昆山主城及周邊區域活水暢流改善水環境方案研究

尚釗儀，張亞洲，戴晶晶，李勇濤，韋婷婷

(太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434)

昆山主城及周邊區域活水暢流改善水環境方案研究

尚釗儀，張亞洲，戴晶晶，李勇濤，韋婷婷

(太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434)

以昆山主城及周邊區域為研究對象，在合理確定水質改善目標的基礎上，依托流域、區域水文水力資料，宏觀確定引排格局、引水水源和水量，結合已有規劃和現狀工況設計活水暢流方案情景，并通過MIKE11水動力水質數學模型進行微觀模擬驗證和決策分析，提出活水暢流工程建設布局及調度方案，旨在對其他平原河網地區開展引調水改善城市水環境提供借鑒。

水環境；平原河網；調水；MIKE11；昆山

平原河網地區城市群社會經濟迅猛發展，人口高度集聚，工業化快速推進，使水體污染排放負荷急劇增加，給水環境帶來巨大壓力。平原河網地區地勢平坦，坡降較小，水體自然流速緩慢，同時深受潮汐影響，水流流向不定，不利于水體流動和污染的稀釋、降解。城市建設進一步擠占河湖空間、破壞水系結構與連通性。為保障防洪排澇安全而做的圈圩設閘更阻隔了水體交換，降低了水體納污、自凈能力，最終導致河道水質惡化、生態退化、水體喪失自然修復能力[1]。

針對這一問題，國內外廣泛開展了利用水利工程調度改善平原河網城市水環境的實踐和研究[2-4]。美國、德國、俄羅斯等均利用引調水修復水環境。上海在20世紀80年代中期就在浦東、嘉定等地開展了以水質改善為目標的水資源應急調度[5]，近年來蘇州、南通等平原河網城市也嘗試利用引調水解決突發水環境問題和提高水環境質量改善效果[6-7]。相關學者分別采用HOHY2、MIKE11、EFDC、WASP等水量水質模型進行調度策略研究[8-11]。研究表明，科學合理地利用水利工程進行引配水調度，能夠快速、有效緩解城市水污染問題，是改善平原河網區水環境的重要技術手段。本文以昆山市主城及周邊區域共302 km2范圍為研究對象，基于現狀水量、水質及水利工程情況，開展基于水量水質模擬的活水暢流改善水環境方案決策研究，提出活水暢流工程建設及調度方案，以期改善昆山市水環境，為昆山社會經濟及城鄉協調發展提供保障，并為其他平原河網城市提供參考。

1 研究區水動力及水環境特征分析

昆山市位于江蘇省東南部，總面積931.5 km2，下轄3個國家級開發區、2個省級開發區和8個鎮，2015年GDP達到3 080億元，連續多年蟬聯全國百強縣之首。昆山屬亞熱帶南部季風氣候區，平均降水量為1 133.3 mm，年際差異較大，降雨呈明顯季節性特征。

1.1 水動力特征

昆山市地處陽澄淀泖區腹地，水利坡降較小，水流相對緩慢。全市河流除東部邊緣地帶稍有潮感外，均屬靜水河流，流向以向東為主。婁江、吳淞江等流域性、區域性河道橫貫昆山，雖然過境水資源量豐富，多年平均過境水量達到總水資源量的88.23%，但由于河道進出昆山未設控制，因此昆山水系與外部水系聯系緊密，來水受流域、區域引排調度及上游城市調度影響，排水受下游城市水引排長江影響，引排自主性較低。

為保護低洼區域防洪排澇安全，多年來昆山形成了以小型圩區為主的防洪排澇體系，實行分片式管理。根據2015年水利普查結果，全市現有圩區98個，建成各類水閘1 070座，固定機電灌排站765座。由于水利工程主要遵循防洪排澇調度方案，缺乏水資源、水環境調度方案，加之部分閘站老化嚴重，因此非汛期閘站常年處于關閉狀態，圩內外水體缺乏交換。

1.2 水環境特征

昆山地表水環境呈現“西優東劣、湖優河劣、外優內劣”的特征。根據已有監測數據，昆山市31個水功能區全年測次法評價達標率為54.8%，達標區域集中在昆西、昆南湖泊群區域；昆中城市化地區圩外骨干河道受城市化區域污染排放影響，由西向東水質變差，西部傀儡湖、廟涇河水質為Ⅱ類，陽澄湖、鰻鯉湖和楊林塘上段為Ⅲ類，水質相對較好，中部婁江、界浦港、張家港下段、葉荷河等水質為Ⅳ類，東部瀏河、青陽港、漢浦塘等水質為劣Ⅴ類，NH3-N、TP為限制性指標，見圖1。對于圩內河道，由于圩區分塊封閉管理進一步降低了水系連通性和水體自凈能力，因此除西部部分河道外，基本為劣Ⅴ類，且中心城區個別河道呈現季節性黑臭。

圖1 昆山市主城及周邊區域骨干河道水質類別分布

2 活水暢流方案設計

2.1 活水暢流范圍

確定活水暢流方案的范圍，需要綜合考慮水環境改善的重點、水系結構的完整性、水體流向的合理性、工程實施的經濟性。昆山市水環境改善重點是高度城市化的中心城區，為中環線以內的77 km2。但是，開展活水暢流改善水環境，必須遵循水文規律，打破行政管理界限，以河流水系為邊界；同時，改善中心城區水環境需要依托區域原有水流特征，利用水質相對優良的西部水系。此外，適當擴大治理區域，可以提高圩區邊界泵站對區域水動力條件改善的輻射效率和效益。因此，活水暢流方案范圍最終確定為北至楊林塘、南至吳淞江、西至陽澄湖-界浦港、東至金雞河-夏駕河共302 km2的區域，見圖2。

2.2 水質改善目標

確定昆山市主城及周邊區域活水暢流水環境改善目標、代表性指標和指標限值，要抓住昆山水環境治理的重點，滿足國家及省部級標準的要求，體現昆山先進性并兼顧目標的可達性。

已有分析表明，影響昆山市圩外骨干河道水功能區達標的關鍵因子為NH3-N和TP，圩內河道黑臭現象較為嚴重，應以此為依據選擇水質目標指標。本研究重點分析GB 3838—2002《地表水環境質量標準》、《城市黑臭水體整治工作指南》、江蘇省環境保護委員會黑臭河道治理標準等標準文件中水質類別控制指標和限值的共性和差異[12-14]，同時基于后續監測的可行性，確定將DO、CODMn、NH3-N、TP 4項指標作為理化控制指標。

圖2 研究范圍示意圖

在此基礎上，結合研究區域圩內外水質現狀及改善需求，確定活水暢流水質改善目標為：研究區范圍內圩外骨干河道達到水功能區劃目標，張家港-婁江以西區域圩內河道達到IⅤ類水質標準，其他區域圩內河道近期消除黑臭，遠期在控源截污實施的基礎上進一步達到嚴格于黑臭河道標準的指標限值(表1)。

2.3 方案引排分析

2.3.1 引排格局分析

昆山市主城及周邊區域活水暢流需要順應流域、區域引排趨勢。

在流域層面，太湖流域陽澄淀泖區洪水期有序流動為沿長江地區以北排長江為主，平枯水期有序流動為北引長江、太湖調蓄、下游供水，形成“長江→陽澄片→長江”、“長江→陽澄片→淀泖片→攔路港”水體流動[15]；引江濟太調度使望虞河水質提升，對東岸陽澄淀泖區河道水質改善有利。在區域層面，七浦塘工程增大了引長江水入陽澄湖流量，縮短了引水入湖時間，加快湖體有序流動，能有效改善陽澄湖水質，陽澄淀泖區形成“七浦引水、瀏河排水、楊林塘視河網水位相機引排”的水環境調度格局[16]，見圖3。

圖3 流域區域引排格局

因此，昆山市主城及周邊區域活水暢流配合流域、區域引排格局，充分利用西部上游來水，依托研究區范圍內骨干河道及閘站水利工程，通過各個圩區的上游閘引、下游泵排，使上游圩外骨干河道水流經圩區內部后，再匯入下游骨干河道，把優質過境水資源的運動路徑拉長，統籌整體與局部引排路徑，形成“西水東引、南北排水”的活水暢流調度格局，促進水體在圩外“陽澄湖→區域河網→吳淞江/太倉塘/新塘河”方向及圩內有序流動，最終向沿長江口門和吳淞江排水。

為充分利用過境優質水資源，在以骨干引排水河道為邊界、遵循骨干河道自然流向、保障各片區內部單向流動的原則下，將研究區劃分為西部、北部、中心、南部、東南5個子片區進行協調調度，見圖4。

表1 水質類別分級及指標限值

圖4 昆山主城及周邊區域活水暢流引排路徑及調度分區

2.3.2 引換水量估算

陽澄湖代表站湘城站長系列水文監測資料*資料來源于水文年鑒，已矯正沉降。及張家港、婁江代表斷面近年監測資料表明， 2003—2015年受流域引江濟太調度影響，湘城站水位較1954—2002年抬高0.36 m，陽澄湖蓄水量明顯增加，2014年昆山段平均出湖流量約為21 m3/s，最大達30 m3/s，水量充沛；婁江入境昆山斷面下泄流量均值為13 m3/s，張家港入境昆山下泄流量均值為17 m3/s，水量較為穩定。以上河道水質相對較好，同時引江濟太、七浦塘、蘇州自流活水工程的實施對其水量、水質均有一定提升作用，因此陽澄湖為主要引水水源，引水約30 m3/s，張家港、婁江為輔助引水水源，分別引水約10 m3/s，總計引水約50 m3/s

根據現狀水質分析，NH3-N是影響區域水質的關鍵限制性因子，也是河道黑臭的重要表征指標，因此，以各片區內現狀和目標水質以NH3-N濃度、河道水體體積為基礎，在考慮稀釋擴散作用，不考慮輸移、降解及新增污染的條件下，結合活水暢流內部分區及實際可引水量的限制，估算各個片區的換水量為：西部片區25～30 m3/s，北部片區25～30 m3/s，中心片區5～10 m3/s，南部片區25～30 m3/s，東南片區15～20 m3/s，其中中心、南部、東南片區主要利用上游片區排水。根據引換水量估算情況，研究初步設計了研究區范圍內活水暢流泵閘啟閉調度方案。

3 活水暢流水動力水質模型的構建與率定

3.1 模型構建

由于活水暢流調度與防洪排澇調度協調主要在非汛期開展，因此本次模擬不考慮降雨及地表徑流造成的污染及其影響，采用MIKE11 水動力模塊(HD)與對流擴散模塊(AD)耦合進行模擬。

研究區內依據現狀條件共概化河段341條，泵、閘控制建筑物392個，屬性均按照昆山市2015年水利普查資料進行概化，見圖5。模型上游邊界為陽澄湖、婁江、吳淞江、巴城湖、茆沙塘等流量，下游邊界為楊林塘、瀏河、吳淞江水位，并按照長序列水文資料及昆山市地表水監測斷面水質監測成果賦值。同時，根據昆山污水相關規劃對研究區域內的點、面源污染進行概化處理。

圖5 模型河網及工程概化圖

3.2 模型率定

2016年6月開展了連續3d的原型試驗，各圩區泵閘調度盡量按照初步設計的活水暢流泵閘啟閉調度方案開啟，并在圩外、圩內河道監測19個測點的水位、流量、流速，6 h/次，監測COD、NH3-N、TP，12 h/次。基于監測結果，對不同等級河道的模型主要參數，包括曼寧粗糙系數和主要污染物COD、NH3-N、TP衰減系數進行率定。

經率定，得到研究范圍內曼寧粗糙系數在0.020～0.035 s/m3之間，其中婁江、吳淞江、瀏河、陽澄湖為0.02 s/m3，青陽港、界浦港為0.025 s/m3，楊林塘、小虞河、張家港為0.026 s/m3，老楊林塘、漢浦塘、金雞河、皇倉涇為0.03 s/m3，其他河道為0.032 s/m3；COD、NH3-N、TP衰減系數范圍分別為0.08～0.25/d、0.05～0.2/d、0.05～0.08/d。具體見表2。本文未對溶解氧進行模擬。

表2 主要河道衰減系數率定結果 d-1

率定結果表明，主要斷面水位計算值與實測值的誤差均在5%以內，水質計算值與實測值誤差均在30%之內，基本能夠模擬研究區水量水質情況，表明所構建模型可用于水量水質模擬分析。骨干河道部分斷面水量、水質指標率定結果見圖6。由于原型試驗中泵閘調度盡量按活水暢流引排方案運行，且研究區處于平原河網地區、河道流速變幅較小，因此認為率定參數能夠基本滿足后續情景方案的模擬需求。

(a) 瀏河監測斷面水位

(b) 張家港監測斷面水位

(c) 瀏河監測斷面NH3-N

(d) 張家港監測斷面TP

4 基于水量水質模擬的活水暢流方案決策分析

在分析昆山水動力、水環境現狀問題，明確活水暢流范圍、水質改善目標、引排格局的基礎上，研究基于MIKE11模型模擬分析調度及工程建設對水動力、水質的改善情況，進行活水暢流方案決策。

4.1 活水暢流情景設計

基于昆山市河網水系、農田水利、污水治理相關規劃，在盡可能利用原有河道和工程，減少征地拆遷的原則下，根據工程建設的可能進度，研究共設計了5種不同河網、工況、調度、污染條件情景組合進行模擬。情景1模擬現狀河網、現狀工程，泵閘全部關閉的實際情況；情景2模擬現狀河網、工程條件下泵閘按照設計調度運行的效果；情景3模擬西部片區10條骨干河道新開疏浚治理，全域非骨干河道新開、疏浚、拓浚等河網綜合整治工程，全域老舊閘站更新改造等近期工程建設后按照設計調度運行的效果；情景4模擬遠期6個控導節制閘工程建設后按照設計調度運行的效果；情景5模擬在情景4的基礎上，控源截污實施完成后生活污水污染入河量削減85%后按照設計調度運行的效果。

不同河網、工況條件示意圖見圖7。5種活水暢流情景見表3。

4.2 水量水質模擬分析

利用MIKE11模型模擬分析研究區范圍內非汛期一個月各情景不同片區的流速和水質變化情況，結果見圖8。

情景1在閘站關閉情況下，各個片區圩內河道呈滯流狀態。COD、NH3-N、TP水質指標值最高，NH3-N和TP均處于劣Ⅴ類標準，COD、NH3-N、TP超過黑臭河道標準的河長分別為35%、22%、30%，超過遠期水質目標的河長分別為35%、50%、48%*MIKE11模型中以COD進行模擬，評價時采用CODMn 15 mg/L對應的COD 40 mg/L作為評價依據。。

情景2按照活水暢流設計方案進行工程調度后，流速和水質均有明顯改善。各片區流速在0.034 ～0.064 m/s，圩內水質污染物濃度有顯著降低，由基本為劣Ⅴ類改善為西部引水片區Ⅱ～Ⅲ類、其他片區部分圩區改善為Ⅳ～劣Ⅴ類，COD、NH3-N、TP超過黑臭河道標準的河長分別為7%、3%、6%，超過遠期水質目標的河長分別為7%、14%、33%。

(a) 西部片區骨干河網治理示意圖

(b) 河網綜合整治示意圖：西部片區為例

(c) 閘站更新改造示意圖：西部片區為例

(d) 控導節制閘示意圖

情景污染源河網工況調度1234現狀現狀河網現狀工程全關現狀河網現狀工程設計b西部片區骨干河網治理+全域河網綜合整治全域閘站更新改造設計b西部片區骨干河網治理+全域河網綜合整治全域閘站更新改造+控導節制閘設計b5規劃a西部片區骨干河網治理+全域河網綜合整治全域閘站更新改造+控導節制閘設計b

注：a，規劃污染為城鎮生活污水滲漏污染總量削減85%；b，在圩內水位滿足防洪排澇控制條件的基礎上進行調度設計。

情景3在情景2的基礎上開展西部片區骨干河網治理、全域河網綜合整治和閘站更新改造，流速進一步增加，水質進一步改善。各片區流速提高至0.043～0.066 m/s，COD、NH3-N、TP超過黑臭河道標準的河長分別為4%、2%、2%，超過遠期水質目標的河長分別為5%、9%、14%。

情景4在情景3的基礎上進行控導節制閘的建設，用于調控水源結構和骨干河道水流。結果表明，圩內河道流速變化不大，但西部片區引水水源結構得到優化，從使用張家港、陽澄湖水源變為全部使用陽澄湖優質水源，同時北部片區水流方向得到有序調控。中心片區、南部片區水質得到明顯改善，COD、NH3-N、TP超過黑臭河道標準的河長分別為0%、1%、0%，基本實現消除黑臭的目標；超過遠期水質目標的河長分別為0%、4%、10%，但北部、南部、東南片區個別圩區NH3-N超遠期水質目標的河長比例仍在20%～30%。

情景5在情景4的基礎上消減污染源，北部片區、南部片區及東南片區水質得到明顯改善，COD、NH3-N、TP超遠期水質目標的河長比例分別為0%、1%、5%，基本實現活水暢流的遠期目標。

模擬分析結果對活水暢流總體引排格局、引換水量、泵閘調度及規劃工程體系布局，以及規劃工程實施進度進行了印證。

(a) 流速

(b) COD

(c) NH3-N

(d) TP

5 結 論

a． 選擇DO、CODMn、NH3-N、TP作為控制指標并合理確定分區域指標限值，是活水暢流方案決策的重要前置條件。

b． 提出遵循水系特性、依托流域區域大引排趨勢，充分利用和合理分配過境優質水資源，利用境內水利工程泵排自引，促進水體在圩內及圩外有序流動，形成“西水東引、南北排水”的調度格局及分區方案，是活水暢流方案決策的關鍵步驟。

c． 研究構建了MIKE11水量水質模型，并進行方案模擬驗證。結果顯示，通過現狀工程調度和規劃工程建設的實施，圩內河道平均流速達到0.057 m/s，圩內河道基本消除黑臭；輔以控源截污工程后，圩外骨干河道水質基本達到水功能區目標要求，圩內河道黑臭消除得到鞏固加強，超過總體目標的河長百分比低于5%，基本實現活水暢流遠期目標要求，并在此基礎上明確了工程體系建設方案布局及調度方案。

開展活水暢流工作，必須統籌好本區域與外部環境、治水與治污、當前與長遠、水量與水質等多方面關系。本文提出的技術路線和方法對其他平原河網地區水環境改善方案研究具有一定的借鑒意義。

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StudyonwaterenvironmentimprovementschemebylivingwaterflowinKunshanmaincityanditssurroundingareas

SHANGZhaoyi，ZHANGYazhou，DAIJingjing，LIYongtao，WEITingting

(WaterResourceDevelopmentResearchCenter,TaihuBasinAuthority,Shanghai200434,China)

This paper takes the main city of Kunshan and its surrounding areas as the research object. On the basis of reasonable determination of water quality improvement target and the hydrological and hydraulic data of river basin and region, water diversion and drainage pattern, water supply source and water quantity are determined macroscopically. Combined with existing planning and current situation, scenarios of live water flow scheme are designed. Besides, the microscopic simulation verification and decision analysis are carried out through MIKE11 hydrodynamic water quality mathematical model. The construction layout and scheduling scheme of live water diversion project are put forward. The purpose of this paper is to provide some reference for other cities in plain river network area implementing water diversion to improve the urban water environment.

water environment; river network in plain areas; water diversion; MIKE11; Kunshan City

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.20

X321

A

1004-6933(2017)06-0125-08

2016-11-20 編輯：彭桃英)