无为县环城河活水工程引水规模研究

(长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

0 引言

无为县隶属芜湖市，地处皖中，南濒长江、北依巢湖，承东启西。县政府驻地无城镇，为全县政治、经济、文化中心，地理环境优越、区位优势独特[1]。城镇老城区西部和北部古护城河与东部花渡河故道相通，组成现在的环城河。

历史上，环城河从康乾年间一直到民国均与外围花渡河和西河连通，老城区与外界通过吊桥或拱桥相通[2]。建国后，由于防洪需要，先后建了西河大堤、花渡河大堤、二纺厂闸、城防站，并开凿5.24km花渡河下游人工河道，进而阻断了环城河与花渡河、西河的水力联系[3]。后为完善交通系统，环城河之上先后修建起了13座桥梁或交通断坝，将环城河隔断成互不连通或连通性很差的若干段水体。随着县城人口的持续增长、经济的快速发展和城镇化进程的不断推进，环城河在人类活动的影响下，水环境问题日益严重，水体不连通更加剧了水质的恶化[4]。

1995年以来，无为县人民政府投入大量资金开展景观打造、环境治理、清淤清障等工作，取得了一定的整治效果，但仍存在截污不彻底、水系割裂、水体流动不畅等问题，导致环城河水生态环境持续恶化。2018年8月环城河水体再次暴发大面积蓝藻，基于系统科学理念的水环境综合整治破在眉睫[5-7]。

在近期控源截污工程难以快速实施的情况下，为了满足无为县城区环城河水质迅速改善，城市风貌得到显著提升的需求，本着“先易后难、标本兼治”的原则[8]，首先研究环城河活水方案，确定其引水规模。本文研究结果对于环城河活水工程布置、引水规模确定、闸站调度具有重要的指导意义。

1 现状及存在问题

1.1 环城河水系格局及问题

环城河上游通过二纺厂闸与花渡河有连通条件，下游通过城防站穿堤涵管可与西河连通。环城河设计景观水位为7.5m(黄海高程)，西河丰、平、库水年水位过程线如图2所示。除丰水年极端降雨情况下，西河水位绝大多数时间都位于7.5m以下[9]，环城河水入西河有自流条件。花渡河入西河处新建了一座闸门(新花渡闸)，通过该闸门的调度可抬高二纺厂闸处花渡河水位，以营造花渡河—环城河—西河的自流条件。

连通环城河与花渡河的花渡河故道被4处断坝、若干养殖坝分割成互不连通的水体，卡死了花渡河水入环城河的入口；环城河西段大安桥、小安桥桥下涵洞过流能力较差。环城河西段水下地形整体高于东段，北段高于南段，导致活水线路上水力条件极差，且引水后约80%的大水从东段走。因篇幅有限，本文不做工程布局及规模论证，假设已对水下地形超过6.0m的区域进行了清淤、清障，各卡口已通过清除或者建设涵管的形式连通，在环城河东西段连接处建设了活动溢流堰以调节两个河段的分流比(图3b)，在此基础上对环城河引水规模、引水保证率进行论证。

1.2 环城河及周边水系水环境现状及问题

2018年11月在整个研究区范围内布设了10个水质监测点位，对水质主要指标pH、化学需氧量、氨氮、总磷、浊度进行了监测分析。

根据水质监测结果，花渡河城区上游来水水质为III类，花渡河故道水体为III～Ⅳ类；环城河内水体水质均为劣Ⅴ类，水质不达标，主要超标因子为氨氮、总磷。根据 《无为县城市总体规划 (2009—2030)》[1]，环城河被划为Ⅳ类水环境功能区，执行地表水Ⅳ类水质标准，现状水质离规划目标差距较大。

2 研究技术方法

2.1 水质达标需水计算

本文采用丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的MIKE21二维水动力水质模型对水质达标引水规模进行计算。

2.1.1 模型简介[10]

(1)水动力学方程

二维水动力控制方程为笛卡尔坐标系(Cartesian Coordinates)下的纳维—斯托克斯方程组(Navier-Stokes equations)，该方程组由水流连续性方程、沿水流方向(x方向)的动量方程和垂直水流方向(y方向)的动量方程组成。

(1)

(2)

(3)

(2)水质模型

根据质量守恒定律，考虑污染物运移过程中的对流、扩散和降解等因素，污染物的运移方程可写为：

(4)

式中：c为污染物的浓度；(Dx,Dy)为x和y方向的扩散系数；Kd为污染物线性降解系数。

2.1.2 计算条件

(1)计算范围

模型研究范围为二纺厂闸至小河口站之间环城河水域，研究面积约1.5km2。根据上述确定的模型计算范围，结合计算范围内河道形态和可能影响河道水流结构的相关因素，对计算水域采用三角形网格进行剖分，共划分三角形网格1448个。

(2)计算年型

本次引水规模比选考虑最不利水文条件，选取典型年为90%保证率的枯水年，即2013年，模型计算时间从2013年1月1日0时至2014年1月1日0时。

(3)初始边界条件

根据2018年水质监测结果，环城河超标最严重的污染因子为氨氮，因此选取氨氮为计算指标，引水水体氨氮浓度为0.895mg/L，环城河水体本底氨氮浓度为3.3mg/L。入河污染物点源考虑沿岸控源截污工程的开展，削减为现状的50%；面源保持不变；内源全部削减。经计算枯水年氨氮点源入河量为28.2t，面源入河量为11.7t。

(4)计算工况

环城河入流为设计引水流量。花渡河丰水年、平水年、枯水年年平均流量分别为3.37m3/s、2.77m3/s、2.49m3/s，考虑可引水量不超过年平均流量，本次模型计算选取1m3/s、1.5m3/s、2m3/s、2.5m3/s、3m3/s、3.5m3/s、4m3/s分别作为设计引水流量。

(5)调度规则

通过小河口站调控，使环城河水位维持在7.5m；当小河口站出口西河水位<7.5m，且花渡河流域及环城河排涝分区无防洪、排涝任务时，则实施引水，否则关闭二纺闸停止引水。

实施引水时，若花渡河来水量小于既定引水规模，则来多少引多少；若花渡河来水量大于既定引水规模，则通过对二纺闸的控制，按照设定规模引水，其他来水通过开闭新花渡闸进行调蓄，二纺闸处水位低于10.5m之前，可以通过关闭新花渡闸蓄在河道内，当超过10.5m时，则开启新花渡闸将来水排出。

2.2 生态需水计算

河流生态需水是将河流生态系统结构、功能和生态过程维持在一定水平所需要的水量，包括维持河流生物多样性功能、自净功能、调节水量、维持河道形态、文化功能等。结合环城河水体使用功能，本次方案采用Tennant法计算河流生态需水。

Tennant法根据水文资料和现场调查结果，以年平均径流量百分数来描述河道内流量状态。为了使河道达到非常好的状态，河道生态基流取河道多年平均流量的10%～30%[11]。在此流量条件下，大部分河道将没于水中，大部分边槽将有水流，许多河岸将成为鱼类的活动区，许多流速快的河段和大部分旋涡区的深度将足以作为鱼类的活动场所。

2.3 景观需水计算

在对河道实施清淤、护岸、绿化等措施后，通过维持一定水深可取得较好的景观效果。根据河道水深、河道宽度、河道长度、交换次数确定景观需水，公式如下：

Whe=B×H×L×n

(5)

式中：Whe为河流日生态需水量，m3；B为河流宽度，m；H为河流水深，m；L为河流长度，m；n为日交换次数。

3 引水规模计算

3.1 引水水源

环城河周边西河、花渡河均满足引水水量和水质需求，本着充分利用现有河道、水闸、泵站工程，及“自流优先”的原则，选取花渡河为引水水源。

3.2 引水线路

本方案拟通过新花渡河闸抬高花渡河水位至7.5m(环城河景观设计水位)以上，使得花渡河水体通过二纺厂闸自流进入花渡河故道，在植物园处分流，一部分水体流入古护城河，另一部分水体进入花渡河故道，水体最终由小河口站流入西河，活水线路拓扑关系见图4。

3.3 引水量计算

3.3.1 常年引水规模分析

(1)水质达标需水量分析

图5为基于MIKE21模拟得到的不同引水工况下铵氮浓度变化趋势图。由图5可知，若不引水，则环城河水质始终无法达到Ⅳ类水水质目标，引水1m3/s和1.5m3/s时，环城河在丰水期部分时段水质无法达到Ⅳ类，水质全年达标率分别为95.5%和97.5%，其主要原因是降雨导致环城河周边大量面源污染物进入河道内，导致短时间内水质变差。当引水流量≥2m3/s时，环城河水质全年可以达标，且部分时段可以达到或接近Ⅲ类水标准。

(2)生态需水分析

实施活水工程后，环城河与花渡河和西河连通，相当于花渡河的河段，因此采用花渡河平水年流量过程(年平均流量2.8m3/s)和Tennant法(丰水季30%，枯水季20%)计算环城河生态需水量，根据计算可得环城河生态需水量约为0.65m3/s。

(3)景观需水分析

环城河景观设计水位为7.5m，根据实测水下地形、清淤深度确定环城平均水深(H)约为1.6m，河长(L)约为8200m，河道平均宽度(B)约为180m。根据相关研究，平原湖泊换水周期(n)为25d时生态系统已经可以非常稳定，环城河类似狭长型湖泊，n值取25[12]，计算得到景观需水量约为1.1m3/s。

综合水质达标需水、生态需水和景观需水的计算，环城河活水工程常年引水量确定为2m3/s。

3.3.2 应急引水规模分析

环城河水质在夏天时受温度升高、初期雨水入河、沿河排污管道溢流等因素影响，极易发生短期的水质恶化、水华现象，此时2m3/s的常年引水流量已不足以维持环城河水质，因此需对应急情况下引水规模进行分析。

图6为应急条件下引水规模分析图。由图6可知，当环城河水体为劣Ⅴ类时，引水1m3/s、1.5m3/s、2 m3/s、2.5 m3/s、3 m3/s、3.5 m3/s和4 m3/s 时，水质达到Ⅳ类水标准的时间分别为18.3d、14.6d、10.4d、8.3d、7.2d、6.4d和5.8d，二者关系如图7所示。本文建议应急条件下，采用4m3/s的引水规模。在该引水规模下，环城河水质6d内可恢复目标水质。

3.4 引水保证率

图8为丰、平、枯水年引水流量、来水流量和花渡河调蓄水量变化趋势图。当引水流量为2m3/s时，通过新花渡闸的调蓄，丰、平、枯水年可以保证引水流量达到2m3/s的时间分别为94.5%、81.4%和59.2%，其他时间引水量为基流，引水量占来水量的比例分别为58.6%、68.8%和71.7%。

3 结论

本文在对环城河、花渡河、西河典型年水文、水质资料分析的基础上，计算了环城河生态需水量和景观需水量，并采用MIKE21模型对不同引水工况下环城河水质达标情况进行了模拟，最终确定常年引水流量为2m3/s，应急引水流量为4m3/s。在引水流量为2m3/s的情况下，可保证丰、平、枯水年引水时水质均达到Ⅳ类水水质目标，应急引水为4m3/s的情况下，可保证环城河水质在6d内，从劣Ⅴ类水改善为Ⅳ类水。

当引水流量为2m3/s时，通过新花渡闸的调蓄，丰、平、枯水年可以保证引水流量达到2m3/s的时间分别为94.5%、81.4%和59.2%，其他时间引水量为基流，引水量占来水量的比例分别为58.6%、68.8%和71.7%。