平原河網(wǎng)圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度方案研究
——以蘇州吳中城南包圍為例

魏 清 福

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引 言

太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)地勢低洼平坦，大部分地面高程均在江河湖泊的洪枯水位之間[1]，為保障防洪除澇安全，許多地區(qū)通過圈圩筑堤、建閘控制、設(shè)站排水的方法建設(shè)圩區(qū)[2]，流域內(nèi)圩區(qū)面積已占到流域平原面積的一半以上。圩區(qū)的建設(shè)一方面對保障流域和區(qū)域防洪安全發(fā)揮了重要作用；另一方面也一定程度阻斷了內(nèi)外水體的自由交換，給水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大壓力。隨著生態(tài)文明思想的深入人心，人們對治水的期盼已由保障安全向進(jìn)一步營造健康、美麗、幸福河湖轉(zhuǎn)變，開展圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水體有序流動(dòng)，恢復(fù)水體自凈能力，改善圩內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量，具有十分重要的意義。

然而，圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度方案制定是一個(gè)多變量、多目標(biāo)的優(yōu)化問題，已有許多學(xué)者對平原河網(wǎng)區(qū)開展調(diào)水引流方案的研究。陸一維等[3]在太湖流域典型區(qū)無錫市運(yùn)東片區(qū)構(gòu)建一維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬各引水方案及調(diào)度規(guī)則對研究區(qū)域的水質(zhì)改善效果；王元元等[4]選取太湖流域湖西區(qū)作為典型區(qū)域，以最大程度發(fā)揮感潮水體動(dòng)力學(xué)特性為目標(biāo)，提出了合適的調(diào)水時(shí)機(jī)；于珊等[5]在寧波市海曙區(qū)開展野外原型同步監(jiān)測，以河道分流比、換水率及槽蓄量為研究對象，分析引調(diào)水工程對河網(wǎng)水動(dòng)力的調(diào)控結(jié)果；許益新[6]以張家港市三大水循環(huán)體系為例，構(gòu)建一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，揭示了不同長江潮位與內(nèi)河引水量的響應(yīng)關(guān)系，以及不同引水量與河網(wǎng)水質(zhì)改善效果、引水服務(wù)面積的響應(yīng)關(guān)系；田傳沖等[7]針對溫州市主城區(qū)平原河網(wǎng)水系特點(diǎn)，考慮目標(biāo)流速和目標(biāo)水質(zhì)兩個(gè)因子，通過構(gòu)建水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控模型對引水規(guī)模進(jìn)行了研究；周芬等[8]以臺(tái)州溫黃平原為例，構(gòu)建水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控耦合模型系統(tǒng)，對調(diào)水引流水量及水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控方案進(jìn)行研究。但在方案設(shè)計(jì)和比選過程中，往往選用一種或幾種指標(biāo)對少量可行性較高的調(diào)度方案進(jìn)行評估優(yōu)選[9]，對于優(yōu)化組合變量、合理選取目標(biāo)存在主觀化、經(jīng)驗(yàn)化的問題。

本文以蘇州市吳中區(qū)城南包圍為例，通過確立圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度方案設(shè)計(jì)總體思路，建立河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)闡釋了生態(tài)調(diào)度方案制定的變量組合演變及目標(biāo)指標(biāo)比選過程，以期為平原河網(wǎng)圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度方案制定提供一套可復(fù)制、可推廣的做法。

1 研究區(qū)域概況

城南包圍位于蘇州市吳中區(qū)南城區(qū)，涉及長橋街道的一部分和城南街道全部，屬于陽澄淀泖區(qū)(濱湖片)，東擁澹臺(tái)湖，西瀕石湖，外圍京杭運(yùn)河繞城而過，內(nèi)部共有河道43條，河網(wǎng)密度2.7 km/km2，水面率達(dá)到5.3%，目前形成了“一橫(躍進(jìn)河)一縱(西塘河)”的骨干框架。

1.1 防洪除澇工程布置

城南包圍規(guī)劃建成以太湖、小石河-石湖、京杭運(yùn)河、吳江向榮圩北界包圍的大包圍，保護(hù)面積24.4 km2，排澇流量77m3/s，排澇模數(shù)3.1 m3/(s·km2)。包圍圈閘站工程包括了12座水閘和12座閘站，水系及水利工程分布見圖1。

1.2 水環(huán)境現(xiàn)狀

城南包圍屬于城市開發(fā)區(qū)，人口集中帶來排污量的增大，城鄉(xiāng)結(jié)合部生活污水的無序排放，城市建設(shè)過程中對水系的干擾等影響因素，導(dǎo)致整體水環(huán)境不理想，水質(zhì)污染嚴(yán)重(多為Ⅳ～Ⅴ類水)，水體感觀較差。其周邊東太湖水質(zhì)除TN外，NH3-N、CODMn和TP均可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中NH3-N、CODMn能達(dá)到Ⅰ～Ⅱ類，京杭運(yùn)河水體CODMn和TP基本維持在Ⅲ類，NH3-N大部分為Ⅴ類，TN均為劣Ⅴ類，水質(zhì)較差。

2 研究方法

本文首先提出平原河網(wǎng)圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度的總體設(shè)計(jì)思路，在科學(xué)的思路框架指引下，借助MIKE11建立城南包圍河網(wǎng)的一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，開展生態(tài)調(diào)度方案的研究。

2.1 方案設(shè)計(jì)總體思路

平原河網(wǎng)地區(qū)水系和水環(huán)境狀況復(fù)雜，泵閘調(diào)度方式多樣，圩區(qū)水利工程生態(tài)調(diào)度需要考慮多重因素，并選取關(guān)鍵比選指標(biāo)。本文在統(tǒng)籌考慮引水水源、排水去向、引排方式、引水規(guī)模、引排口門布置等變量因素，以及水位、流速、流量、換水率、槽蓄量變化率、水質(zhì)改善率等目標(biāo)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出方案設(shè)計(jì)總體思路(見圖2)。

(1) 確定總體引排格局。平原河網(wǎng)圩區(qū)周邊水文特征、水環(huán)境質(zhì)量會(huì)受到流域、區(qū)域及上下游城市調(diào)度影響，圩區(qū)的來水水量、水質(zhì)由外邊界確定，應(yīng)在流域、區(qū)域水文情勢、水環(huán)境質(zhì)量狀況分析的基礎(chǔ)上，首先明確引水水源、排水去向、引排方式等圩區(qū)生態(tài)調(diào)度的邊界變量，確定總體引排格局。

(2) 提出適宜引水規(guī)模。圩區(qū)引水規(guī)模具有邊界變量和比選變量的雙重屬性，其上限受制于引水水源來水量條件，其適宜規(guī)模又與生態(tài)調(diào)度的目標(biāo)息息相關(guān)。圩區(qū)生態(tài)調(diào)度基本目標(biāo)是促進(jìn)水體有序流動(dòng)，故可利用適宜流速作為約束指標(biāo)，在方案初步設(shè)計(jì)階段，通過少量試驗(yàn)或模型試算，基本鎖定適宜引水規(guī)模。

(3) 優(yōu)選引排控導(dǎo)布置。引排控導(dǎo)布置主要包括引排口門和內(nèi)部控導(dǎo)工程，是生態(tài)調(diào)度是否能做到全域“活水”的關(guān)鍵，也是靈活度最高的變量，應(yīng)重點(diǎn)對此進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及比選。同時(shí)，在對眾多目標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，宜選用槽蓄量變化率、水質(zhì)變化率作為比選指標(biāo)，簡潔明了地反映方案對于防洪安保的影響、提高水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的效果。

槽蓄量變化率指河網(wǎng)區(qū)河道槽蓄量變化值與初始槽蓄量之比，計(jì)算公式為

(1)

式中：ΔV為河網(wǎng)區(qū)槽蓄量變化值，m3；V0為初始槽蓄量，m3。

水質(zhì)變化率指河網(wǎng)區(qū)河道水質(zhì)濃度變化值與初始水質(zhì)濃度之比，計(jì)算公式為

(2)

式中：ΔC為河網(wǎng)區(qū)河道水質(zhì)濃度變化值，mg/L；C0為初始水質(zhì)濃度，mg/L。

2.2 模型基本原理

水動(dòng)力計(jì)算的基本控制方程是基于垂向積分的圣維南方程組，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為

(3)

(4)

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2；q為旁側(cè)入流，m3/s；h為水深，m；R為水力(或阻力)半徑，m；C為謝才系數(shù)，C=R1/6n-1；n為河道糙率；x為空間坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s。

水質(zhì)計(jì)算的基本控制方程為污染物對流擴(kuò)散方程。

(5)

式中：C為濃度，mg/L；D為對流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；K為一級衰減系數(shù)，1/s；C2為旁側(cè)入流濃度，mg/L。

2.3 河網(wǎng)及工程概化

模型中共概化河道44條，其中包圍圈內(nèi)部河道43條，外部河道1條，為京杭運(yùn)河楓橋-瓜涇口段，河道長度共計(jì)63.4 km，并概化閘站工程24處。概化后的河網(wǎng)中，最大計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距為200 m，共有618個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)，488個(gè)流量計(jì)算點(diǎn)，水位及流量計(jì)算點(diǎn)交替均勻分布于概化河網(wǎng)中。河網(wǎng)及工程概化示意見圖3。

2.4 模型計(jì)算條件

(1) 污染源條件。河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀基本處于Ⅳ～Ⅴ類，以NH3-N為代表水質(zhì)指標(biāo)，通過零維模型估算，在概化河網(wǎng)中投加適量NH3-N污染，使得常水位且水體流動(dòng)性較差的條件下河道水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅳ～Ⅴ類水平，與現(xiàn)狀水質(zhì)基本一致。

(2) 邊界條件。模型中共設(shè)置12處開邊界，京杭運(yùn)河上下邊界、邵昂河、九畝浜、農(nóng)場河、西塘河近小石河或東太湖側(cè)邊界按照近10 a多年平均水位取值；橫二河、橫三河、橫四河、躍進(jìn)河、蠡墅港、磚瓦廠河近石湖側(cè)邊界按照石湖正常水位期間入城水量賦值。同時(shí)參考京杭運(yùn)河、石湖、東太湖近年水質(zhì)水平，京杭運(yùn)河上下邊界水質(zhì)按照Ⅴ類上限設(shè)置，石湖、東太湖側(cè)邊界水質(zhì)按照Ⅲ類上限設(shè)置。

(3) 初始條件。根據(jù)城南包圍及周邊河道近10 a平均水位設(shè)置水位初始條件，水質(zhì)初始條件取NH3-N濃度2 mg/L(Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn))。

2.5 模型參數(shù)條件

根據(jù)相近區(qū)域研究成果[3，6-8]及河道實(shí)際情況，糙率取為0.025，NH3-N降解系數(shù)取為0.05/d。

3 方案設(shè)計(jì)及對比分析

3.1 引水水源

城南包圍周邊河道(湖泊)包括石湖、運(yùn)河、東太湖、小石河等四類水源。石湖來水受堰控制，正常情況下出湖水量維持在5 m3/s，水質(zhì)基本維持在Ⅲ類；運(yùn)河水量充足，但水質(zhì)常年為Ⅳ～Ⅴ類，甚至達(dá)劣Ⅴ類；東太湖、小石河水量充足，水質(zhì)基本處于Ⅱ～Ⅲ類。故從各水源水量水質(zhì)邊界分析確定可利用的引水水源有3個(gè)，分別為石湖、小石河和東太湖。

3.2 排水去向

城南包圍及其周邊河道自然流向主要為自西向東、自北向南，東、南面外圍河道分別有運(yùn)河和界河(吳江)，而城南包圍防洪排澇布局的排水方向是北排和東排運(yùn)河，綜合考慮自然流向和排澇安排，排水去向宜為自北向南繞城而過的運(yùn)河。

3.3 引排方式

根據(jù)城南包圍周邊楓橋、洞庭西山、瓜涇口站水位資料，梳理引水水源和排水去向的水位關(guān)系可知，近10 a小石河附近平均水位3.14 m，運(yùn)河中部平均水位3.18 m，無法利用水位差實(shí)現(xiàn)自流，故需采取在水源處泵引抬高局部水位或者在排水處泵排降低局部水位營造水頭差的引排方式。

3.4 引水規(guī)模

根據(jù)蘇州古城區(qū)、常熟古城區(qū)等“自流活水”實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[10]，圩內(nèi)河道流速控制在10～30 cm/s，可形成有序流動(dòng)格局，視覺效果較好，也不易引起河道底泥上揚(yáng)使水體透明度下降。經(jīng)輸水主干河道流量流速關(guān)系推算，以及模型初步試算，引水規(guī)模在15 m3/s左右時(shí)，可控制城南包圍河道普遍達(dá)到適宜流速。

3.5 引排口門

將城南包圍以骨干河道西塘河、躍進(jìn)河為界分為西南、西北、東北和東南4片，西南和西北片靠近引水口門，可直接受益于小石河和石湖水源清水。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)全域“活水”，排水口門結(jié)合排水去向布置于東北和東南片區(qū)運(yùn)河沿線，使引排口門的連線盡可能貫通整個(gè)區(qū)域。由于城南包圍運(yùn)河沿線口門眾多，又可將排水口門的布置分為集中和分散兩種。

3.6 方案對比分析

以上分析確定以石湖、小石河為引水水源，運(yùn)河為排水去向，泵引或泵排營造水位差為引排方式的總體引排格局，基本鎖定引水規(guī)模為15 m3/s，引排口門布置于東北和東南片區(qū)運(yùn)河沿線。但對于引排方式(泵引或泵排)和引排口門布置(集中或分散)的具體選擇上還存在不確定因素，故針對已明確的變量進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，形成3組調(diào)度方案，詳見表1和圖4。方案一與方案二對比可得到集中和分散排水的效果差異，方案三與方案二對比可得到泵引和泵排營造水位差的效果差異。

表1 調(diào)度方案Tab.1 Schedule schemes

3.6.1槽蓄量變化率對比分析

調(diào)水過程通常會(huì)改變槽蓄量，在增大圩內(nèi)河道流量，加快水體流動(dòng)性的同時(shí)，需減少對槽蓄量的干擾，以防止漫灘、降低水位波動(dòng)。槽蓄量與河網(wǎng)區(qū)河道水位基本呈線性關(guān)系，槽蓄量變化率最大不應(yīng)超過圩區(qū)允許變動(dòng)水位差(取圩區(qū)常水位與最高、最低控制水位差值的較小值)與常水位下水深之比。根據(jù)城南包圍排澇控制水位實(shí)際情況，槽蓄量變化率應(yīng)控制在9%以下，且盡可能越低越好。

各方案下城南包圍河道槽蓄量變化率見表2。方案一、二下城南包圍槽蓄量均有所減少，變化率分別為0.96%和0.95%；方案三下城南包圍槽蓄量增加，變化率為3.19%?？梢娡ㄟ^在運(yùn)河側(cè)開泵排水，降低局部運(yùn)行水位，使清水從較多口門(方案一、二較方案三增加了1個(gè)東太湖自流引水口)自流進(jìn)入城南包圍的方案，對河道槽蓄量的影響較小，而集中排水和分散排水對槽蓄量影響基本無差異。

表2 槽蓄量變化率統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of change rate of tank storage

3.6.2水質(zhì)改善率對比分析

圩區(qū)生態(tài)調(diào)度需在做到“引清”的基礎(chǔ)上，保證河網(wǎng)各個(gè)片區(qū)達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)，并得到全面“活水”，清水高效利用，減少水質(zhì)改善率在空間分布上的異質(zhì)性。水質(zhì)改善率最小應(yīng)大于現(xiàn)狀水質(zhì)與目標(biāo)水質(zhì)之間的變化率。城南包圍目標(biāo)水質(zhì)取其排水最終受納水體京杭運(yùn)河的水功能區(qū)目標(biāo)Ⅳ類，即NH3-N水質(zhì)改善率不應(yīng)低于25%，且在盡可能提高片區(qū)水質(zhì)改善率的基礎(chǔ)上降低空間異質(zhì)性。

各方案下城南包圍分片水質(zhì)改善率見圖5。從水質(zhì)改善率的空間分布來看，方案二、三下各片區(qū)最終水質(zhì)改善率均較高，在45%以上，水質(zhì)可穩(wěn)定在接近Ⅲ類水平，而方案一下東南片河道水質(zhì)改善情況相對較差?？梢姺稚⑴潘欣谇逅菁案鄥^(qū)域，使水質(zhì)改善率在空間上分布均勻，而泵引抬高局部水位和泵排降低局部水位營造水位差的引排方式對水質(zhì)改善率空間異質(zhì)性的影響不大。

3.6.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及推薦方案

根據(jù)上述分析，各方案槽蓄量變化率均控制在9%限值以下，但方案三槽蓄量變化率明顯偏高，是方案一、二的3倍以上；各方案水質(zhì)改善速率較為一致，趨于穩(wěn)定的時(shí)間均較短，引水3 d以內(nèi)各片區(qū)水質(zhì)改善率均可穩(wěn)定在40%以上，高于目標(biāo)水質(zhì)改善率25%限值，但方案一對于東南片河道的水質(zhì)改善速率和效果明顯偏低。因此從槽蓄量變化率和水質(zhì)改善率兩方面因素考慮，方案二是相對最優(yōu)方案。

但鑒于各方案均已滿足控制指標(biāo)基本限值，水動(dòng)力水質(zhì)效果方面絕對差異并不顯著，需進(jìn)一步從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度完善決策。各方案均借助城南包圍防洪排澇水利工程開展水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度，在工程建設(shè)上并無新增投資。區(qū)別主要體現(xiàn)在運(yùn)行管理方面，其中方案三有引有排，泵站運(yùn)行費(fèi)用最高；方案一、二排水流量、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長基本一致，泵站運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)；方案二啟用泵站較多，較方案一管理難度相對較大，但考慮到各水利站本身已配置人員開展防汛調(diào)度，此次水動(dòng)力水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度依托原有人員開展管理工作，各方案管理費(fèi)用均不會(huì)大幅增加。

綜合各方案槽蓄量變化率、水質(zhì)改善率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析結(jié)果，推薦方案二為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

本文在提出的生態(tài)調(diào)度方案設(shè)計(jì)總體思路指引下，建立城南包圍河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，經(jīng)定性分析和方案模擬計(jì)算比選，得出城南包圍在協(xié)調(diào)流域、區(qū)域水文情勢和水環(huán)境質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，提出如下方案：引水水源可利用石湖、小石河和東太湖；排水去向宜為運(yùn)河，引排方式需采取動(dòng)力引排營造水頭差的方式；適宜引水規(guī)模取15 m3/s左右，既可形成有序流動(dòng)格局又避免河道底泥上揚(yáng)；在運(yùn)河側(cè)分散泵排降低局部運(yùn)行水位，使清水從水源自流進(jìn)入城南包圍。該方案對河道槽蓄量干擾低，水質(zhì)改善率空間分布均勻，可較好地實(shí)現(xiàn)了水體有序流動(dòng)、恢復(fù)水體自凈能力、改善圩內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行。蘇州市吳中區(qū)城南包圍具有一定代表性，其生態(tài)調(diào)度的總體思路、分析過程、實(shí)施方案對平原河網(wǎng)圩區(qū)具有借鑒意義。