潮汐式调度对北运河北关分洪枢纽下游水质影响研究

田 炜，沙洪利，沈晓强，邵 靖，杜 峻，林瑞峰

(北京市北运河管理处，北京 101100)

北运河位于北京城市副中心通州，北运河北关闸位于温榆河、小中河、运潮减河、通惠河、北运河五河交汇之处，地理位置优越，为了更好地发挥首都城市副中心“蓝绿交织、清新明亮、水城共融”的生态作用，科学有效地提升河流水质是“营造宜人环境，引领绿色生活”的必经之路[1-2]。但从目前的相关研究来看，对于城市副中心的水生态环境建设主要包括提升河流水质、灌溉绿地、构建人文景观及水生态环境等方面，且均停留在理论层面，实践调度方面研究较少，尤其在如何有效改善河流水质，提高水环境功能方面尚有欠缺。基于此，本研究可在相关调度实践的基础上，分析潮汐式调度对北运河北关分洪枢纽下游水质的影响，并针对现有情况总结问题、提出对策，为北京城市副中心生态城市的规划及北运河流域水景观功能区建设提供参考[3-5]。

1 研究区域

北运河，是京杭大运河的北段，其上游温榆河至北京市通州区北关与通惠河汇流，流域面积6166km2，流域长160km，平均宽度38km。本研究所涉及的北运河北关闸为京杭大运河的北起点，是北运河的重要控制性工程，关系到下游北京、河北、天津三省市的防洪安全[6]。北关闸目前有新拦河闸、新分洪闸两座闸站，主要依靠两座闸站的启闭进行日常的流量及水位调控工作。地理位置如图1所示。

图1 地理位置图

北关新拦河闸，位于北运河干流通惠河口下游，闸室布置采用闸桥合一，闸室总净宽为84.0m，共7孔，每孔净宽12.0m，水闸顺水流向总长153.3m，在拦河闸右侧设有船闸，净宽8m，顺水流向总长80.9m。正常蓄水位为18.5～19m。北关新分洪闸，位于运潮减河上，闸室总净宽为90.0m，共分9孔，单孔净宽10.0m，闸室总宽度105.8m，分洪闸顺水流向总长172.8m，正常蓄水位为18.5～19m。

北关分洪枢纽工程的运行，实现了温榆河、北运河、小中河、通惠河和运潮减河的五河连通，将通惠河雨洪拦截在北关枢纽以上，同时可将城区的雨洪通过运潮减河分洪，减小了下游北运河的行洪压力。

综上所述，北运河北关闸地理位置优越，合理调度北运河水资源，改善河流水环境，促进流域健康可持续发展，为北京城市副中心生态城市的规划及北运河流域水景观功能区建设提供参考，具有重要的研究意义和现实意义。

2 情景设计

基于以上内容，北运河管理处特以北关闸为试点，开展潮汐式调度，探索该种调度方式对河流水质的影响，即通过闸门关闭，使闸门上游水位上涨，一段时间后，开启闸门，水流加速通过，增大河流过闸流量，增强下游水体稀释扩散能力，提升水体溶解氧含量，从而改善水体水质[7-9]。另一方面，一段时间的闸门关闭可使闸门上游水量积蓄，闸门开启后，水流加速通过，增加下游水量，可对下游水体起到置换的作用[10-13]。

2.1 调度方案

通过分析新拦河闸、新分洪闸两座闸站的特性，同时考虑防洪、拦沙等因素，设计北运河北关闸潮汐式调度原则为：闸门于前一日17：00左右全部关闭，通过14～15h的水量聚集，使闸门上游水位上升；于次日8：00左右全部开启，使闸门过流量达到最大，其中新拦河闸平均流量可达125.72m3/s，平均过流水量可达1.06×106m3，新分洪闸平均流量可达141.68m3/s，平均过流水量可达1.40×106m3；以此方式运行2h后，减少闸门孔数及闸门开度，并持续7h，此时新拦河闸平均流量可达12.66m3/s，平均过流水量可达2.90×105m3，新分洪闸平均流量可达7.25m3/s，平均过流水量可达1.70×105m3；最后，关闭全部闸门至次日8：00，完成当日调度方案，准备下一日的水量积蓄。潮汐式调度方案见表1。

表1 潮汐式调度方案

实际运行时，需要在以上潮汐式调度原则的基础上，结合新拦河闸及新分洪闸实时观测状态下的上、下游水位，利用“北运河管理处北关闸流量计算系统”，计算当前水位下的过闸流量，形成以时间-开启方式-流量-水位4种参量组成的调度方案。

2.2 水质情况

就水生态而言，北运河通州段河流流量大，流速快，水动力学条件好，且达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》(以下称《标准》)规定的Ⅳ类水环境标准，无水体富营养化及水华事件发生，水生态环境质量良好，为了提高北运河水质指标等级，改善河流水环境，提升运河景观性，增加运河功能性，北运河北关闸于10月中旬—11月中旬开展了潮汐式调度试验，通过改变新拦河闸及新分洪闸的闸门开启孔数及开度，并结合新拦河闸下游及新分洪闸下游两处监测断面监测数据，分析潮汐式调度对河流水质的影响，具体监测数据见表2。

表2 2020年1—11月水质监测数据 单位：mg/L

通过对北运河北关新拦河闸下游水质数据分析可得，2020年初至汛期以前，北运河北关新拦河闸下游水质整体良好，化学需氧量(COD)、总磷、氨氮(NH3-N)均可达到《标准》规定的地表水环境Ⅳ类标准。6月进入汛期后，由于雨水增多，河流水量增加，从而导致水体流速加快，为水体内污染物的稀释扩散提供了良好的水文条件，水质情况较汛期前有明显的改善，偶尔可达到《标准》规定的地表水环境Ⅲ类标准；10月汛期过后，北运河北关闸开展了潮汐式调度，北运河水质情况较汛期前未开展潮汐式调度时水质有了明显的改善，具体表现为化学需氧量(COD)达到《标准》规定的Ⅲ类标准浓度值20mg/L，总磷达到《标准》规定的Ⅱ类标准浓度值0.1mg/L，氨氮(NH3-N)达到《标准》规定的Ⅰ类标准浓度值0.15mg/L；11月，潮汐式调度频率下降，由之前的3次/d，变为1～2次/d，且调度间隔周期变长，从而使北运河北关闸下游化学需氧量(COD)、总磷、氨氮(NH3-N)指标浓度值有小幅度升高趋势，但均符合《标准》规定的Ⅲ类标准。新拦河闸水质指标变化见图2。

图2 新拦河闸水质指标变化图

通过对北运河北关新分洪闸下游水质数据分析可得，2020年汛期以前，新分洪闸下游水质整体良好，化学需氧量(COD)、总磷、氨氮(NH3-N)均可达到《标准》规定的地表水环境Ⅳ类标准；6月进入汛期后，新分洪闸下游水质出现了水质指标升高现象，可能是由于汛期雨水增多，河流流量加大，流速加快，底泥冲刷作用增强，使得底泥中的污染物质重新翻入水体，从而使再悬浮作用超过了沉降与稀释作用，成为了主导作用，降低了河流水质等级。10月开展潮汐式调度后，北运河新分洪闸下游水质得到了较好的改善，具体表现为化学需氧量(COD)、总磷、氨氮(NH3-N)均达到《标准》规定的Ⅲ类标准浓度值。新分洪闸水质指标变化如图3所示。

图3 新分洪闸水质指标变化图

由此可知，北运河北关分洪枢纽潮汐式调度的运行，加大了水体中的物质基于水流的紊动作用产生的交换能力，在一定程度上增强了水体的稀释、扩散等自净过程，同时改变了河流的水文、水利条件，加快了污染物的扩散作用，环境容量也相对增加，实现了污染物浓度的降低，提高了地表水环境质量标准(部分达到Ⅰ类标准)，有效地改善了河流水体水环境。

3 问题及对策

此外，由2020年1—11月北运河北关闸水质监测数据分析可知，通过潮汐式调度的运行，北运河水质情况具有明显的变化规律，但仍有部分数据与整体时段数据规律不符，为后期的数据分析及潮汐式调度可行性研究带来一定的难度。据此，对于以上现象的产生，可能有以下几点原因：

(1)水质监测周期过长。目前对于北运河新拦河闸下游及新分洪闸下游水质的监测周期为1次/月，潮汐式调度属于日调度(3次/d)，监测周期过长造成数据数量过少，不利于后期数据的处理，不能很好地反映河流流量、水位、及其在日变化的状态下对水质的影响，同时也不能排除偶然因素产生的数据误差，如监测当天发生了水污染事件等，会对日后的数据分析带来一定的难度[14]。

(2)潮汐式调度方案没有实现规律性。通过对当前潮汐式调度方案分析可得，在受雨情影响较小的非汛期，潮汐式调度方案并不是固定化的，且无特定规律，时而短暂停止、时而长期不变，在监测频率过低(1次/月)的前提下，该种形式会对下游监测数据产生一定的影响，造成监测误差[15-16]。

(3)监测断面过少。通过资料分析与实地调查可知，北运河北关闸位于五河交汇之处，河流水动力条件复杂，且潮汐式调度是依靠于新拦河闸、新分洪闸两座闸站组合式运行形成的调度方案，当前的水质监测数据仅来自于新拦河闸下游及新分洪闸下游两处监测断面，水质指标单一且无对照，并不能排除该断面的监测数据是否存在误差或偶然因素，为后期的数据分析与处理带来一定的难度。

基于以上问题，结合北运河北关闸相关特性，提出以下几种对策：

(1)监测频率有待进一步增加。加大水质指标监测频率，可更准确地反映北运河北关闸处河流在潮汐式调度方案下的水质变化情况，同时可与相同调度方案下不同监测时间的水质情况形成纵向对比，或与不同调度方案下相同监测时间的水质情况形成横向对比，增加对照组，可有效地排除操作误差及偶然因素对水质监测数据造成的影响。

(2)调度连续性有待进一步加强。通过设计一定时间内有规律、有变化量的调度方案，结合相应时间段内不同监测断面的河流水质监测情况，可有效地分析北运河北关闸河流水体在潮汐式调度下河流水质的变化情况，从而形成最佳调度方案，为日后研究潮汐式调度改善河流水质或水环境提供基础支撑。

(3)监测断面有待增加。通过增设水质监测断面，形成相同调度方案下不同监测断面的水质指标横向对比，及时剔除误差数据，有效地分析水质监测数据与潮汐式调度方案间的响应关系，从而提高潮汐式调度改善河流水质的科学性与研究性。

4 结语

研究通过分析潮汐式调度前、中、后的水质数据及其变化情况，探明了潮汐式调度对北运河北关闸区域河流水质的影响，即潮汐式调度可有效改善河流水质，提升水环境质量；总结出了当前调度运行过程中出现的问题并提出相应的对策，为后期的数据分析及潮汐式调度可行性研究提供了决策指导，同时为北京城市副中心生态城市建设及北运河流域水景观功能区建设提供参考。此外，虽然本研究在研究潮汐式调度对河流水质影响方面做了一些工作，但依然存在着不足，如通过水闸的调蓄作用，水闸上游蓄水量增加，但容易蓄积污水，并形成浓度较高的污染团，随着闸门的开启使得污染团下泄，在水闸下游河道会形成污染带，严重污染下游水体。今后可将该因素考虑在内，更加准确地研究水闸调度对河流水质的影响。