太湖流域平原水网城市生态补水措施研究

李 卫 东，闵 勇，施 顺 成，唐 仁，钟 栗，尹 洋 洋

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128； 2.苏州规划设计研究院股份有限公司，江苏 苏州 215128； 3.博雅达勘测规划设计集团有限公司，江苏 苏州 215128)

0 引 言

太湖流域地处长江下游，经济发达、人口密集、城市集中，流域内湖荡密布、河港纵横，地势低洼、平坦，河道比降小，水流往复不定[1]。流域独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水利条件，同时也决定了流域防洪、水资源、水环境等问题的复杂性、艰巨性。21世纪初，随着经济社会快速发展，受污染物过度排放、城市建设开发侵占水域以及人类活动等影响，流域内生态环境遭到严重破坏。经过近年来产业结构调整和严格污染管控治理，流域内节水减排工作成效明显，河湖水质状况有明显好转趋势，重点水功能区水质达标率从2005年仅有的19.2%提升至2020年的80%[2]，入河湖污染逐步削减，但庞大的经济总量和人口密度使得污染物排放量仍然超出区域水环境承载力，流域水环境问题依然不容乐观。

生态补水作为太湖流域平原水网城市促进水体有序流动、增强自净能力、改善河网水质、抑制蓝藻、修复生态的有效举措，在国内外已得到广泛应用并取得显著成效。20世纪60年代，日本、美国等发达国家学者已就河道水动力提升能否改善河网水质等一系列问题开展了室内试验、原型观测和数值模拟等多方面的研究，并形成了不少成功案例[3]。21世纪以来，为提升城市水环境面貌，平原水网城市中心城区特别是太湖流域大力开展了生态补水方案及措施研究，通过新建补水泵站、增设活动堰等一系列工程措施，配合科学化、精准化和精细化调度，适时补入周边地区优质水源，增大城区河网流速，提升河道水环境容量和水体自净能力。

太湖流域平原水网城市中心城区水环境提升作为一项综合性的系统工程，受防洪能力提升、水资源配置优化、水生态环境保护修复等多方因素牵制，相互影响，互相制约。本文以苏州市古城区为研究对象，在“自流活水”工程运行投入的基础上，立足城区活水存在的主要问题和水质提升进入“扩面、提效”的现实需求，建立了城区生态补水数学模型并开展城区汛期水源补给研究，以提高区域水体流动性和改善河网水质为目标，提出中心城区生态补水方案，进一步提升城区活水保障，并为太湖流域其他类似平原水网城市开展生态补水提供理论依据和参考借鉴。

1 研究区概况

苏州中心城区主要指苏州城区大包围区域，为城市核心区域，主要以姑苏区为主，以及周边由于水系沟通、堤防分割纳入同一防洪区的吴中区运北地区、工业园区西部局部区域，总面积87.8 km2。该区域地势平缓，河道纵横有序，水系呈发散性网状分布，水系保护完整，是典型的江南水乡。中部为环绕古城的环城河，环城河内水系较为发达。以环城河为中心，分别有西塘河、元和塘、外塘河等11条骨干河道向外辐射分布，连接大运河及区域河网。

为加快提升古城区河道水质，2012年苏州市水利局开展《苏州古城区河网“自流活水”方案研究》[4]，提出通过“因势利导、江湖共济、双源补水、三点配水、活水自流、惠及周边”等措施，人工实现平原河网水头差，营造古城南北相对水势，实现古城“自流活水”[11]。“自流活水”是古城区河道水质提升的重要环节。现有“自流活水”为双水源供水格局，一路为西塘河引望虞河来水，由裴家圩枢纽引望虞河水，经西塘河两岸封闭补水在钱万里桥进入环城河；另一路为外塘河引阳澄湖来水，利用外塘河枢纽，经外塘河在塘坊湾桥处送入环城河[5]，城区活水工程及河道水流流向分布见图1。

根据2015～2019年5 a水质监测资料分析，自2012年苏州水质提升行动实施以来，特别是2013年重点工程“自流活水”投运并持续常态运行，城区河道水质提升明显并相对保持稳定，河道水质由原来的Ⅴ类、劣Ⅴ类普遍提升至Ⅳ类，部分指标为Ⅲ类。“活水期间”，姑苏区内南北形成稳定水势，结合外围控制枢纽的联合调度形成“望虞河、阳澄湖”双源补水格局，城区河道总体形成由北向南、由东向西流向，全城活水局面初步形成。但经过这几年的实践运行，城区“自流活水”格局也面临诸如现有活水体系难以保证整个城区活水需求、古城区河道东西向流动性不足、汛期受运河联合调度限制入城供水量不足和双源供水水质不能稳定达标等问题。为系统解决上述问题，恢复周边区域水体流通及活水的迫切需求，亟需开展古城区生态补水方案研究，通过生态调控等措施，恢复城区河道原有生境。

2 生态补水模型构建

2.1 模型简介和原理

为提高模型的可信度和计算的准确度，本次模型构建选用丹麦DHI公司开发的MIKE模型。MIKE模型是目前水利工程领域中应用较为广泛且已经过大量实验证明，并得到诸多水利工程师好评，是适用于太湖流域平原河网地区一维非恒定流稳定计算的标准工具。该模型由降雨径流(RR)、水动力(HD)、非黏性泥沙输运模块(ST)、对流扩散(AD)、水质(EcoLab)以及洪水预报等诸多模块组成，以水动力模块为核心，本次研究拟采用水动力模块和对流扩散模块耦合模型进行生态补水方案计算。

2.1.1水动力模块(HD)

MIKE11水动力模块的构建主要包括河网文件(.nwk11)、断面数据(.xns11)、边界条件(.bnd11)、模型参数文件(.hd11)4部分，再由这几部分共同生成模拟文件(.sim)。水动力学模块参数包括：河道长度、断面尺寸、断面形状、河道糙率、水面率、水工建筑物规模和调度方式等。HD模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态[6]。

质量守恒(连续性)方程：

(1)

动量守恒(动量)方程：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；q为侧向入流，m3/s；A为过水面积，m2；h为水位，m；R为水力半径，m；C为谢才系数；α为动量修正系数。

2.1.2对流模块(AD)

MIKE11水质模块是模拟河网水体中的可溶性物质和悬浮物物质对流扩散的工具，具体包括水质组成(component)、初始条件(Int.Cond.)、衰减系数(Decay)、扩散系数(Dispersion)以及附加输出结果(Add.output)5部分。该模块根据HD产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算，并设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物质，模拟物质在水体中的对流和扩散过程。[7，9-10]污染物对流扩散方程为

河道方程：

(3)

河道叉点方程：

(4)

式中：Q，Z是流量及水位；A是河道面积；Ex是纵向分散系数；C是水流输送的物质浓度；Ω是河道叉点-节点的水面面积；j是节点编号；I是与节点j相连接的河道编号；Sc是与输送物质浓度有关的衰减项。

2.2 水动力水质模型建立

2.2.1河网与水工建筑物概化

基于对研究区域内河网及水利工程现状的调研，本次模型概化范围为苏州城区“自流活水”区域，面积为74 km2，涉及水工建筑物主要包括中心城区城市大包围防洪工程及其他闸站枢纽。累计概化河道329条、断面2 987个、可控建筑物139处，河道长度共计156 km，其中断面数据采用实测数据，测量断面间距在30～100 m，基本反映了河道现状实际情况。水利工程规模按照实际调研资料设置，调度原则以实际调度规程为依据。概化后的河网中最大计算节点间距为200 m，共有726个水位计算点，388个流量计算点。模型概化结果见图2。

图2 苏州市中心城区河网与水工建筑物概化示意Fig.2 The generalized diagram of the river network and hydraulic buildings in the downtown area of Suzhou

2.2.2模型计算条件

(1) 污染源条件。本次计算点源涉及污水厂排污口，非点源涉及城镇生活污染源，其中点源根据排污口的位置直接加入到概化的河网中，非点源根据流入的河道分布概化到一定长度的河道中，计算按完全混合模型进行计算。根据规划范围内现状水质分析，河网水质现状基本处于Ⅲ～Ⅳ类，通过在概化河网中投加适量NH3-N污染，使得现状工况、常水位条件下规划范围内部河道水质稳定在Ⅲ～Ⅳ类水平，并使用同断面的全年平均实测氨氮浓度进行验证，确保与现状水质基本一致。

(2) 边界条件。模型中共设置38处边界，研究区内部分断头浜作为闭边界处理。水动力开边界条件根据苏州(二)站水文分析成果，取工程区域地区近64 a多年平均水位2.9 m；水质开边界条件取用2015～2019年5 a全年平均水质监测实际数据。

(3) 初始条件。根据苏州大包围内河道的2015～2019年多年平均实测氨氮浓度设置污染源，并以该现状水质情况作为水质初始条件。没有实际监测资料的河道，以现状工况下添加污染源计算稳定时的结果作为水质初始条件。

2.3 参数设置及模型率定验证

2.3.1参数设置

影响本次模型准确性的主要参数包括河道糙率和水质降解系数。其中河道糙率参照《水力计算手册(第二版)》要求，取0.025～0.035；水质降解系数依据国内外专家学者对太湖流域平原河网区各类水体的NH3-N和TP衰减规律研究成果，分别取0.06 d-1和0.07 d-1[8]。

2.3.2模型验证

通过模拟古城区“自流活水”现状条件下工程调度措施，分析北护城河入城流量、堰上堰下水头差以及古城区内部河道水质变化，并与实测数据进行对比，以验证模型能否正常运行，参数设置是否合理，模型模拟是否符合实际。经模型计算，西塘河与外塘河同时补水20 m3/s，通过启用阊门堰与娄门堰，经北护城河入城流量大概为10～15 m3/s，且堰上堰下水头差为0.045 m，符合现状“自流活水”效果。同时以苏州大包围2019年实测氨氮浓度设置污染源，并以该现状水质情况作为水质初始条件。没有实测资料的河道，以现状工况下添加污染源计算稳定时的结果作为水质初始条件。经模拟分析，古城区19处水质监测断面模拟误差在15%以内，水质模型模拟结果基本反映了古城区河道水质，表明参数取值是基本合理的。

3 生态补水方案研究

3.1 补水水源及线路选取

根据苏州市区水系“四湖供清水”(太湖、漕湖(望虞河)、阳澄湖和澄湖)空间布局，遵循周边水源条件和就近取水原则，在现状“自流活水”体系下，城区水系现有以北部望虞河、阳澄湖双源供水基础上，考虑新增太湖水作为补充水源，实现南北互补，满足灵活引排需求。根据现状城区与大太湖和东太湖之间的区域水系分布，初拟两条引太湖水入城线路：“大太湖补水方案”和“东太湖补水方案”，如图3(a)所示。

(1) 线路一。“大太湖-城外段胥江-穿运河送入城区段胥江入城” 充分利用太湖与城区之间历史水道，利用古人治水智慧，顺应自然为古城区送水。但随着历史变迁、城市发展、水系演变等，胥江城外段(运河以西段)入城条件已发生变化；同时大太湖蓝藻密度偏高，且沿途穿木渎、胥口等镇区，人口较为密集，污水排放量大，入城水质难以保证。

(2) 线路二。“东太湖-小石河-石湖-越城河穿运河-胥江入城”充分利用现有引水通道引东太湖水入城。东太湖水是太湖湖体水质最好的湖区，常年Ⅱ～Ⅲ类水，引水水质较好；且汛期东太湖蓝藻明显少于大太湖，可满足汛期城区活水需求；同时送水距离短，工程内容少、相对经济。

经从补水水源水质、补水距离、补水通道水量水质保障度、对周边地区的影响等方面综合分析(见表1)，拟定线路二作为本次生态补水线路，即“东太湖补水方案”：就近取用东太湖优质水源，利用现有石湖引清通道往北过运河，将东太湖清水送入城区段胥江(运东)，利用胥江西水东送顺势入城，形成东太湖-小石河-石湖-越城河穿运河-胥江-城区河网的补水线路。

根据补水线路沿线河道分布，运河以南段利用现有的小石河-石湖-越城河，往北过运河后与城区段胥江之间无现成可利用河道，为保证入城水量和水质，规划入城送水通道全程采用地下输水隧洞，详见图3(b)。

图3 苏州市中心城区生态补水线路及入城通道方案Fig.3 The ecological water replenishment line and the channel into dawntown of Suzhou

表1 生态补水线路方案比选

3.2 补水措施及方案

根据苏州市古城区内部河道活水需求，结合城市大包围和自流活水现有工程，考虑到平原河网地势平坦，东太湖水不具备自流入城水文条件。为保证清水入城具备一定的水势，又不影响石湖控制水位，拟在越城河上新建补水泵站，依靠动力补水入城。同时，为进一步提升古城区不同方向河道水质改善度，保障西护城河入古城水量，优化古城活水效果，规划在环城河盘门内城河口东侧新建生态堰坝——蟠龙堰，联合现有的阊门堰、娄门堰，灵活调控入城水量。基于上述工程措施，拟定3种生态补水方案(见表2)，其中：“三源补水方案”在古城区原有北引南排的格局下，利用胥江补水作为西南城区新增补充水源，通过增加南部排水动力，实现增补水量与增排水量平衡，全面改善城区活水条件；“两源补水方案”通过启用西塘河、胥江补水，形成西引东排活水格局，依托增设蟠龙堰控导工程，拦蓄清水，抬高西环城河河道水位，提升西环城河清水入古城水量；“一源补水方案”依靠新增胥江补水水源，在汛期城区河网水位偏高情况下，顺应区域北排水势，形成西水东送、南水北送格局，同时通过调节蟠龙堰、阊门堰控制入古城区水量，持续满足古城东西向河道活水需求。各方案生态补水情况详见图4。

表2 生态补水计算方案Tab.2 Ecological water replenishment calculation plan

图4 不同生态补水方案示意Fig.4 Diagram of different ecological water replenishment schemes

根据生态补水期间实现城区河道流速总体达到5～15 cm/s的活水目标要求，经城区河网数模分析计算，结合参照城区现有补水入城规模以及苏州周边城区引清活水经验，城区适宜补水规模48～55 m3/s。城区“自流活水”现状为西塘河、阳澄湖双源供水，除太湖行洪期间望虞河蓝藻密度偏高暂停西塘河供水外，全年补水以西塘河供水为主，现状城区活水日常入城流量约30 m3/s，补充水量规模需求约18～25 m3/s。综合考虑城区全面活水和扩展片区的集中换水需求及活水期间的适宜流速要求，以及兼顾现有补水通道区域活水需求适当减轻西塘河入城供水任务，综合确定胥江生态补水规模为20 m3/s。

3.3 模拟结果分析

胥江生态补水工程实施后，根据送水目标区、水源水质等不同条件和需求，可启用1个或多个水源，灵活调度包围圈控制闸站和活动堰，营造南北向或东西向适宜水头差，满足不同片区、不同方向活水需求。根据生态补水模型计算结果显示，3种不同补水方案均不同程度上改变了中心城区不同片区河道水动力条件，且重点河道监测断面水质均得到大幅改善，但由于各个补水方案启用的补水水源、补水措施不同，改善程度有所差异。

3.3.1三源补水实施效果

与现状工况相比，三源补水方案考虑新增胥江补水工程与古城区“自流活水”工程同时运行，通过新增补水水量，配合城市大包围主要节点工程，满足不同片区活水需求。其中，上塘山塘片和古城区片活水效果与现状基本相同；城南片区河道流速增大，从现状“自流活水”体系下的0～9 cm/s，总体提升至7～19 cm/s(见图5)，水体流动性得到显著提升；城西区部分区域需通过胥江沿线口门放水和东风新、活络浜、徐家郎泵站等泵站及内部节制闸调节，活水受益辐射至里双河以南及北部小部分区域；西南部城区近运河段河道活水条件主要受动力大小影响，部分河道流速改善不明显。城西片和城南片区河道流速增大的同时，水质得到有效改善，部分河道由原先的Ⅳ、Ⅴ类水体改善至Ⅲ类，5个片区监测断面水质全部提升至Ⅲ类及Ⅲ类以上(见表3)。

图5 三源补水方案下研究区不同片区河道流速变化Fig.5 River flow velocity changes in different regions of the study area under the three-source water supplement scheme

表3 三源补水方案下研究区河道水质(氨氮)达标率情况

3.3.2两源补水实施效果

两源补水方案实施后，通过启用西塘河、石湖引水，形成西引东排的活水格局，重点提升城区东西向河道换水效果，改善城区部分东西向河道水流滞缓的问题。其中：古城区在既有自流活水体系已改善南北向河道流速情况下，东西向河道流速也明显提升，总体提升至5～18 cm/s；城北区通过沿元和塘及沿线泵站，抽引西塘河来水，流速提升至7 cm/s左右(见图6)。由于古城片区东南角纵横河道较多，活水目标负担较重，需相应启用东侧南园泵站进一步增加羊王庙河等水动力。水质方面，古城区16个监测断面水质改善效果显著，Ⅲ类及Ⅲ类以上占比达93.8%(见表4)。

图6 两源补水方案下古城区区河道流速变化Fig.6 River flow velocity changes in different regions of the study area under the two-source water supplement scheme

表4 两源补水方案下研究区河道水质(氨氮)达标率情况

3.3.3一源补水实施效果

一源补水方案主要顺应汛期区域北排水势，通过胥江补水入城，实现汛期活水需求。同时，若城南区有独立活水需求时，利用胥江补水入城，联合胥江北岸和入古城区河道控制，适当抬高城南区水位，可改善城南片部分低水区河道水生态环境。一源供水期间总体入城量较小，活水效果有限，但作为北部来水水质不能满足入城需求时的补充调度，以及顺应汛期北排水势，通过闸站和活动堰的控制实施分片、分时供水，基本能满足分片区域的缓流活水要求，基本实现城区汛期持续活水目标，古城区和城南片区河道水质总体提升至Ⅲ类及Ⅲ类以上(见表5)。“一源补水”方案分时分片供水河道流速变化见图7。

表5 一源补水方案下研究区河道水质(氨氮)达标率情况Tab.5 The standard attaiment rate of river water quality (ammonia nitrogen)in the study area under the one-source water supplement scheme

图7 一源补水方案下研究区河道流速变化Fig.7 River flow velocity changes in different regions of the study area under the one-source water supplement scheme

3.3.4不同补水方案实施效果对比分析

根据模型计算分析，上述3种补水方案实施后，对比现状工况各指标均有一定程度的提升，河道流速普遍达到10 cm/s以上，古城区重点河道监测断面氨氮指标从Ⅳ类、Ⅴ类提升至Ⅲ类以上水平(见图8)。总体来看，本文提出的生态补水措施方案均达到了理想的水环境改善效果，但由于各个补水方案采用的补水渠道和补水措施不同，各片区内河道整体水动力条件及重点河道水质改善效果仍有所差异。其中：① 三源补水方案由于额外增加了胥江补水水源，相应增加城市大包围主要节点工程外排，不同片区活水需求均一定程度得到满足，活水效益辐射整个研究范围，尤其城南片区河道活水条件改善最为显著，同时该方案下换水周期和运行费用较其他预设补水方案均最优，但古城片区东西向河道流速效果有限。② 两源补水方案则在三源补水方案下，新增蟠龙堰生态堰坝，拦蓄胥江清水，提升西环城河清水入古城水量，在既有自流活水体系已改善南北向河道流速情况下，进一步提升古城区东西向河道流速。③ 一源补水方案在两源补水方案的基础上，通过控制胥江沿线口门并调节蟠龙堰和阊门堰开度，控制西环城河入古城区水量，顺应区域汛期北排水势，形成西水东送、南水北送格局，但由于整体生态补水水量较少，除古城区东西向河道外其余活水效果有限，但可作为北部来水水质不能满足入城需求时的补充调度。

图8 不同方案古城区重点河道断面水质(氨氮) 改善效果变化Fig.8 Water quality(ammonia nitrogen)improvement of key river sections in the ancient city area under different schemes

4 结 论

(1) 本文基于MIKE模型构建的苏州城区生态补水模型，可准确模拟不同生态补水方案城区河道水质改善效果，为平原水网地区中心城区水环境治理和生态系统保护提供技术支撑。

(2) 通过对苏州古城区3种不同生态补水方案进行分析模拟，可以得出：通过新增补水水源、增设生态堰坝、提升补水水量等综合措施，可优化中心城区多源补水格局，完善补水体系，提升活水保证率，古城区重点河道断面水质均得到有效改善，且大部分提升至Ⅲ类及以上水平，为改善城区河道水动力、提升水体修复自净能力以及水环境改善和提升创造了有利条件。

(3) 太湖流域平原水网中心城区水网交错，如苏锡常等城市中心城区均位于苏南运河沿线，生态补水方案研究需综合考虑汛期大运河高水位外排不畅、退水通道选取等问题，因地制宜，综合施策。