閘泵堰聯(lián)合調(diào)度下水質(zhì)改善試驗(yàn)研究

潘小保，范子武，柳 楊，謝 忱，楊 帆

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

1 概述

平原河網(wǎng)地區(qū)閘泵堰等水工調(diào)控工程眾多，通過(guò)引清入城，既可以稀釋河水降低污染物濃度，有效增加河道的水環(huán)境容量和水體自凈能力；同時(shí)也可以借助閘泵堰等水利工程的聯(lián)合調(diào)度和數(shù)學(xué)模型，精確控制每條河道的分流比實(shí)現(xiàn)按需配水，增大河道流速，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水環(huán)境質(zhì)量的綜合治理措施之一。

本文基于常州市運(yùn)北主城區(qū)現(xiàn)狀水系及水利工程，建立了相關(guān)閘泵堰的聯(lián)合調(diào)度方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，試驗(yàn)期間對(duì)內(nèi)部河網(wǎng)的水動(dòng)力要素和水質(zhì)要素開(kāi)展了同步原型觀測(cè)，驗(yàn)證閘泵堰聯(lián)合調(diào)度對(duì)河網(wǎng)流速、水質(zhì)的影響。

2 研究區(qū)域概況

常州市地處江淮交匯，屬于長(zhǎng)江三角洲上的太湖平原，地勢(shì)西南高、東北低，屬平原水網(wǎng)區(qū)，河道縱橫，水系豐富，河道水力坡降較小，水流緩慢，往復(fù)流動(dòng)。本文以城市發(fā)展相對(duì)成熟、水環(huán)境治理需求大、百姓期盼值高的常州市主城區(qū)為研究重點(diǎn)，活水范圍北至新龍河和滬寧高速公路，東臨丁塘港，南到京杭運(yùn)河，西靠德勝河，總面積179.2km2。

常州市主城區(qū)內(nèi)部水系發(fā)達(dá)、呈輻射狀，以老運(yùn)河、關(guān)河環(huán)抱老城區(qū)為中心，向外輻射有澡港河、北塘河、采菱港河、白蕩河、南運(yùn)河、橫塘河等城區(qū)骨干河道。研究范圍內(nèi)大小河道共113條，長(zhǎng)約285km，其中斷頭浜43條，長(zhǎng)約50km。

目前主城區(qū)骨干河道水質(zhì)尚可，水環(huán)境問(wèn)題主要在于：城區(qū)小河道水質(zhì)較差，且引水難入中小河道，直接從骨干河道流走；河網(wǎng)較為分割，存在多處斷頭浜，水系暢通性差；河道兩岸截污不徹底，水質(zhì)受污染；部分區(qū)域缺乏調(diào)控工程設(shè)施；河道水體渾濁、感觀較差。

分析城區(qū)德勝河橋(德勝河)、常新橋(澡港河)、連江橋(老運(yùn)河)、鐘樓大橋(京杭運(yùn)河)、陽(yáng)湖大橋(京杭運(yùn)河)、清樣橋(北塘河)等六個(gè)斷面近三年的水質(zhì)情況發(fā)現(xiàn)德勝河橋超標(biāo)率59%、常新橋超標(biāo)率17%、連江橋超標(biāo)率74%、鐘樓大橋超標(biāo)率66%、陽(yáng)湖大橋超標(biāo)率33%、北塘河清樣橋超標(biāo)率71%，城區(qū)水環(huán)境問(wèn)題仍十分嚴(yán)峻。

3 調(diào)度方案

3.1 方案思路

常州市主城區(qū)北臨長(zhǎng)江，長(zhǎng)江水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～Ⅲ類水平，可以作為城區(qū)暢流活水優(yōu)質(zhì)水源，德勝河和澡港河骨干河道水質(zhì)較好，可以作為兩條引水通道，分配進(jìn)入城區(qū)中小河道。本文通過(guò)澡港河引清水進(jìn)入城區(qū)后，部分供給東部中小河道，再通過(guò)北塘河、老桃花港北排，部分進(jìn)入老運(yùn)河后，供給南部河流，經(jīng)京杭運(yùn)河?xùn)|排，形成的水流路徑既滿足活水的需要，也兼顧了區(qū)域內(nèi)的防洪排澇，如圖1所示。

圖1 引水水流路徑

但是常州市運(yùn)北主城區(qū)屬平原河網(wǎng)區(qū)，水系復(fù)雜水動(dòng)力條件弱，水流入城距離較遠(yuǎn)，引江水量沿程散失較大，江邊引水形成的水位差很快在河網(wǎng)中消散，總的進(jìn)城水量?jī)H占引水量的40%，并且引水直接從骨干河道流走，難入中小河道，城區(qū)小河道流動(dòng)性無(wú)法提高，仍難以滿足城區(qū)活水需求。澡港河為城區(qū)重要引水通道，引水入城后，在主城區(qū)上游分流，一股從澡港河入城，一股從澡港河?xùn)|支流走，為保證入城水量，需在澡港東支建設(shè)活動(dòng)溢流堰；以關(guān)河、老運(yùn)河包圍的老城區(qū)是常州市水環(huán)境提升的重點(diǎn)，以往調(diào)水中，該區(qū)域東西南北四條市河的水流流量均不大，為了保證引水能夠進(jìn)入該區(qū)域，需要在關(guān)河建設(shè)活動(dòng)溢流堰，抬升關(guān)河水位；澡港河?xùn)|支分流后，在下游有分支老澡港河，在澡港河?xùn)|支(老澡港河交匯口下游)布設(shè)活動(dòng)溢流堰才能保證更多的水流進(jìn)入城區(qū)。因此，提出在關(guān)河新市橋、關(guān)河洋橋、澡港河?xùn)|支盤龍?jiān)贰⒃韪酆訓(xùn)|支恐龍園四處新建活動(dòng)溢流堰作為控導(dǎo)工程，人工營(yíng)造河網(wǎng)水位差，形成城區(qū)自流活水格局。

通過(guò)建設(shè)四座控導(dǎo)工程，形成三級(jí)梯級(jí)水位差。即澡港河為第一級(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)造高低水片條件，實(shí)現(xiàn)自流活水。四座控導(dǎo)工程及三級(jí)水位如圖2所示。

圖2 溢流堰位置及三級(jí)水位

總體來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)，通過(guò)泵引長(zhǎng)江水，調(diào)控4座活動(dòng)堰和合理控制區(qū)域內(nèi)的閘門開(kāi)度，從而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)按需配水，最終達(dá)到水質(zhì)提升、水生態(tài)恢復(fù)、水景觀改善、感官指標(biāo)提升的總目標(biāo)。

3.2 具體方案

本次“暢流活水”現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作在非汛期開(kāi)展，外圍水位3.4m左右，試驗(yàn)條件良好。調(diào)試試驗(yàn)時(shí)間為2018年11月19日8時(shí)—30日17時(shí)，主要對(duì)Ⅰ區(qū)河道進(jìn)行調(diào)試，共計(jì)12天，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)進(jìn)度安排

調(diào)度方案包括溢流堰調(diào)度方案、沿江口門工程閘泵調(diào)度方案以及城區(qū)內(nèi)閘泵調(diào)度方案，具體為澡港水利樞紐潮+泵引入城(水位抬升期潮引+泵引40m3/s，水位穩(wěn)定后泵引40m3/s，試驗(yàn)后期潮引+泵引20m3/s)。城市大包圍閘泵工程：除北塘河樞紐、北塘河船閘、永匯河樞紐、鎖橋河泵站、西水關(guān)泵站、柴支浜東西站、三井河?xùn)|西站等部分閘站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)；其余大部分閘站為泵站關(guān)閉，閘門開(kāi)啟。四座溢流堰高程在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際調(diào)整。試驗(yàn)期間確定的調(diào)度方案見(jiàn)表2—4。

表2 溢流堰調(diào)度方案

表3 沿江1口門工程閘泵調(diào)度方案

表4 城區(qū)內(nèi)閘泵調(diào)度方案

注：I區(qū)范圍內(nèi)其它閘泵控制工程按照2009年市水利局印發(fā)的《常州市區(qū)河道引清調(diào)水調(diào)度方案(試行)》調(diào)度。

圖3 試驗(yàn)期間引水沿線關(guān)鍵點(diǎn)位水位變化過(guò)程

表5 活動(dòng)溢流堰建成前后調(diào)水成果對(duì)比

4 水質(zhì)改善效果分析

4.1 水位

本次試驗(yàn)期間，引水沿線澡港河入城口(許家塘橋)、三堡街(老運(yùn)河)、常州(三)等幾處關(guān)鍵點(diǎn)位的水位變化過(guò)程如圖3所示。從圖3中可以看出，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的引水，水位穩(wěn)定后，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20cm左右，形成了預(yù)期水位差，但受新閘工程未實(shí)施改造的影響，常州(三)水位與三堡街水位相近，水位差僅在5cm左右。因此僅能形成方案中的一二級(jí)水位差，即東北部城區(qū)可以實(shí)現(xiàn)活水效果，本次試驗(yàn)也主要針對(duì)東北部城區(qū)。

4.2 流量

常州市主城區(qū)“暢流活水”I區(qū)階段性調(diào)度方案實(shí)施后，溢流堰建成前后活水流量對(duì)比情況見(jiàn)表5。試驗(yàn)第一階段，澡港水利樞紐泵引40m3/s，城區(qū)內(nèi)河道流量穩(wěn)定時(shí)，柴支浜流量流速提升倍數(shù)11倍，西市河、北市河、南市河流量分別提升31倍、61倍、8倍。試驗(yàn)第二階段，澡港水利樞紐泵引20m3/s，聯(lián)合開(kāi)閘潮引時(shí)，城區(qū)內(nèi)流量相對(duì)減小，但各河道流量仍有提升，柴支浜流量流速提升倍數(shù)8倍，西市河、北市河、南市河流量和流速分別提升20倍、46倍、5倍。

2015—2018年活動(dòng)溢流堰建成前后多次活水，歷次活水成果流量對(duì)比情況見(jiàn)表5，總體而言，溢流堰建成后I區(qū)內(nèi)部河道流量均有較大提升，且本次活水各河道流量，相較于往年多次活水提升明顯。

4.3 水質(zhì)

2018年11月29日，對(duì)所有76個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)采樣分析，受橫塘浜清淤和北橫塘河樞紐檢修的影響，本次試驗(yàn)中，無(wú)法將清水引入橫塘浜沿線以及周邊河道、橫塘河以東片區(qū)，因此該部分區(qū)域河道流動(dòng)性和水質(zhì)未有提升，活水前后不同水質(zhì)指標(biāo)類別斷面占比如圖4所示。

圖4中除去不具備試驗(yàn)條件的河道斷面和翠竹內(nèi)河、柴支浜支浜、五奎河、常隆河幾條斷頭浜，活水后，I區(qū)范圍內(nèi)水質(zhì)綜合指標(biāo)為Ⅱ類的斷面占比42%，Ⅲ類斷面占比51%，Ⅳ類的斷面占比7%，Ⅴ類和劣Ⅴ類斷面占比0%；I區(qū)范圍內(nèi)95%的河道斷面水質(zhì)有所改善，活水改善效果顯著。

圖4 活水前后不同水質(zhì)指標(biāo)類別斷面占比

5 結(jié)論

(1)采用常州市主城區(qū)一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型，模擬了五種方案下常州市主城區(qū)河網(wǎng)流速分布，提出了“利用長(zhǎng)江優(yōu)質(zhì)水源、打造兩條清水通道、新建四座活動(dòng)溢流堰、形成三級(jí)水位差”的改善城市河網(wǎng)水環(huán)境的最優(yōu)方案，為常州市主城區(qū)水環(huán)境治理提出了科學(xué)的依據(jù)。

(2)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，通過(guò)澡港河北引長(zhǎng)江水入城，四座活動(dòng)溢流堰調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)部(目前為東北部城區(qū))河道均衡合理分配流量。通過(guò)引水入城、合理配水和自流活水，城區(qū)河道水質(zhì)綜合指標(biāo)達(dá)到IV類且大部分處于III類，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)水環(huán)境改善和提升。