闸泵堰联合调度下水质改善试验研究

潘小保，范子武，柳 杨，谢 忱，杨 帆

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210098)

1 概述

平原河网地区闸泵堰等水工调控工程众多，通过引清入城，既可以稀释河水降低污染物浓度，有效增加河道的水环境容量和水体自净能力；同时也可以借助闸泵堰等水利工程的联合调度和数学模型，精确控制每条河道的分流比实现按需配水，增大河道流速，提高河水的复氧、自净能力，加快污染物的降解，是迅速有效改善水环境质量的综合治理措施之一。

本文基于常州市运北主城区现状水系及水利工程，建立了相关闸泵堰的联合调度方案，通过现场试验的方法，试验期间对内部河网的水动力要素和水质要素开展了同步原型观测，验证闸泵堰联合调度对河网流速、水质的影响。

2 研究区域概况

常州市地处江淮交汇，属于长江三角洲上的太湖平原，地势西南高、东北低，属平原水网区，河道纵横，水系丰富，河道水力坡降较小，水流缓慢，往复流动。本文以城市发展相对成熟、水环境治理需求大、百姓期盼值高的常州市主城区为研究重点，活水范围北至新龙河和沪宁高速公路，东临丁塘港，南到京杭运河，西靠德胜河，总面积179.2km2。

常州市主城区内部水系发达、呈辐射状，以老运河、关河环抱老城区为中心，向外辐射有澡港河、北塘河、采菱港河、白荡河、南运河、横塘河等城区骨干河道。研究范围内大小河道共113条，长约285km，其中断头浜43条，长约50km。

目前主城区骨干河道水质尚可，水环境问题主要在于：城区小河道水质较差，且引水难入中小河道，直接从骨干河道流走；河网较为分割，存在多处断头浜，水系畅通性差；河道两岸截污不彻底，水质受污染；部分区域缺乏调控工程设施；河道水体浑浊、感观较差。

分析城区德胜河桥(德胜河)、常新桥(澡港河)、连江桥(老运河)、钟楼大桥(京杭运河)、阳湖大桥(京杭运河)、清样桥(北塘河)等六个断面近三年的水质情况发现德胜河桥超标率59%、常新桥超标率17%、连江桥超标率74%、钟楼大桥超标率66%、阳湖大桥超标率33%、北塘河清样桥超标率71%，城区水环境问题仍十分严峻。

3 调度方案

3.1 方案思路

常州市主城区北临长江，长江水质稳定在Ⅱ～Ⅲ类水平，可以作为城区畅流活水优质水源，德胜河和澡港河骨干河道水质较好，可以作为两条引水通道，分配进入城区中小河道。本文通过澡港河引清水进入城区后，部分供给东部中小河道，再通过北塘河、老桃花港北排，部分进入老运河后，供给南部河流，经京杭运河东排，形成的水流路径既满足活水的需要，也兼顾了区域内的防洪排涝，如图1所示。

图1 引水水流路径

但是常州市运北主城区属平原河网区，水系复杂水动力条件弱，水流入城距离较远，引江水量沿程散失较大，江边引水形成的水位差很快在河网中消散，总的进城水量仅占引水量的40%，并且引水直接从骨干河道流走，难入中小河道，城区小河道流动性无法提高，仍难以满足城区活水需求。澡港河为城区重要引水通道，引水入城后，在主城区上游分流，一股从澡港河入城，一股从澡港河东支流走，为保证入城水量，需在澡港东支建设活动溢流堰；以关河、老运河包围的老城区是常州市水环境提升的重点，以往调水中，该区域东西南北四条市河的水流流量均不大，为了保证引水能够进入该区域，需要在关河建设活动溢流堰，抬升关河水位；澡港河东支分流后，在下游有分支老澡港河，在澡港河东支(老澡港河交汇口下游)布设活动溢流堰才能保证更多的水流进入城区。因此，提出在关河新市桥、关河洋桥、澡港河东支盘龙苑、澡港河东支恐龙园四处新建活动溢流堰作为控导工程，人工营造河网水位差，形成城区自流活水格局。

通过建设四座控导工程，形成三级梯级水位差。即澡港河为第一级水位、老运河为第二级水位、京杭大运河为第三级水位，通过创造高低水片条件，实现自流活水。四座控导工程及三级水位如图2所示。

图2 溢流堰位置及三级水位

总体来说来说，通过泵引长江水，调控4座活动堰和合理控制区域内的闸门开度，从而精确控制每条河道的分流比，让更多的流量进入主城区，实现按需配水，最终达到水质提升、水生态恢复、水景观改善、感官指标提升的总目标。

3.2 具体方案

本次“畅流活水”现场调试工作在非汛期开展，外围水位3.4m左右，试验条件良好。调试试验时间为2018年11月19日8时—30日17时，主要对Ⅰ区河道进行调试，共计12天，见表1。

表1 试验进度安排

调度方案包括溢流堰调度方案、沿江口门工程闸泵调度方案以及城区内闸泵调度方案，具体为澡港水利枢纽潮+泵引入城(水位抬升期潮引+泵引40m3/s，水位稳定后泵引40m3/s，试验后期潮引+泵引20m3/s)。城市大包围闸泵工程：除北塘河枢纽、北塘河船闸、永汇河枢纽、锁桥河泵站、西水关泵站、柴支浜东西站、三井河东西站等部分闸站现场调节；其余大部分闸站为泵站关闭，闸门开启。四座溢流堰高程在试验过程中根据实际调整。试验期间确定的调度方案见表2—4。

表2 溢流堰调度方案

表3 沿江1口门工程闸泵调度方案

表4 城区内闸泵调度方案

注：I区范围内其它闸泵控制工程按照2009年市水利局印发的《常州市区河道引清调水调度方案(试行)》调度。

图3 试验期间引水沿线关键点位水位变化过程

表5 活动溢流堰建成前后调水成果对比

4 水质改善效果分析

4.1 水位

本次试验期间，引水沿线澡港河入城口(许家塘桥)、三堡街(老运河)、常州(三)等几处关键点位的水位变化过程如图3所示。从图3中可以看出，经过一段时间的引水，水位稳定后，澡港河入城口(许家塘桥)与三堡街(老运河)的水位差维持在20cm左右，形成了预期水位差，但受新闸工程未实施改造的影响，常州(三)水位与三堡街水位相近，水位差仅在5cm左右。因此仅能形成方案中的一二级水位差，即东北部城区可以实现活水效果，本次试验也主要针对东北部城区。

4.2 流量

常州市主城区“畅流活水”I区阶段性调度方案实施后，溢流堰建成前后活水流量对比情况见表5。试验第一阶段，澡港水利枢纽泵引40m3/s，城区内河道流量稳定时，柴支浜流量流速提升倍数11倍，西市河、北市河、南市河流量分别提升31倍、61倍、8倍。试验第二阶段，澡港水利枢纽泵引20m3/s，联合开闸潮引时，城区内流量相对减小，但各河道流量仍有提升，柴支浜流量流速提升倍数8倍，西市河、北市河、南市河流量和流速分别提升20倍、46倍、5倍。

2015—2018年活动溢流堰建成前后多次活水，历次活水成果流量对比情况见表5，总体而言，溢流堰建成后I区内部河道流量均有较大提升，且本次活水各河道流量，相较于往年多次活水提升明显。

4.3 水质

2018年11月29日，对所有76个监测点进行水质采样分析，受横塘浜清淤和北横塘河枢纽检修的影响，本次试验中，无法将清水引入横塘浜沿线以及周边河道、横塘河以东片区，因此该部分区域河道流动性和水质未有提升，活水前后不同水质指标类别断面占比如图4所示。

图4中除去不具备试验条件的河道断面和翠竹内河、柴支浜支浜、五奎河、常隆河几条断头浜，活水后，I区范围内水质综合指标为Ⅱ类的断面占比42%，Ⅲ类断面占比51%，Ⅳ类的断面占比7%，Ⅴ类和劣Ⅴ类断面占比0%；I区范围内95%的河道断面水质有所改善，活水改善效果显著。

图4 活水前后不同水质指标类别断面占比

5 结论

(1)采用常州市主城区一维河网水动力模型，模拟了五种方案下常州市主城区河网流速分布，提出了“利用长江优质水源、打造两条清水通道、新建四座活动溢流堰、形成三级水位差”的改善城市河网水环境的最优方案，为常州市主城区水环境治理提出了科学的依据。

(2)采用现场试验验证的方法，通过澡港河北引长江水入城，四座活动溢流堰调控，实现了城区内部(目前为东北部城区)河道均衡合理分配流量。通过引水入城、合理配水和自流活水，城区河道水质综合指标达到IV类且大部分处于III类，实现了城区水环境改善和提升。