平原河網圩區水利工程生態調度方案研究
——以蘇州吳中城南包圍為例

魏 清 福

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引 言

太湖流域平原河網區地勢低洼平坦，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，許多地區通過圈圩筑堤、建閘控制、設站排水的方法建設圩區[2]，流域內圩區面積已占到流域平原面積的一半以上。圩區的建設一方面對保障流域和區域防洪安全發揮了重要作用；另一方面也一定程度阻斷了內外水體的自由交換，給水環境和水生態系統帶來巨大壓力。隨著生態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一步營造健康、美麗、幸福河湖轉變，開展圩區水利工程生態調度，實現水體有序流動，恢復水體自凈能力，改善圩內水環境質量，具有十分重要的意義。

然而，圩區水利工程生態調度方案制定是一個多變量、多目標的優化問題，已有許多學者對平原河網區開展調水引流方案的研究。陸一維等[3]在太湖流域典型區無錫市運東片區構建一維非穩態水動力水質模型，模擬各引水方案及調度規則對研究區域的水質改善效果；王元元等[4]選取太湖流域湖西區作為典型區域，以最大程度發揮感潮水體動力學特性為目標，提出了合適的調水時機；于珊等[5]在寧波市海曙區開展野外原型同步監測，以河道分流比、換水率及槽蓄量為研究對象，分析引調水工程對河網水動力的調控結果；許益新[6]以張家港市三大水循環體系為例，構建一維河網水動力水質數學模型，揭示了不同長江潮位與內河引水量的響應關系，以及不同引水量與河網水質改善效果、引水服務面積的響應關系；田傳沖等[7]針對溫州市主城區平原河網水系特點，考慮目標流速和目標水質兩個因子，通過構建水動力水質聯合調控模型對引水規模進行了研究；周芬等[8]以臺州溫黃平原為例，構建水量水質聯合調控耦合模型系統，對調水引流水量及水量水質聯合調控方案進行研究。但在方案設計和比選過程中，往往選用一種或幾種指標對少量可行性較高的調度方案進行評估優選[9]，對于優化組合變量、合理選取目標存在主觀化、經驗化的問題。

本文以蘇州市吳中區城南包圍為例，通過確立圩區水利工程生態調度方案設計總體思路，建立河網水環境數學模型，系統闡釋了生態調度方案制定的變量組合演變及目標指標比選過程，以期為平原河網圩區水利工程生態調度方案制定提供一套可復制、可推廣的做法。

1 研究區域概況

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

1.1 防洪除澇工程布置

城南包圍規劃建成以太湖、小石河-石湖、京杭運河、吳江向榮圩北界包圍的大包圍，保護面積24.4 km2，排澇流量77m3/s，排澇模數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 水環境現狀

城南包圍屬于城市開發區，人口集中帶來排污量的增大，城鄉結合部生活污水的無序排放，城市建設過程中對水系的干擾等影響因素，導致整體水環境不理想，水質污染嚴重(多為Ⅳ～Ⅴ類水)，水體感觀較差。其周邊東太湖水質除TN外，NH3-N、CODMn和TP均可達到Ⅲ類水質標準，其中NH3-N、CODMn能達到Ⅰ～Ⅱ類，京杭運河水體CODMn和TP基本維持在Ⅲ類，NH3-N大部分為Ⅴ類，TN均為劣Ⅴ類，水質較差。

2 研究方法

本文首先提出平原河網圩區水利工程生態調度的總體設計思路，在科學的思路框架指引下，借助MIKE11建立城南包圍河網的一維水動力水質模型，開展生態調度方案的研究。

2.1 方案設計總體思路

平原河網地區水系和水環境狀況復雜，泵閘調度方式多樣，圩區水利工程生態調度需要考慮多重因素，并選取關鍵比選指標。本文在統籌考慮引水水源、排水去向、引排方式、引水規模、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、水質改善率等目標指標的基礎上，提出方案設計總體思路(見圖2)。

(1) 確定總體引排格局。平原河網圩區周邊水文特征、水環境質量會受到流域、區域及上下游城市調度影響，圩區的來水水量、水質由外邊界確定，應在流域、區域水文情勢、水環境質量狀況分析的基礎上，首先明確引水水源、排水去向、引排方式等圩區生態調度的邊界變量，確定總體引排格局。

(2) 提出適宜引水規模。圩區引水規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，其適宜規模又與生態調度的目標息息相關。圩區生態調度基本目標是促進水體有序流動，故可利用適宜流速作為約束指標，在方案初步設計階段，通過少量試驗或模型試算，基本鎖定適宜引水規模。

(3) 優選引排控導布置。引排控導布置主要包括引排口門和內部控導工程，是生態調度是否能做到全域“活水”的關鍵，也是靈活度最高的變量，應重點對此進行方案設計及比選。同時，在對眾多目標指標進行相關性分析的基礎上，宜選用槽蓄量變化率、水質變化率作為比選指標，簡潔明了地反映方案對于防洪安保的影響、提高水生態環境質量的效果。

槽蓄量變化率指河網區河道槽蓄量變化值與初始槽蓄量之比，計算公式為

(1)

式中：ΔV為河網區槽蓄量變化值，m3；V0為初始槽蓄量，m3。

水質變化率指河網區河道水質濃度變化值與初始水質濃度之比，計算公式為

(2)

式中：ΔC為河網區河道水質濃度變化值，mg/L；C0為初始水質濃度，mg/L。

2.2 模型基本原理

水動力計算的基本控制方程是基于垂向積分的圣維南方程組，其連續性方程和動量方程為

(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，C=R1/6n-1；n為河道糙率；x為空間坐標，m；t為時間坐標，s。

水質計算的基本控制方程為污染物對流擴散方程。

(5)

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

2.3 河網及工程概化

模型中共概化河道44條，其中包圍圈內部河道43條，外部河道1條，為京杭運河楓橋-瓜涇口段，河道長度共計63.4 km，并概化閘站工程24處。概化后的河網中，最大計算節點間距為200 m，共有618個水位計算點，488個流量計算點，水位及流量計算點交替均勻分布于概化河網中。河網及工程概化示意見圖3。

2.4 模型計算條件

(1) 污染源條件。河網水質現狀基本處于Ⅳ～Ⅴ類，以NH3-N為代表水質指標，通過零維模型估算，在概化河網中投加適量NH3-N污染，使得常水位且水體流動性較差的條件下河道水質穩定在Ⅳ～Ⅴ類水平，與現狀水質基本一致。

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

(3) 初始條件。根據城南包圍及周邊河道近10 a平均水位設置水位初始條件，水質初始條件取NH3-N濃度2 mg/L(Ⅴ類標準)。

2.5 模型參數條件

根據相近區域研究成果[3，6-8]及河道實際情況，糙率取為0.025，NH3-N降解系數取為0.05/d。

3 方案設計及對比分析

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，水質基本維持在Ⅲ類；運河水量充足，但水質常年為Ⅳ～Ⅴ類，甚至達劣Ⅴ類；東太湖、小石河水量充足，水質基本處于Ⅱ～Ⅲ類。故從各水源水量水質邊界分析確定可利用的引水水源有3個，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河。

3.3 引排方式

根據城南包圍周邊楓橋、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系可知，近10 a小石河附近平均水位3.14 m，運河中部平均水位3.18 m，無法利用水位差實現自流，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 引水規模

根據蘇州古城區、常熟古城區等“自流活水”實踐經驗[10]，圩內河道流速控制在10～30 cm/s，可形成有序流動格局，視覺效果較好，也不易引起河道底泥上揚使水體透明度下降。經輸水主干河道流量流速關系推算，以及模型初步試算，引水規模在15 m3/s左右時，可控制城南包圍河道普遍達到適宜流速。

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。在此基礎上，為實現全域“活水”，排水口門結合排水去向布置于東北和東南片區運河沿線，使引排口門的連線盡可能貫通整個區域。由于城南包圍運河沿線口門眾多，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，基本鎖定引水規模為15 m3/s，引排口門布置于東北和東南片區運河沿線。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行組合設計，形成3組調度方案，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 調度方案Tab.1 Schedule schemes

3.6.1槽蓄量變化率對比分析

調水過程通常會改變槽蓄量，在增大圩內河道流量，加快水體流動性的同時，需減少對槽蓄量的干擾，以防止漫灘、降低水位波動。槽蓄量與河網區河道水位基本呈線性關系，槽蓄量變化率最大不應超過圩區允許變動水位差(取圩區常水位與最高、最低控制水位差值的較小值)與常水位下水深之比。根據城南包圍排澇控制水位實際情況，槽蓄量變化率應控制在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%。可見通過在運河側開泵排水，降低局部運行水位，使清水從較多口門(方案一、二較方案三增加了1個東太湖自流引水口)自流進入城南包圍的方案，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 槽蓄量變化率統計Tab.2 Statistical table of change rate of tank storage

3.6.2水質改善率對比分析

圩區生態調度需在做到“引清”的基礎上，保證河網各個片區達到目標水質，并得到全面“活水”，清水高效利用，減少水質改善率在空間分布上的異質性。水質改善率最小應大于現狀水質與目標水質之間的變化率。城南包圍目標水質取其排水最終受納水體京杭運河的水功能區目標Ⅳ類，即NH3-N水質改善率不應低于25%，且在盡可能提高片區水質改善率的基礎上降低空間異質性。

各方案下城南包圍分片水質改善率見圖5。從水質改善率的空間分布來看，方案二、三下各片區最終水質改善率均較高，在45%以上，水質可穩定在接近Ⅲ類水平，而方案一下東南片河道水質改善情況相對較差。可見分散排水有利于清水惠及更多區域，使水質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改善率空間異質性的影響不大。

3.6.3技術經濟分析及推薦方案

根據上述分析，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；各方案水質改善速率較為一致，趨于穩定的時間均較短，引水3 d以內各片區水質改善率均可穩定在40%以上，高于目標水質改善率25%限值，但方案一對于東南片河道的水質改善速率和效果明顯偏低。因此從槽蓄量變化率和水質改善率兩方面因素考慮，方案二是相對最優方案。

但鑒于各方案均已滿足控制指標基本限值，水動力水質效果方面絕對差異并不顯著，需進一步從技術經濟角度完善決策。各方案均借助城南包圍防洪排澇水利工程開展水動力水質聯合調度，在工程建設上并無新增投資。區別主要體現在運行管理方面，其中方案三有引有排，泵站運行費用最高；方案一、二排水流量、穩定運行時長基本一致，泵站運行費用相當；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度，此次水動力水質聯合調度依托原有人員開展管理工作，各方案管理費用均不會大幅增加。

綜合各方案槽蓄量變化率、水質改善率和技術經濟比較分析結果，推薦方案二為最優方案。

4 結 論

本文在提出的生態調度方案設計總體思路指引下，建立城南包圍河網水環境數學模型，經定性分析和方案模擬計算比選，得出城南包圍在協調流域、區域水文情勢和水環境質量影響的基礎上，提出如下方案：引水水源可利用石湖、小石河和東太湖；排水去向宜為運河，引排方式需采取動力引排營造水頭差的方式；適宜引水規模取15 m3/s左右，既可形成有序流動格局又避免河道底泥上揚；在運河側分散泵排降低局部運行水位，使清水從水源自流進入城南包圍。該方案對河道槽蓄量干擾低，水質改善率空間分布均勻，可較好地實現了水體有序流動、恢復水體自凈能力、改善圩內水環境質量的目標，且技術經濟可行。蘇州市吳中區城南包圍具有一定代表性，其生態調度的總體思路、分析過程、實施方案對平原河網圩區具有借鑒意義。