江陰市城區(qū)活水工程規(guī)劃研究

鄭和震，吳從林，劉 鑫

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2. 長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

1 概述

江陰市北濱長江、南近太湖，是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，并且因水而興，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、發(fā)展最快的縣市之一。江陰市城區(qū)歷史上是個水城，水系縱橫交錯、風(fēng)景優(yōu)美。20世紀(jì)80年代后，隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，出現(xiàn)水系割裂、水動力不足、水環(huán)境惡化、水生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題，嚴(yán)重制約城區(qū)綠色發(fā)展、影響城市形象[1]。為解決此問題，江陰市正在實施城區(qū)水環(huán)境綜合治理項目，包括污水系統(tǒng)提質(zhì)增效、水污染控制、水生態(tài)修復(fù)、引水活水等工程。

“活水”即向污染嚴(yán)重的城市河道中引入水質(zhì)較好的外源水，可促進(jìn)水質(zhì)改善，是城市水環(huán)境治理的重要措施[2]。國內(nèi)外針對活水工程開展了大量研究與實踐，比如：日本[3]從利根川和荒川引水進(jìn)入隅田川改善其水質(zhì)，美國[4]從哥倫比亞河引水進(jìn)入摩西湖改善其水質(zhì)，上海[5]實施引清調(diào)水工程改善蘇州河水質(zhì)，福州[6]從閩江引水進(jìn)入城區(qū)內(nèi)河消除河道黑臭，張燕[7]研究提出了常州市新北區(qū)北部高鐵片區(qū)活水工程規(guī)劃方案，費(fèi)曉磊[8]研究提出了嘉興市區(qū)河網(wǎng)活水工程調(diào)度方案以改善水環(huán)境，苗柱偉[9]分析了敦煌月牙泉恢復(fù)補(bǔ)水工程的效益，賈國華[10]研究提出了聊城市水系連通工程方案，王朝勇等[11]在蘇州市中心城區(qū)提出了清水工程以改善水環(huán)境，趙強(qiáng)等[12]基于水動力水質(zhì)模型確定了無為縣環(huán)城河活水工程引水規(guī)模，保障水質(zhì)改善目標(biāo)的實現(xiàn)。

江陰市城區(qū)活水工程是江陰市城區(qū)水環(huán)境綜合治理項目的重要組成部分，可增加河道水動力條件，為河道增加水環(huán)境容量、修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)等提供支撐[13- 14]。本研究立足江陰市城區(qū)水系現(xiàn)狀及問題，以水環(huán)境改善為目標(biāo)，提出活水工程規(guī)劃方案，為江陰市城區(qū)活水工程的實施提供支撐，也可為其它城市活水工程規(guī)劃提供參考。

2 城區(qū)水系現(xiàn)狀及問題

2.1 研究區(qū)域概況

江陰市地處長三角滬寧杭城市群中心地帶，北濱長江，南近太湖，東連張家港、常熟市，西鄰常州市，是江蘇沿江城市帶與泰錫宜城鎮(zhèn)發(fā)展軸交匯處，也是蘇錫常都市圈向蘇中、蘇北經(jīng)濟(jì)輻射的必經(jīng)通道，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平較高，總面積987.5 km2。江陰市城區(qū)主要位于澄江街道，北至長江，西至老夏港河，東到白屈港，南與南閘街道、云亭街道等接壤，面積76.95 km2。

2.2 水系布局現(xiàn)狀及主要問題

(1)水系布局及水環(huán)境現(xiàn)狀

江陰市屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，城區(qū)河網(wǎng)密布，經(jīng)梳理主要有53條河道和8個湖泊，基本信息見表1和表2。城區(qū)現(xiàn)狀骨干河道呈“三橫三縱”格局，“三橫”為西橫河、東橫河和應(yīng)天河，“三縱”為老夏港河、錫澄運(yùn)河和白屈港，如圖1所示。城區(qū)骨干河道“三橫三縱”格局將城區(qū)分為5個排水片區(qū)，見圖1和表3，城區(qū)排水方向為北排長江，南北向河道為主要排澇河道，東西向河道主要起溝通水系的功能。

圖1 江陰市城區(qū)活水方式圖

表3 江陰市城區(qū)5個排水片區(qū)信息表

表2 江陰市城區(qū)8個主要湖泊特征表

根據(jù)江陰市城區(qū)河道管理要求，城區(qū)河湖的水質(zhì)目標(biāo)除白屈港達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)外，其余河湖均應(yīng)達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。2019年7月，對江陰市城區(qū)河湖共布設(shè)了84個監(jiān)測點位，經(jīng)過水質(zhì)檢測分析，僅有21條河道和3個湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水環(huán)境質(zhì)量總體較差。江陰市城區(qū)目前有28條黑臭河道亟需整治。

(2)水系主要問題

江陰市城區(qū)河湖水系割裂嚴(yán)重，目前存在28條斷頭浜和2條死浜，而且河道上閘站林立；城區(qū)河湖水系受長江潮位變化影響大，長期高水位頂托，水動力條件較弱，水體流動性較差，水勢流向比較復(fù)雜；城區(qū)河湖水系水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)普遍較差，水體黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.3 活水工程現(xiàn)狀及主要問題[15]

(1)活水工程現(xiàn)狀

江陰市城區(qū)澄西片區(qū)(老夏港河—錫澄運(yùn)河之間)尚未開展活水循環(huán)工程，僅澄東片區(qū)(錫澄運(yùn)河—白屈港之間)通過黃山港閘站及白屈港套閘引調(diào)長江水進(jìn)入城區(qū)河道。其中，黃山港閘站引水流量8 m3/s，每日從長江引水8h，可在一定程度上改善黃山港、東橫河、澄塞河、東城河、東轉(zhuǎn)河、應(yīng)天河、北潮河、運(yùn)糧河、秦涇河、東風(fēng)河等10條河流的水質(zhì)；白屈港閘站引水流量約80 m3/s，每周從長江引水5d，主要供應(yīng)無錫市區(qū)及東側(cè)澄錫虞高片水系，引水并不進(jìn)入江陰市城區(qū)。此外，無錫市正在建設(shè)錫澄片骨干河網(wǎng)暢流活水工程，在錫澄運(yùn)河入長江處新建錫澄運(yùn)河閘站，設(shè)計流量為120m3/s，引長江水南流進(jìn)入無錫市。

(2)活水工程主要問題

黃山港活水工程主要針對城東片區(qū)骨干河道，活水范圍和水質(zhì)改善效果有限；白屈港活水工程和錫澄片骨干河網(wǎng)暢流活水工程對江陰市城區(qū)河道幾乎無作用。因此，僅靠目前的活水工程，無法使江陰市城區(qū)河湖水質(zhì)全部達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

3 城區(qū)活水工程規(guī)劃

文章主要從規(guī)劃原則、活水工程條件分析、活水路線、活水需水量、活水工程布局、活水設(shè)施規(guī)模、活水效果分析等7個方面簡介江陰市城區(qū)活水工程規(guī)劃方案。

3.1 規(guī)劃原則

(1)局部服從整體，合理布局

江陰市城區(qū)活水工程應(yīng)與無錫市整體活水工程的要求相協(xié)調(diào)，基于土地利用需求合理布局，并充分利用現(xiàn)有水利設(shè)施，在滿足活水需求的前提下盡量減少工程建設(shè)。

(2)統(tǒng)籌兼顧，安全優(yōu)先

江陰市城區(qū)活水工程應(yīng)兼顧水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀、水管理等各方面的綜合效益，優(yōu)先保障水安全，并確保水源水質(zhì)應(yīng)不低于活水河道的水質(zhì)。

(3)分片活水，提高效率

江陰市城區(qū)活水工程應(yīng)遵循現(xiàn)狀水系格局，分片區(qū)優(yōu)化活水水源及活水路徑，滿足“引得進(jìn)、流得動、排得出”的要求，提高活水效率，全面鞏固和提升城市水環(huán)境。

(4)遠(yuǎn)近結(jié)合，分期實施

江陰市城區(qū)活水工程應(yīng)滿足當(dāng)前環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，又充分兼顧將來生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，為遠(yuǎn)期發(fā)展預(yù)留空間，按輕重緩急要求分期實施活水工程。

3.2 活水工程條件分析

(1)水源條件分析

長江江陰段在三峽工程蓄水后多年平均徑流量為8148億m3，有足夠的可供水量；水質(zhì)總體評價為Ⅱ類，水質(zhì)優(yōu)良，可作為江陰市城區(qū)的主要活水水源。長江水引入城區(qū)后流經(jīng)白屈港、黃山港、東橫河、錫澄運(yùn)河、西橫河等骨干河道，可作為其相鄰河道的活水水源。

此外，澄西污水處理廠尾水規(guī)劃于2020年完成尾水提標(biāo)工作(準(zhǔn)IV類)，水量為3.5萬m3/d。為了促進(jìn)水資源的高效利用，遠(yuǎn)期可利用澄西污水處理廠尾水進(jìn)入望江公園景觀湖凈化后作為輔助水源補(bǔ)水。

(2)控制建筑物條件分析

江陰市城區(qū)骨干河道上的主要控制建筑物有1個水利樞紐、1個套閘、3座閘站、6座閘門，見表4。其它河道上布設(shè)約30座建筑物，有排澇站、擋水壩、節(jié)制閘等，可作為活水工程的重要支撐條件。通過合理新建或改建閘門、泵站等控制建筑物，可以實現(xiàn)活水工程調(diào)度。

表4 江陰市城區(qū)主要閘站基本情況表

3.3 活水路線

(1)活水方式

根據(jù)國內(nèi)外活水工程研究與實踐情況，結(jié)合江陰市城區(qū)河道實際條件，提出“大水系大循環(huán)，小水系小循環(huán)”的活水理念，實行分片活水。其中，“大水系大循環(huán)”是指相鄰水系間隔不遠(yuǎn)，可通過新建明渠或管涵連通，在必要處布設(shè)閘站控制水流；“小水系小循環(huán)”是指對于末端與相鄰水系間隔較遠(yuǎn)的斷頭浜，通過明渠或管涵與鄰近水系連通難以實現(xiàn)的情況，可新建泵站及輸水管將下游水體輸送至支流上游，依靠水體回流實現(xiàn)活水。

(2)活水路線總體情況

通過宏觀分析江陰市城區(qū)引排水格局，依托 “三橫三縱”水系總體布局，按上述活水理念，共提出18條活水路線，如圖2所示。其中，“大水系大循環(huán)”路線12條，“小水系小循環(huán)”路線6條；近期活水路線15條，遠(yuǎn)期活水路線3條。

圖2 江陰市城區(qū)活水路線圖

3.4 活水需水量

根據(jù)相關(guān)研究和應(yīng)用實踐，活水需水量一般可用水質(zhì)達(dá)標(biāo)稀釋法、水文學(xué)法中Tennant法和槽蓄法[16]進(jìn)行計算。水質(zhì)達(dá)標(biāo)稀釋法適用于污染情況持續(xù)存在、且短期內(nèi)無法改善的河道。由于江陰市城區(qū)河道正在實施水污染控制工程，預(yù)計工程實施后，河道污染情況會顯著改善；而江陰市城區(qū)多條河道為斷頭浜或死浜，流量近乎為0，且許多河道缺乏流量記錄數(shù)據(jù)，因此，本項目采用槽蓄法計算各河道活水需求量。

采取槽蓄法計算活水規(guī)模，即根據(jù)河槽形狀及河底高程等實測資料，測算出每條河道在目標(biāo)水位下的槽蓄量，考慮蒸發(fā)滲漏損失和換水量，得到各河道生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)需水量。通過計算，得出一次活水總需水量為242.2萬m3，其中，排水I、II、III、IV、V區(qū)河道總需水量分別為26.9、20.6、84.9、56.6、53.2萬m3。

3.5 活水工程布局

針對各活水路線，從工程建設(shè)條件、安全性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理等多方面考慮，充分利用現(xiàn)有工程，合理布局明渠、管涵、閘站建設(shè)工程。根據(jù)各活水路線工程布局統(tǒng)計：近期新建泵站9座，改建泵站1座，新建閘泵結(jié)合站2座，新建閘門5座，改建擋水壩為閘門1座，新建生態(tài)堰1座；新建明渠3189m，改建明渠2014m；新建管涵7531m，改建管涵1470m。遠(yuǎn)期新建泵站1座，新建明渠1388m，改建明渠300m，新建管涵270m。

3.6 控制建筑物規(guī)模

根據(jù)各河道需水量及城區(qū)調(diào)度管理要求，應(yīng)在1～2天內(nèi)完成一次活水調(diào)度，并結(jié)合建設(shè)場地面積、現(xiàn)狀河道/管涵過流能力等因素，確定2座閘泵結(jié)合站、11座泵站、6座閘門共19座控制建筑物的規(guī)模，見表5。

表5 江陰市城區(qū)活水控制建筑物規(guī)模

3.7 活水效果分析

基于水力學(xué)原理[17]建立江陰市城區(qū)河網(wǎng)一維水動力模型，分析活水工程對河道水動力條件的改善效果。經(jīng)計算，18條活水路線的河道最大流速達(dá)0.05～0.25m/s，說明活水工程能顯著增強(qiáng)水動力條件，為河道增加水環(huán)境容量、修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)等提供支撐。

4 分析討論

已有研究與實踐表明活水工程對城市河道水環(huán)境改善具有較好作用，是當(dāng)前城市水環(huán)境治理的重要措施。為解決江陰市城區(qū)水環(huán)境問題，江陰市正規(guī)劃實施城區(qū)水環(huán)境綜合治理項目，活水工程作為重要組成部分，可增加河道水動力條件，為河道增加水環(huán)境容量、修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)等提供支撐。因此，研究提出了江陰市城區(qū)18條活水路線，計算了活水需水量，布局了明渠、管道、閘站等工程，確定了控制建筑物的規(guī)模，分析了活水效果，形成了活水工程規(guī)劃方案。

下一步，需基于河道水環(huán)境改善目標(biāo)、活水路線和控制建筑物規(guī)模等研究，提出科學(xué)的活水調(diào)度方案，并與政府相關(guān)部門密切配合開展活水工程設(shè)計工作，推動江陰市城區(qū)活水工程盡快實施，實現(xiàn)城區(qū)活水工程改善河道水環(huán)境的目標(biāo)。

5 結(jié)論

江陰市為解決城區(qū)河湖水系割裂、水動力不足、水環(huán)境惡化、水生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題，正規(guī)劃實施水環(huán)境綜合治理項目。針對項目重要組成部分的活水工程措施，基于江陰市城區(qū)河湖水系現(xiàn)狀及問題，通過科學(xué)論證提出活水工程規(guī)劃方案。基于建模分析，活水工程可使河道最大流速達(dá)0.05～0.25m/s，能顯著增強(qiáng)水動力條件，為河道增加水環(huán)境容量、修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)等提供支撐。

江陰市城區(qū)活水工程規(guī)劃方案為活水工程的實施提供指導(dǎo)，同時為其它城市活水工程規(guī)劃提供參考。目前，尚未提出科學(xué)的活水調(diào)度方案，需繼續(xù)開展深入研究，從而深化活水工程規(guī)劃方案。