引水條件等，方案將常州市主城區(qū)劃分成4個(gè)片區(qū)：Ⅰ區(qū)（64.6 km2）、Ⅱ區(qū)（21.1 km2）、Ⅲ區(qū)（48.3 km2）和Ⅳ區(qū)（45.2 km2）（圖2）。通過(guò)各項(xiàng)工程分年度實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)各個(gè)片區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)：（1）2018年，4座活動(dòng)堰施工完成后，Ⅰ區(qū)達(dá)到預(yù)期效果；（2）2019—2020年，大運(yùn)河西樞紐改造完成，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)達(dá)到預(yù)期效果；（3）“十四五”期間，澡港河清水通道實(shí)施完成，主城區(qū)活水整體效果得到提升。

圖2 常州市暢流活水方案水質(zhì)提升分區(qū)Fig. 2 Water quality improvement zones of Changzhou clean water diversion project

2017年5月，在常州市主城區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，安裝4座臨時(shí)溢流堰設(shè)施，對(duì)活水方案下的水動(dòng)力、水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，論證了活水方案總體思路的可行性與有效性[11]。2018年6月，4座活動(dòng)堰建設(shè)完成，主城區(qū)Ⅰ區(qū)范圍初具活水條件。2018年7月和11月，分別進(jìn)行了2次Ⅰ區(qū)階段性調(diào)度試運(yùn)行試驗(yàn)，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了主城區(qū)一二級(jí)水位差、流量分配合理的自流活水格局，Ⅰ區(qū)水環(huán)境顯著改善，多數(shù)河道達(dá)到健康水平[12]，具體見(jiàn)表1。

表1 老城區(qū)內(nèi)水質(zhì)歷次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)成果對(duì)比Tab. 1 Comparison of water quality monitoring results of previous tests in old urban areas

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬暢流活水方案效果并進(jìn)行方案優(yōu)選。模擬的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槌Ｖ菔羞\(yùn)北主城區(qū)河網(wǎng)，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布、水系復(fù)雜、工程眾多。模擬計(jì)算中考慮了長(zhǎng)江、太湖等外圍邊界的影響，在已有常州市主城區(qū)一維水動(dòng)力模型[10]基礎(chǔ)上，將模型范圍向西延伸至太湖流域邊界、東部到望虞河、南部延伸至江蘇省省界，構(gòu)建一維水動(dòng)力模型。

常州市城區(qū)模型邊界條件包括：水位邊界及流量邊界。水位控制點(diǎn)主要是長(zhǎng)江、大運(yùn)河、太湖水位。長(zhǎng)江常態(tài)水位3.8～4.0 m，京杭大運(yùn)河水位為3.4～3.6 m。流量邊界主要為澡港河、德勝河江邊樞紐流量過(guò)程。

采用前期試驗(yàn)實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，結(jié)果表明全區(qū)水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均誤差能控制在5 cm內(nèi)[11]，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，最終確定一級(jí)河道（老運(yùn)河、關(guān)河等）糙率n取0.025，二級(jí)河道（采菱港河、白蕩河、南運(yùn)河等）糙率n取0.030，三級(jí)河道（鳳凰浜等）糙率n取0.035。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)推薦的暢流活水方案下河道的水質(zhì)指標(biāo)和水動(dòng)力指標(biāo)，論證模型模擬比選出的優(yōu)化方案的實(shí)施效果。

根據(jù)前期研究成果和常州市主城區(qū)水系水質(zhì)特點(diǎn)[10-11]，選取以下日常易超標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)：溶解氧（DO）質(zhì)量濃度（以下簡(jiǎn)稱濃度）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）濃度、總磷（TP）濃度。所有水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)開(kāi)始前和試驗(yàn)結(jié)束前2天各測(cè)1次，引水沿線重要點(diǎn)位（見(jiàn)圖1）在試驗(yàn)期間每2天監(jiān)測(cè)1次，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)重要點(diǎn)位繼續(xù)監(jiān)測(cè)水質(zhì)16 d，并關(guān)注試驗(yàn)結(jié)束后水質(zhì)的復(fù)原情況。

水動(dòng)力觀測(cè)要素為：河道水位、流速、流量，河道水位利用電子水尺記錄實(shí)時(shí)水位，流量、流速采用聲學(xué)多普勒剖面流速儀（ADCP）現(xiàn)場(chǎng)巡測(cè)。所有流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)前測(cè)1次本底值，試驗(yàn)開(kāi)始待水位穩(wěn)定后，第3～14天每天巡測(cè)，重點(diǎn)巡測(cè)Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)流量。特別在河網(wǎng)水動(dòng)力調(diào)試穩(wěn)定后，開(kāi)展關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位全局測(cè)量，獲得內(nèi)部所有分汊河道的分流比。

3 暢流活水方案設(shè)計(jì)與模擬

3.1 方案設(shè)計(jì)

由前所述，前期的暢流活水實(shí)施方案由于工程限制僅能形成二級(jí)梯級(jí)水位，因此暢流活水范圍主要針對(duì)Ⅰ區(qū)開(kāi)展，2020年大運(yùn)河西樞紐改造完成，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)具備了活水運(yùn)行條件。因此本文在前期研究基礎(chǔ)上，將活水范圍擴(kuò)展至Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，通過(guò)溢流堰和相關(guān)閘泵的聯(lián)合調(diào)度，調(diào)節(jié)主城區(qū)（Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）河道流量，形成最佳的分流配比，制定主城區(qū)（Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)）的暢流活水常態(tài)化運(yùn)行調(diào)度方案。

為分析不同調(diào)度條件下的主城區(qū)河道水動(dòng)力情況，依據(jù)前期制定的“常州市主城區(qū)暢流活水方案”，通過(guò)魏村樞紐和澡港水利樞紐引水，其中魏村樞紐引水30 m3/s、澡港水利樞紐引水40 m3/s，圍繞新建工程大運(yùn)河西樞紐調(diào)度及與4座活動(dòng)堰工程的組合，設(shè)置了5組模擬方案，具體見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算方案Tab. 2 Calculation schemes

3.2 方案效果模擬及比選

澡港河引水入城后，經(jīng)澡港河?xùn)|支、柴支浜、三井河等河道分流，再經(jīng)關(guān)河兩座溢流堰調(diào)控，一部分進(jìn)入老城區(qū)，一部分進(jìn)入關(guān)河后向南流入主城區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)河道。常州市主城區(qū)范圍內(nèi)主要河道在各方案下的模擬流量分配見(jiàn)表3。

表3 各方案下的河道流量分配Tab. 3 River flow distribution of each scheme 單位：m3/s

對(duì)比各方案下進(jìn)入主城區(qū)河道的總流量，方案4和5的總流量相比前幾個(gè)方案明顯偏小，主城區(qū)Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)河道減少的流量大部分從京杭大運(yùn)河流向主城區(qū)外圍流走；方案3的總流量雖然和方案1、2基本一致，但代表老城區(qū)的西市河流量過(guò)小。因此，方案3～5的流量分配不利于總體上改善主城區(qū)水環(huán)境。

綜上，方案1和2的主城區(qū)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的河道流量分配效果更好，如圖3和4所示。因此，選擇方案1和2作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的調(diào)度情景，論證暢流活水方案的實(shí)施效果。

圖3 方案1的河道流量分布Fig. 3 River flow distribution of scheme 1

圖4 方案2的河道流量分布Fig. 4 River flow distribution of scheme 2

4 暢流活水方案實(shí)施效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)期間水動(dòng)力變化過(guò)程分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)于2020年11月28日—12月11日開(kāi)展，試驗(yàn)期間的內(nèi)部工程調(diào)度共分成引水期、調(diào)度期和恢復(fù)期3個(gè)時(shí)期。11月28日9時(shí)—29日9時(shí)，為引水抬升澡港河水位的引水期，無(wú)工程調(diào)度情況下，河網(wǎng)上下游水位差基本在0～5 cm，水動(dòng)力較弱，隨著引水的進(jìn)行，上游澡港河水位快速抬升；調(diào)度期第1階段為11月29日9時(shí)—12月7日9時(shí)，執(zhí)行方案1的閘泵調(diào)度方案；調(diào)度期第2階段為12月7日9時(shí)—10日9時(shí)，執(zhí)行方案2的閘泵調(diào)度方案。與第1階段相比，新增大運(yùn)河西樞紐泵站引水10 m3/s，隨著工程調(diào)度運(yùn)行，澡港河入城口（許家塘橋）與三堡街（老運(yùn)河）的水位差維持在20 cm左右，三堡街與常州（三）的水位差維持在10 cm左右，形成了預(yù)期的3級(jí)水位差。12月10日9時(shí)—11日12時(shí)為恢復(fù)期，工程停止運(yùn)行后，河網(wǎng)上下游又恢復(fù)為0～5 cm水位差的弱水動(dòng)力狀態(tài)。試驗(yàn)期間引水沿線關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化見(jiàn)圖5。

圖5 活水期間引水沿線關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)水位變化Fig. 5 Water level change process of key points along the diversion line during the field test

另外，在調(diào)度期，研究范圍內(nèi)大部分河道的流量和流速相比引水期前有顯著提升，河道流量及流速提升在1.48～17.00倍（表4），且調(diào)度期第2階段Ⅱ、Ⅲ區(qū)大部分河道流量更大，說(shuō)明大運(yùn)河西樞紐引水對(duì)主城區(qū)南部區(qū)域有益，與模型模擬結(jié)果基本一致。

表4 活水方案實(shí)施前后的河道流量對(duì)比Tab. 4 Comparison of river flow before and after the field test

4.2 試驗(yàn)期間水質(zhì)變化過(guò)程分析

4.2.1 水質(zhì)總體變化情況活水試驗(yàn)前后，研究范圍內(nèi)大部分河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)改善效果非常明顯（表5）。試驗(yàn)前所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)25%為Ⅲ類、20%為Ⅳ類、35%為Ⅴ類、20%為劣Ⅴ類；試驗(yàn)后10%為Ⅱ類、90%為Ⅲ類。

表5 活水前后水質(zhì)對(duì)比Tab. 5 Comparison of water quality before and after the field test

4.2.2 引水沿線重要點(diǎn)位試驗(yàn)期間水質(zhì)變化情況試驗(yàn)期間引水沿線重要點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)變化情況見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，水質(zhì)改善十分明顯。試驗(yàn)前部分點(diǎn)位的氨氮濃度超標(biāo)，為劣Ⅴ類，隨著引水的進(jìn)行，所有點(diǎn)位的氨氮濃度下降非常明顯，并在試驗(yàn)后期基本達(dá)到了Ⅲ類。試驗(yàn)前各點(diǎn)位的高錳酸鹽指數(shù)本底值較好，除云祥橋（后塘河）為Ⅲ類外，其余點(diǎn)位均為Ⅱ類，隨著引水的進(jìn)行，各點(diǎn)位的高錳酸鹽指數(shù)均有小幅度下降，并在試驗(yàn)后期穩(wěn)定在Ⅱ類。各點(diǎn)位的總磷濃度都隨著引水的進(jìn)行呈下降趨勢(shì)，其中白龍橋（西市河）、云祥橋（后塘河）試驗(yàn)前為劣Ⅴ類，另外3個(gè)點(diǎn)位為Ⅲ-Ⅳ類，最終下降并穩(wěn)定在Ⅲ類。各點(diǎn)位的溶解氧濃度都隨引水過(guò)程波動(dòng)上升，最終都由Ⅲ類左右提升至Ⅰ類以上，試驗(yàn)期間大部分時(shí)間維持在較高的水平（7 mg/L以上）。

圖6 引水沿線重要點(diǎn)位試驗(yàn)期間水質(zhì)變化Fig. 6 Variation of water quality during the field test

4.3 試驗(yàn)結(jié)束后水質(zhì)變化過(guò)程分析

試驗(yàn)結(jié)束后，于2020年12月11日—27日對(duì)引水沿線5個(gè)重要點(diǎn)位的水質(zhì)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，不同水質(zhì)指標(biāo)均出現(xiàn)了一定程度的反彈，但大部分點(diǎn)位各水質(zhì)指標(biāo)在監(jiān)測(cè)時(shí)間（引水結(jié)束后16 d）內(nèi)仍處于較好的狀態(tài)（低于試驗(yàn)前本底值或?yàn)棰?Ⅳ類）（圖7）。

圖7 引水沿線重要點(diǎn)位試驗(yàn)結(jié)束后水質(zhì)變化Fig. 7 Variation of water quality after the field test

除白蕩河、南童子河等點(diǎn)位，其他點(diǎn)位氨氮濃度在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)都仍低于本底值，白蕩河、南童子河在試驗(yàn)結(jié)束后10 d左右反彈至或超過(guò)本底值；所有點(diǎn)位的高錳酸鹽指數(shù)在12 d后接近或略微超過(guò)了本底值，除后塘河試驗(yàn)結(jié)束后第16天反彈至略超過(guò)Ⅲ類，其余點(diǎn)位仍在Ⅱ-Ⅲ類；西市河、后塘河的總磷濃度試驗(yàn)前為劣Ⅴ類，引水后降幅明顯且在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)都仍明顯低于本底值。其余點(diǎn)位總磷濃度試驗(yàn)前都為Ⅲ-Ⅳ類，在引水結(jié)束后逐漸反彈至本底值，但在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)都仍處于Ⅲ-Ⅳ類；溶解氧濃度在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)下降幅度并不明顯，大部分點(diǎn)位仍高于本底值，僅西市河、后塘河在第16天降至本底值但仍處于Ⅲ類水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展水動(dòng)力調(diào)控是改善平原河網(wǎng)城市水環(huán)境的有效手段。以常州市主城區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬5組方案下城區(qū)內(nèi)部河道流量分配情況，確立了啟用城區(qū)內(nèi)部4座溢流堰、大運(yùn)河西樞紐關(guān)閘或開(kāi)泵向城區(qū)引水的2組推薦方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證了推薦的活水方案效果，最終形成了預(yù)期的3級(jí)水位差，河道流量及流速提升1.48～17.00倍，河網(wǎng)水環(huán)境改善顯著。研究成果可為其他平原河網(wǎng)城市提供參考。

暢流活水對(duì)改善平原河網(wǎng)城市水質(zhì)效果明顯，但需要強(qiáng)化日常監(jiān)測(cè)，對(duì)部分水質(zhì)異常點(diǎn)位開(kāi)展污染源解析工作，根據(jù)水質(zhì)變化情況合理確定活水周期，感潮河網(wǎng)區(qū)盡量運(yùn)用潮動(dòng)力閘引，減少泵引，合理確定引水量，強(qiáng)化日常活水，保持水質(zhì)穩(wěn)定。本文開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后各點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)有明顯提升，大部分水質(zhì)指標(biāo)在引水結(jié)束后16 d內(nèi)都仍處于較好的狀態(tài)，但主城區(qū)中西市河、南童子河、后塘河、白蕩河等部分河道的水質(zhì)在試驗(yàn)結(jié)束后反彈明顯?？梢?jiàn)，應(yīng)注重開(kāi)展污染源解析，排查排污口消除點(diǎn)源污染，并綜合采取控源截污、河道整治、強(qiáng)化凈化、長(zhǎng)效管理等一系列措施，注重系統(tǒng)治理，確保河網(wǎng)水環(huán)境的長(zhǎng)效久治。