1. 研究背景
城区水环境治理是一项复杂、综合的系统性工程，措施体系涵盖控源截污、生态修复、水系连通、智慧管控等方面。控源截污、减少入河污染物是开展水环境治理的前提，在当前控源截污难以快速显效的情况下，开展河湖水系连通，从而改善水动力条件，提高水环境容量，是改善河湖水环境的有力措施之一。高强等 [1] 分析了感潮河湖水系连通对水环境的改善效果。崔广柏等 [2] 以引水实验与水量水质模型作为研究手段，分析了平原河网区水系连通对水环境的改善效果。杨卫等 [3] 采用数学模型评估了水系连通方案下湖泊群改善效果。黄慧群等 [4] 建立了水动力–水质耦合数学模型，揭示了水动力与水环境的变化响应关系。潘剑光等 [5] 提出以提升河流水动力条件和入河污染负荷削减为基础的水环境治理思路，实现水系水质的整体提升。现有研究重点关注水系连通效果分析，忽视了水系连通方案的制定。
江阴市水系发达，水网密布，水域面积占市域面积的17.8%，是典型的江南水乡。改革开放以来，在城市建设快速扩张过程中，污染排放总量过大，加之受长江潮位顶托影响，水体流动性差，自净能力弱，水质普遍较差，水质型缺水成为江阴可持续发展的软肋，亟需开展水环境治理工作。为改善河道水环境，江阴市政府在加大控源截污治理力度的同时，因地制宜开展了河道整治并加强水系连通。鉴于现有水系连通性较差、水系连通工程对水质改善效果不明显，本研究基于“外引长江、内活水系”的基本思路，制定了系统的水系连通方案，促进江阴市主城区畅流活水，从而改善河道水环境，恢复河道水生态。
2. 水系连通现状及存在问题
2.1. 水系现状及问题
江阴市主城区位于澄江街道，北至长江，西至老夏港河，东到白屈港，南与南闸街道、云亭街道等接壤，面积76.95 km2。城区河网密布，有锡澄运河、白屈港等53条河道以及望江公园景观湖、黄山湖等8个湖泊(图1)，现状骨干河道呈“三横三纵”格局，“三横”为西横河、东横河和应天河，“三纵”为老夏港河、锡澄运河和白屈港。现有“三横三纵”河道将主城区分为5个排水片区，南北向河道为排涝河道，东西向河道起沟通水系的功能。根据调查，现有河湖水系割裂严重，目前存在28条断头浜和2条死浜，水系连通性整体较差，水系连通性情况详见表1。
Figure 1. Water system in main urban area of Jiangyin City
图1. 江阴市主城区水系现状图
Table 1. River interconnection of 53 rivers in main urban area of Jiangyin City
表1. 江阴市主城区53条主要河道连通现状
2.2. 水系连通工程现状及问题
江阴市于2001年启动建设黄山港调水工程 [6]，该调水工程利用黄山港闸站从长江引水(8 m3/s)，入黄山港河道北段，并通过东横河水立交工程，或直接进入东横河，或从河底箱涵穿越东横河到达黄山港河道南段，而后流入澄塞河、东转河、运粮河、应天河等河道，从而改善河道水质。2006年实施完成了白屈港调水工程(80 m3/s)，该工程基于以动治静、以丰补枯理念，利用已建白屈港引排条件，通过白屈港泵站调引长江水，促进澄东地区河网畅流活水。考虑到现有白屈港泵站调水规模不足，而锡澄运河扩大北排工程建设期较长，2019年实施了大河港泵站工程(30 m3/s)，利用大河港泵站对白屈港补水，进而及早提高白屈港引水流量。当前，江阴市正在实施锡澄运河扩大北排工程，拓浚老锡澄运河并在长江边老锡澄运河口新建定波枢纽，其中包括双向泵站锡澄运河泵站，设计流量为120 m3/s (双向泵站，3用1备)。锡澄运河泵站的规划建设为进一步提升锡澄片引江能力创造了条件，建成后将成为江阴市主要补水通道。江阴市水系连通工程实施情况见表2。
除黄山港调水工程外，现有活水工程主要是补给无锡市区及澄东地区，水体不进入江阴市主城区，对江阴市主城区河道无改善作用。而黄山港调水工程由于引水量较小(8 m3/s)，仅对主城区西侧有有限的改善效果。
Table 2. The implementation of water system interconnection project
表2. 水系连通工程实施情况表
3. 水系连通方案研究
3.1. 研究原则
1) 统筹兼顾，服务大局
统筹流域、区域、城区各层面的水安全与水环境，兼顾全面和重点、当前和长远，科学谋划江阴市主城区水系连通方案。牢固树立服务经济社会发展大局意识，在确保防洪排涝安全的前提下，统筹引水与排水，促进江阴市水利与流域和区域协调发展。
2) 协调共享，适度新建
在工程总体目标实现前提下，本着“协调共享”的理念，利用已建的水系连通工程，充分发挥已建工程的综合效益，从节约投资角度适度新建必要的水系连通工程。
3) 建管并重，规范管理
工程建设与规范管理并重，工程措施和非工程措施并举。统筹已建和新建的水利工程，科学调配，统一调度，确保发挥工程最佳效益。
3.2. 研究目标
在充分识别城区水系连通问题基础上，围绕水系连通目标要求，加强生态环境补水，推进水系连通畅流活水，从而有效改善河道水环境，恢复河道水生态。到2025年，主城区骨干河网平均流速 ≥ 5 cm/s的河道占比不小于80%。
3.3. 研究思路
本次研究遵循“问题分析–目标确定–方案制定–效果分析”的总体研究思路，即在深入调研江阴市主城区水系连通现状，收集区域自然地理、水文气象、河湖水系、社会经济等基本资料基础上，识别江阴市主城区水系连通方面存在的问题。结合《江阴市主城区防洪除涝规划(2017)》、《无锡市锡澄片骨干河网畅流活水规划(2018年)》等相关文件要求，合理确定水系连通目标。依托流域、区域水文水力资料，宏观确定引排格局，基于“外引长江、内活水系”的基本思路，制定水系连通方案。综合考虑水系布局的调整、水系结构的完整性、水体流向的合理性，构建水动力模型，利用率定验证后的水动力模型分析水动力改善效果及水系连通目标可达性。
3.4. 方案制定
本研究以长江为主水源地，基于“外引长江、内活水系”的基本思路，制定了水系连通方案。“外引长江”是在保留原有黄山港引水方案基础上(8 m3/s)，新增3条活水方案，利用新建望江公园北闸站-泵站、龙泾河引水泵站以及红星河引水泵站直接或间接从长江引水，从而增加河网水环境容量；“内活水系”则在城区“三横三纵”水系格局基础上，合理布局明渠、管涵沟通水系，充分利用现有闸站工程，科学布局闸站建设工程，优化城区内部水系沟通，增加水体调蓄能力，改善水动力，提高水体复氧能力与自净能力。水系连通方案详见表3和图2。
Table 3. The interconnection plan of water system in main urban area of Jiangyin City
表3. 江阴市主城区水系连通方案表
Figure 2. The interconnection plan of water system in main urban area of Jiangyin City
图2. 江阴市主城区水系连通方案图
4. 水系连通数学模型
4.1. 模型建立
本研究构建江阴市主城区一维河网数学模型，控制方程组为：
式中：x为距离(主河道流向方向) (m)；t为时间的坐标(s)；A为过水断面面积(m2)；Q为流量(m3)；h为水位(m)；q为旁侧入流流量(m2/s)；C为谢才系数(无量纲常数)；R为水力半径(m)；a为动量校正系数；g为重力加速度(m/s2)。
方程组采用Abbott六点中心隐式差分格式进行离散，形成一系列隐式差分方程组，再用追赶法求解。
4.2. 模型范围
本研究将江阴市主城区河流概化为45条河道、3430个断面，所涉及的河道有新沟河、新夏港河、老夏港河、锡澄运河、白屈港、张家港、北横河、西横河、东横河、团结河、工农河、跃进河、黄昌河、环山河、黄山港、澄塞河、应天河等干支河流。江阴市主城区为平原河网区，根据河道连通情况，模型计算范围往外扩展到新沟河、张家港，见图3。河道地形采用2019年实测河道大断面数据。
Figure 3. River network model in main urban area of Jiangyin City
图3. 江阴市主城区河网概化图
4.3. 模型率定验证
采用2018年8月16~17日实测水位数据和江阴城区闸泵调度资料(2018年8月16~17日有降雨，16日降雨量39.4 mm，17日降雨量113.1 mm；白屈港抽水站泵未引水排水，白屈港抽水站闸未引水，排水267.66万m3，其中16日排水5.33小时，排水量182.14万m3，17日排水3.25小时，排水量85.52万m3；白屈港套闸16日未排水，17日排水219.75万m3)，对模型参数进行率定验证，各河道糙率为0.021~0.025。率定验证结果见图4所示。
通过开展水位对比分析可知，模型平均误差为0.01 m，最大误差为0.15 m，建立的水动力模型具有良好的模拟能力，可用于开展水系连通效果分析。
5. 水系连通效果分析
采用槽蓄法计算各河道生态需求，并作为模型边界条件，利用率定验证后的水动力模型开展水系连通效果分析。经分析，引水期间骨干河道水位3.29~3.97 m，均不超过设计水位。主城区骨干河道流速增加了0.01~0.1 m/s，水系连通对水动力改善效果明显。统计可知，骨干河道流速大于0.05 m/s的河道有35条(表4)，占比83%，满足水系连通目标要求(主城区骨干河网平均流速 ≥ 5 cm/s的河道占比不小于80%)。
Figure 4. Comparison between calculated and measured water levels
图4. 计算水位与实测水位对比图
Table 4. Maximum flow velocity and analysis of average velocity achievable
表4. 河道最大流速及达标情况表 单位：m/s
6. 结论
江阴市主城区污染排放总量过大，加之受长江潮位顶托影响，水体流动性差，自净能力弱，水质普遍较差，水质型缺水成为江阴可持续发展的软肋。加强区域生态环境补水，推进河道水系连通，从而有效改善河道水环境，恢复河道水生态十分必要且紧迫。鉴于现有水系连通性较差、水系连通工程对水质改善效果不明显，本研究以长江为主水源地，基于“外引长江、内活水系”的基本思路，制定了系统的水系连通方案。采用河网模型开展了水系连通效果分析，骨干河道流速增加了0.01~0.1 m/s，水系连通对水动力改善效果明显，同时骨干河道流速大于0.05 m/s的河道占比83%，满足水系连通目标要求。
基金项目
城市水生态环境综合治理关键技术及应用研究(CX201804)。
参考文献