常州市運北片主城區(qū)暢流活水工程運行效果評估

洪 昕，柳 楊，范子武，陳阿萍，謝 忱，潘小保

(1. 常州市水利局，江蘇 常州 213022；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

1 概述

水體流動性差是平原城市基流匱乏型黑臭河流形成的關(guān)鍵原因[1- 2]，近年來，在平原城市河網(wǎng)區(qū)，特別是太湖流域大規(guī)模地實施了活水工程，大幅提升了區(qū)域河道水動力條件，提高了水體的自凈能力，顯著改善了城市水環(huán)境[3- 7]。

在上述研究中，大多學(xué)者主要關(guān)注方案制定與可行性分析、水質(zhì)改善情況以及模型建立和優(yōu)化等方面，而不同季節(jié)環(huán)境下水動力指標(biāo)提升對不同類型受納河道水體的不同水質(zhì)指標(biāo)敏感性和改善程度分析仍較為缺乏。為此，本文基于常州市暢流活水工程，對比分析了2018年夏、秋兩次活水前后常州市主城區(qū)的水環(huán)境改善效果，計算了在不同季節(jié)環(huán)境下河網(wǎng)水體關(guān)鍵水動力指標(biāo)(河道流量)對關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)(溶解氧DO、總磷TP、氨氮NH3-N、透明度、高錳酸鹽指數(shù)等)的貢獻(xiàn)率，評估了常州市主城區(qū)暢流活水工程的運行效果。本文的研究成果可為其他平原河網(wǎng)區(qū)城市水環(huán)境治理提供一定的理論依據(jù)及工程應(yīng)用參考價值。

2 研究區(qū)域概況

常州市運北片主城區(qū)北至新龍河和滬寧高速公路，東臨丁塘港，南到京杭運河，西靠德勝河，面積179.2km2，屬平原河網(wǎng)區(qū)，水系復(fù)雜水動力條件弱，水環(huán)境較差。根據(jù)長江的地理位置及周邊河網(wǎng)的水質(zhì)情況分析，長江可作為其優(yōu)質(zhì)的引水水源。但以往的調(diào)水試驗發(fā)現(xiàn)，引長江水量沿程散失較大，長江邊引水形成的水位差很快在河網(wǎng)中消散，總的進(jìn)城水量僅占引水量的40%，并且引水直接從骨干河道流走，難入中小河道，城區(qū)小河道流動性無法提高[15- 16]。

依據(jù)常州市運北片主城區(qū)河網(wǎng)水系、水利工程分布及水環(huán)境狀況，制定了常州市運北片主城區(qū)暢流活水方案，即充分利用長江優(yōu)質(zhì)水源引水入城區(qū)，新建四座控導(dǎo)工程，形成三級梯級水位差，實現(xiàn)主城區(qū)暢流活水。其中，澡港河為第一級水位、老運河為第二級水位、京杭大運河為第三級水位，通過創(chuàng)造高低水片條件，引導(dǎo)水流有序流動、按需分配水量，實現(xiàn)自流活水[17- 18]。

常州市暢流活水工程引水水流路徑、新建的四座控導(dǎo)工程(溢流堰工程)及三級水位如圖1所示，該方案于2017年6月通過專家審查，同年，暢流活水主要工程——四座控導(dǎo)工程開工建設(shè)，并于2018年6月主體工程建設(shè)完成，具備工程運行條件。

圖1 常州市暢流活水工程引水水流路徑

3 試驗方案

2018年7月(夏季)和11月(秋季)，在常州市主城區(qū)開展了現(xiàn)場活水試驗，兩次試驗期間的調(diào)度方案相同，均是依據(jù)前期經(jīng)過論證的常州市主城區(qū)暢流活水方案，即通過澡港水利樞紐引長江水40m3/s，調(diào)控四座活動堰和合理控制區(qū)域內(nèi)的閘門開度，從而精確控制每條河道的分流比，讓更多的引江流量進(jìn)入主城區(qū)，實現(xiàn)按需配水、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)。試驗期間同步測定河道水位、流量、流速及pH值、透明度、溶解氧、總磷、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮等。

試驗期間，由于部分工程未能完工，僅東北部城區(qū)具備試驗條件，因此兩次試驗主要針對東北部城區(qū)開展，兩次試驗的監(jiān)測成果為本文評估工程運行的水動力及水環(huán)境的改善效果及河網(wǎng)水體水動力指標(biāo)對水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 流量分析

2018年常州兩次現(xiàn)場活水試驗期間實測河道流量監(jiān)測結(jié)果顯示，兩次流量分配基本一致。夏季活水試驗，利用澡港水利樞紐泵引40 m3/s，通過盤龍苑堰和恐龍園堰聯(lián)合調(diào)控，入城流量顯著提升，達(dá)到30 m3/s，盤龍苑溢流堰溢流約8.00m3/s。支浜、三井河形成西引東排自流格局，過流各大致3.60m3/s，經(jīng)恐龍園堰調(diào)控，入園流量顯著增加，進(jìn)入老澡港河(恐龍園南側(cè))流量7.40 m3/s，盤活了恐龍園及周邊水系。通過恐龍園堰溢流4.37 m3/s。澡港河進(jìn)入古城區(qū)流量大致26.00m3/s，經(jīng)新市橋堰和洋橋堰調(diào)控后，西市河過流量6.70m3/s，北市河過流量5.50 m3/s，東市河過流量5.50 m3/s，南市河由于施工斷流僅過流0.10m3/s，主城區(qū)過流量大幅提升。

秋季活水試驗，利用澡港水利樞紐泵引40m3/s，入城流量顯著提升，達(dá)到31 m3/s，盤龍苑溢流堰溢流約8.00m3/s。柴支浜、三井河各分流達(dá)到3～4m3/s。通過恐龍園堰的調(diào)控，入園流量顯著增加，達(dá)到7.6m3/s。進(jìn)入古城區(qū)水量約23.8m3/s，西市河入流6～7 m3/s，北市河入流5～6 m3/s，東市河入流3～4 m3/s，南市河入流2～3 m3/s，主城區(qū)過流量大幅提升。

兩次活水試驗前后流量、流速對比情況見表1，2018年夏季活水試驗河道流量提升倍數(shù)在1.6～55倍，2018年秋季活水試驗河道流量提升倍數(shù)在1.7～61倍，大部分河道流量和流速在活水后顯著提升。

表1 兩次活水試驗前后流量流速對比表

4.2 水質(zhì)分析

2018年夏季活水試驗前后水質(zhì)變化情況見表2。試驗前水質(zhì)本底值總體情況較好，除南市河琢初橋處因施工導(dǎo)流過水不暢、橫塘浜河黃龍橋處因污染嚴(yán)重，水質(zhì)為劣V類外，其余點位水質(zhì)為III-IV類。活水試驗后，除南市河、橫塘浜河由于上述原因水質(zhì)提升效果不佳以外，其余點位均保持現(xiàn)有水質(zhì)等級或提升一個等級，大部分河道達(dá)到III類及以上，水質(zhì)改善效果明顯。

表2 2018年夏季活水試驗前后水質(zhì)變化

2018年秋季對研究范圍內(nèi)76個監(jiān)測斷面水質(zhì)進(jìn)行摸底。活水試驗前水質(zhì)本底情況：綜合指標(biāo)為Ⅱ類的斷面占比9%，Ⅲ類斷面占比32%，Ⅳ類斷面占比33%，Ⅴ類斷面占比19%，劣Ⅴ類斷面占比7%，水質(zhì)總體較差。

活水后研究范圍內(nèi)76個監(jiān)測斷面水質(zhì)情況：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%。

活水前后研究范圍內(nèi)水質(zhì)變化情況：受橫塘浜清淤和橫塘河北樞紐檢修的影響，本次試驗中，無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)域河道流動性和水質(zhì)未有提升。除去不具備試驗條件的河道斷面和翠竹內(nèi)河、柴支浜支浜、五奎河、常隆河等幾條斷頭浜，研究范圍內(nèi)95%的河道斷面水質(zhì)有所改善，活水改善效果顯著。

5 水動力水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系分析

5.1 夏季水動力水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系

2018年夏季活水試驗測點流量和水質(zhì)變幅對應(yīng)關(guān)系見表3。從表3中可以看出，城區(qū)骨干河道和中小河道流量提升，TP和CODMn均有所改善，但DO、NH3-N、透明度變化規(guī)律不統(tǒng)一，由此可見，本次試驗中，TP和CODMn隨流量的提升具有較好的響應(yīng)關(guān)系，但由于DO濃度變化與夏季氣溫有一定關(guān)系，溫度高時，水中微生物耗氧量增大，導(dǎo)致部分測點DO濃度下降，因此隨流量的提升部分河道的DO指標(biāo)改善效果不明顯。本次試驗發(fā)現(xiàn)，對于骨干河道而言，流量提升5倍，TP和CODMn濃度分別減小48%、18%，而對于中小河道而言，流量提升1～55倍，TP和CODMn濃度分別減小19%～60%和0%～36%，本次試驗發(fā)現(xiàn)增大流量有減小透明度的風(fēng)險。

表3 2018年夏季水動力水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系表

注：表中負(fù)數(shù)表示活水試驗后相應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)濃度低于試驗前，正數(shù)表示活水試驗后水質(zhì)指標(biāo)濃度高于試驗前，下同。

表4 2018年秋季水動力水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系表

5.2 秋季水動力水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系

2018年秋季活水試驗測點流量和水質(zhì)變幅對應(yīng)關(guān)系見表4。從表4中可以看出，DO、透明度、TP三項水質(zhì)指標(biāo)隨流量的提升響應(yīng)明顯，對于骨干河道，流量提升3～95倍，DO和透明度分別增大0%～35%和3%～45%，TP濃度降低14%～54%，對于中小河道而言，流量提升1～61倍，DO和透明度分別增大4%～65%和20%～90%，TP濃度降低9%～78%；NH3-N和CODMn變化趨勢不統(tǒng)一，流量增大對中小河道的NH3-N濃度改善具有較好的效果(降低17%～94%)，但對骨干河道的NH3-N濃度改善效果不佳，與之相反，骨干河道的CODMn濃度均由流量增大而降低(降低0%～38%)，但中小河道的響應(yīng)并不顯著。另外，本次試驗也發(fā)現(xiàn)增大流量可能會引起透明度降低。

5.3 綜合分析

為了能夠定量分析水動力提升對常州市主城區(qū)水環(huán)境的作用效果，定義單位流量增幅對水質(zhì)改善貢獻(xiàn)率的平均值作為比較參數(shù)，其計算公式如下：

(1)

式中，ΔI—水質(zhì)指標(biāo)變幅，ΔQ—流量提升倍數(shù)，n—河道數(shù)量。

針對夏秋兩季，分別利用式(1)計算其單位流量增幅對水質(zhì)改善貢獻(xiàn)率的平均值，為了統(tǒng)一所選河道的數(shù)量和點位，選取柴之浜、三井河、北市河、西市河、東市河及老運河的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表5。

由表可知，流量提升對DO的貢獻(xiàn)，秋季>夏季；對TP的貢獻(xiàn)，秋季>夏季；對NH3-N的貢獻(xiàn)，秋季>夏季；對CODMn的貢獻(xiàn)，夏季>秋季；對透明度的貢獻(xiàn)，秋季>夏季。總體來說，在秋季，流量提升對水環(huán)境的改善效果優(yōu)于夏季。

表5 單位流量增幅對水質(zhì)改善貢獻(xiàn)率的平均值統(tǒng)計表

6 結(jié)論

(1)2018年常州兩次現(xiàn)場活水試驗結(jié)果表明，常州市運北片主城區(qū)暢流活水工程運行后大幅提升了城區(qū)河道水動力條件，顯著改善了城市水環(huán)境。

(2)夏季活水試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TP和CODMn隨流量的提升具有較好的響應(yīng)關(guān)系，對于骨干河道而言，流量提升5倍，TP和CODMn濃度分別減小48%、18%，對于中小河道而言，流量提升1～55倍，TP和CODMn濃度分別減小19%～60%和0%～36%；秋季活水試驗結(jié)果顯示，DO、透明度、TP三項水質(zhì)指標(biāo)隨流量的提升響應(yīng)明顯，對于骨干河道，流量提升3～95倍，DO和透明度分別增大0～35%和3%～45%，TP濃度降低14%～54%，對于中小河道而言，流量提升1～61倍，DO和透明度分別增大4%～65%和20%～90%，TP濃度降低9%～78%。

(3)單位流量增幅對水質(zhì)改善貢獻(xiàn)率計算結(jié)果表明，在秋季，流量提升對DO、TP、NH3-N及透明度的貢獻(xiàn)均高于夏季，但對CODMn的貢獻(xiàn)，夏季>秋季。總體來說，流量提升對水環(huán)境的改善效果，秋季優(yōu)于夏季。