为了更好地解决城市河网水环境问题，系统分析水动力调控作用对河网水环境提升的效果。以苏州平原古城区河网水质提升为目标，基于古城区水质现状的原型观测，采用一维水动力-水质耦合模型研究了3种引水条件、4种调控方式下的古城河网水质改善效果。
结果表明，现状条件下苏州古城河网的主干河段溶解氧(DO)、氨氮(NH₃-N)、化学需氧量(COD)质量浓度仍处于Ⅳ类水标准;随着水动力调控时间的增加，河网中河道水质改善幅度逐渐提高并趋于稳定;在所设计的两种水动力调控方案下，河网内大部分河道的水质可满足要求，达标率可达90%。研究结果可为苏州古城区等类似平原城市河网水质提升提供技术参考。
关键词：平原河网;水动力;水环境提升;调控方案
论文《面向水环境提升的平原城市河网水动力调控方案研究》发表在《水利水运工程学报》，版权归《水利水运工程学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
引言
中国东部平原河网地区水系分割、水动力条件差，伴随着河网地区城镇化与工业化快速发展，点源及面源等外部污染问题日益凸显，对河网城市水环境和水生态产生巨大危害[1-4]。水动力是影响河湖生态系统的重要因素，增强水动力条件、提高水体自净能力，已成为城市水环境提升的常见手段。学者们发现水动力调控工程不仅能解决水资源分布不均的问题，还能提高水系连通，加速水体流动，修复河网生态及改善水环境[5]。因此，国内外陆续出现了以改善水环境为目标的水动力调控工程。例如，日本东京隅田川水动力调控工程、美国的Moses湖引水工程、新西兰的Rotoiti湖调水工程，国内的引江济太工程和东湖调水工程等[6-7]。引江济太工程相关的水利设施自2005年开始实施建设，并经望虞河将长江水引调入太湖及周边水体，提高太湖流域河网水动力，加速水体流通，从而提高太湖流域水环境容量和水体自净能力。引江济太工程实施至今，流域内水质明显改善[8-9]，彰显了水动力调控成效。
随着中国城市水生态文明建设和水环境改善需求的提高，引水调控工作已在平原河网地区陆续开展，目前已有一系列水动力调控研究涉及水体污染物输移理论形式[10-11]、室内水动力-水质调控试验[12]及水质数学模型[13-16]。田传冲等[17]基于温州市主城区河网水动力模型，计算出水环境改善目标流速所需的引水量;丁磊等[18]通过二维水动力-水质耦合模型，模拟闸控调度下的感潮河网水流运动及污染物运移过程，并分析不同闸泵调度措施对河网水体自净能力的影响;薛联青等[19]建立复杂河网引清流量优化分配模型以实现引清调度优化。以上研究均在结合当地河网特性和水利工程设施的基础上，基于数值模拟制定相关水动力调控方案，使当地的河网水质得到一定程度的改善。然而，对水动力提升改善平原河网地区水环境的机理认识有限，而水动力调控涉及水质复杂的物理、化学和生物作用[20-22]，其机理过程尚不完全明晰。目前随着流体测量和水质监测技术的不断进步，水动力对水质影响作用研究方法逐渐转向经验型或预测模型[23-24]，且基于现场原型同步监测，掌握河网及调水线路上的流速、流量分布情况，可系统探究水动力调控对河网水环境的影响。
苏州市属于典型的平原河网地区，河道比降平缓，水动力不足，古城区河网水质问题尤为复杂。依据行政区划和城市防洪规划，将整个古城河网区划分为干将河、干将河北、干将河南、北园、南园和石门等6个水系，河网片区割裂;河网范围内共有114个泵站，片区各自为政，实行独立定期定时换水，缺乏统筹，无法形成河网整体常态有序流动。如何改善河网水动力驱动条件，实现城市河网水体持续自流、体现自然回归，是苏州古城河网水质提升计划的首要问题。因此，本文以苏州古城区河网为例，结合原型观测和数值模拟对河网不同水动力调控方案下的水质提升效果进行深入研究。
1 研究区域及方法
1.1 水网概况
苏州地处长江三角洲中心地带，为经济发达区域，且毗邻太湖，淡水资源丰富，加之平坦的地势，造就了苏州市河网纵横交错的布局。苏州古城区河网整体呈方正棋盘状，经过长年的河网水系演化，城区大量河道已人工渠化。古城区河网范围总面积约14.6 km²，现有河道总长约为34.72 km，主要的“三横三直”骨干河道及若干支河道构成核心水系。
“三横”为东西向的桃坞河、干将河、道前河(府前河)，均西起阊门内河，东至相门外成河：桃坞河跨桥18座，宽5~8 m，长3.2 km;干将河跨桥18座，宽5~10 m，长3.1 km;道前河跨桥22座，宽5~6 m，长3.3 km。“三直”为南北向的学士河、临顿河和平江河，连通古城区南北环城河：学士河跨桥18座，宽5~8 m，长3.2 km;临顿河跨桥19座，宽约8 m，长2.4 km;平江河跨桥20座，宽8~10 m，长2.8 km。
考虑水质提升的水动力调控方案需寻找最有利的水源条件，尽可能提高城市河网水源保障能力。苏州市滨江临湖，水源条件优越，但望虞河-西塘河、元和塘水源保障率不高;胥江曾是主要供水通道，后因工业发展污染严重，且受太湖流域水势变化影响，已不具备供水条件，亟需开辟新水源。流量丰沛、水质优良的长江水成为优选，可通过望虞河、阳澄湖等调水工程利用。目前苏州古城区河网采用“双源供水”格局，即通过西塘河与外塘河分别从望虞河和阳澄湖引水至古城区环城河。其中，西塘河引水能力约为40 m³/s，但受水权制约，单一水源无法提供可靠保障;外塘河因地理位置、水量及水势优势，为新水源开辟提供了有利条件。
1.2 水质监测点布置
依托古城区河网闸泵调度工程体系，分别于夏季(2022年6-7月)和冬季(2022年11-12月)进行水动力调控试验。试验过程中严格控制流量、流速、水位等水力学参数，最大程度避免外界干扰，即时采集水动力和水质数据。
水质监测点布置覆盖核心河道，顺水流方向选取齐门河、临顿河、干将河、学士河与平门河5个主监测河段，在各河段首端与尾端分别设置实时监测点，观测调控下进出口水质变化。具体监测点分布如下表所示：
| 序号 | 断面名称 | 所在河道 | 序号 | 断面名称 | 所在河道 |
| 1 | 堵带桥 | 齐门河 | 8 | 积庆桥 | 平江河 |
| 2 | 醋坊桥 | 临顿河 | 9 | 官太尉桥 | 官太尉河 |
| 3 | 市鹤桥 | 干将河 | 10 | 银杏桥 | 南园河 |
| 4 | 平四桥 | 平门河 | 11 | 桂花新村 | 苗家河 |
| 5 | 百花桥 | 学士河 | 12 | 南园桥 | 环城河 |
| 6 | 饮马桥 | 道前河 | 13 | 齐门桥 | 环城河 |
| 7 | 军民桥 | 北园河 | 14 | 姑胥桥 | 环城河 |
受汛期影响，夏季北面平门河与齐门河引水口最大引水量需控制在5 m³/s左右，此条件下主要河道流量实测变化范围为：平门河3.98~5.24 m³/s，齐门河3.11~5.27 m³/s，干将河2.11~4.67 m³/s，学士河2.11~3.28 m³/s。
1.3 水动力-水质耦合模型
平原城市河网地区地势平坦，河道数量众多且坡降平缓，流量较小。本文将平原城市河网的水域划分为骨干河道和相似成片水域：对骨干河道采用节点-河道模型，将相似成片水域划分为单元，经概化后纳入节点-河道模型进行计算。同时考虑河网水动力作用、弥散、污染物负荷、大气沉降、污染物降解、藻类作用、底泥作用的河网水质基本控制方程如下：
式中：B为河面宽度(m);Z为水位(m);Q为流量(m³/s);x为河网水体单位控制体的长度(m);t为时间(s);g为重力加速度;(S_f)为摩阻坡度;C为水体质量浓度，(C_0)和(C_s)分别为单位控制体的流进和流出水体的质量浓度(kg/m³);A为断面面积(m²);(D_x)为纵向扩散系数(m²/s);(q_p)为点源入汇流量(m³/s);(q_f)为面源单位入汇流量(m³/s);(r_s)为底泥释放速率(mg/(m²·d))，(r_s B Delta x)为单位底泥污染物补给量;(f_d)为大气干湿沉降物所含污染物的质量函数;L为河段长度(m);(S_w)为悬移质吸附速率(mg/(m²·d))，(S_w B Delta x)为单位控制体悬移质吸附污染物的源和汇;(gamma(C))为单位水体净化率，是关于质量浓度C的函数，反映河网水环境系统中的生化反应规律。
采用苏州古城河网现场原型监测数据对模型进行率定，通过反演计算试验条件下的引水情景，对比模型结果与原型监测结果。模型率定结果显示，河网各断面可决系数(R^2)均约为0.9，表明所建模型精度较高，能够准确模拟苏州古城区河网特性。
2 结果与分析
2.1 古城区河网水质现状分析
2.1.1 化学需氧量(COD)
苏州古城河网1~12监测断面的COD质量浓度时空变化显示，2017-2021年期间COD质量浓度变化不明显，临顿河断面(2)和干将河断面(3)等少数断面随时间略有下降，其他断面即使在清淤活水实施后，也基本维持在接近和低于Ⅳ类水平。总体而言，清淤活水工作对河网COD指标的改善效果有限。
2.1.2 溶解氧(DO)
2017-2021年，苏州古城河网不同监测点位DO质量浓度呈现明显区域差异和季节性特征：2018年后以干将河为界，以北区域的齐门河(1)、临顿河(2)、平门河(4)及北园河(7)DO质量浓度有不同程度提高，以南区域提升效果较弱;冬季DO质量浓度较高，大部分监测点位可达Ⅲ类以上水平，夏季则普遍偏低。总体来看，古城河网主干河段(临顿河、干将河、学士河等)的DO指标仍不理想，夏季可能低于Ⅳ类水标准。
2.1.3 氨氮(NH₃-N)
2017-2021年监测结果显示，2019年后大部分点位的NH₃-N质量浓度呈下降趋势，其中生活区聚集的学士河点位(5)、北园河点位(7)和官太尉河点位(9)降幅较大，学士河点位(5)从2013年1月的4.5 mg/L降至1.5 mg/L，其他断面在2 mg/L上下浮动。空间分布上，2018年前环城河的NH₃-N指标明显优于河网内部河道，且内部河道浓度差异较大;清淤活水工程实施后，各区域NH₃-N质量浓度趋于均匀，夏季改善效果更为显著，环城河可稳定达到Ⅳ类，但河网内部河道平均浓度依旧处于Ⅳ~Ⅴ类。
综上，历经清淤活水措施，苏州古城河网水质有一定改善，但离功能区目标水质Ⅳ类的长期治理目标仍有差距，溶解氧(DO)、氨氮(NH₃-N)、化学需氧量(COD)仍是水环境治理的核心目标，亟需更科学的水动力调控方法。
2.2 水动力调控情景设计
苏州古城河网主要闸泵包括平四泵闸、齐门泵站、北园泵站等13座泵站及混堂弄闸、金平闸等15座闸站。本文以2022年古城河网夏季水质为基准，设置3种引水方案和4种调控情景，具体如下：
2.2.1 引水方案设计
| 编号 | 总流量(m³/s) | 引水流量(m³/s) | |
| | | 西塘河 | 外塘河 |
| 方案1 | 20 | 10 | 10 |
| 方案2 | 30 | 20 | 10 |
| 方案3 | 40 | 25 | 15 |
2.2.2 调控情景设计
1. 情景1：无任何调控措施，河网内闸门开启，泵站关闭，模拟自然状态下的流动性;
2. 情景2：采用活动溢流堰调控与现状常规调控结合，在外围环城河两侧增加阊门堰和娄门堰两座活动溢流堰，抬高上游水位，营造南北水位差，实现古城水体自流;
3. 情景3：翻板门与水利工程综合调控，控制模型流速满足水质改善最佳流速区间下限0.18 m/s，避免扰动底泥，保障下游河道水环境;
4. 情景4：翻板门、水利工程与河道整治工程联合调控，通过河道拓宽、清淤、束窄、增加糙率等整治措施，配合闸泵调控，确保流速满足0.18 m/s下限要求。
为实现河网水动力调控和水质提升，主要利用闸门泵站、翻板门及3座子母闸门等进行调控，不同调控方案下的闸门开启信息如下表所示：
| 序号 | 引水方案 | 工程名称 | 上下游水位差/cm | 过流流量/(m³/s) | 闸门开启情况 |
| 1 | 方案1 | 娄门堰 | 9 | 4.03 | 闸门开度45° |
| 2 | 方案2 | 娄门堰 | 12 | 6.89 | 闸门开度45° |
| 3 | 方案3 | 娄门堰 | 11 | 13.04 | 闸门开度35° |
| 4 | 方案1 | 阊门堰 | 8 | 11.79 | 闸门开度35° |
| 5 | 方案2 | 阊门堰 | 11 | 17.70 | 闸门开度30° |
| 6 | 方案3 | 阊门堰 | 11 | 20.87 | 闸门开度27° |
| 7 | 方案1 | 平四闸 | 7 | 1.98 | 宽6 m，开35% |
| 8 | 方案2 | 平四闸 | 10 | 2.42 | 宽6 m，开40% |
| 9 | 方案3 | 平四闸 | 9 | 4.29 | 宽6 m，开40% |
| 10 | 方案1 | 齐门闸 | 7 | 5.66 | 宽6 m，开80% |
| 11 | 方案2 | 齐门闸 | 10 | 5.69 | 宽6 m，开100% |
| 12 | 方案3 | 齐门闸 | 8 | 2.62 | 宽6 m，开100% |
| 13 | 方案1 | 北园闸 | 8 | 4.00 | 宽6 m，开50% |
| 14 | 方案2 | 北园闸 | 11 | 4.95 | 宽6 m，开70% |
| 15 | 方案3 | 北园闸 | 10 | | 宽6 m，开90% |
2.3 水动力调控结果分析
采用数学模型对不同情景下的水动力条件进行计算，获取3种引水方式对应4种调控方案下的古城河网内部流速分布。
情景1(无调控)：西塘河和外塘河水流大部分从环城河流入，即使总引水流量提升至40 m³/s，进入古城的流量仅为4.76 m³/s;除外围环城河外，内部大部分河道流速均在0.14 m/s以下，东南部南园片区的羊竹辉河、薛家河和苗家河等河道几乎滞流。
情景2(活动溢流堰+常规调控)：20、30、40 m³/s引水方案下，进入古城区的总流量分别为7.46、9.23和11.21 m³/s，东北街河、西北街河、平江河、临顿河等部分河段流速提升至调控目标范围，但平门小河、中市河等多条河道流速过高，易导致底泥悬浮，且南部道前河、十全河等仍几乎滞流，水质提升效果有限。
情景3(翻板门+水利工程)：流速达标率提升至57.91%~70.88%，但部分区域仍存在流速不达标问题。
情景4(联合调控)：3种引水方案下，古城区内部所有河道流速均控制在0.18~0.28 m/s的合理区间;通过河底种植人工水草增大河床糙率，既减小了河道流速，又稳固了河床，减少底泥悬浮，有利于下游河道水质改善。
2.4 水动力调控效果评估
选取河段平均水质达标率(古城河网内水质达到Ⅳ类水的河段占比)作为评价指标，计算公式如下：
[eta =(L_{i}/L_{s})× 100\% ]
式中：η为古城河网内河段目标水质达标率(%);(L_i)为古城河网内水质达到Ⅳ类水的河段总长(m);(L_s)为古城河网内所有河段的总长(m)。
对临顿河、干将河、学士河和道前河4个污染较严重断面的DO变化分析显示，水动力调控5天内，DO质量浓度显著改善，5天后4条重点河道均达到目标水质要求;调控初期增长迅速，增长速率拐点多出现于第3~4天，表明随着调控时间增加，河网河道逐渐达到水质改善的流速阈值后，水质改善趋于稳定。
不同情景下的水质达标率对比表明：情景1的达标率仅为39.76%~49.61%;情景2达标率稍有提升;情景3达标率为57.91%~70.88%;情景4达标率分别达到87.58%、90.33%和98.82%，大部分河道水质满足要求，可达到苏州市政府对河网水质的指标要求。
3 结语
以苏州古城区河网水动力-水质提升为例，在分析古城河网水质现状基础上，通过建立平原河网水动力-水质一维耦合模型，研究了3种引水方案、4种调控方式下的水质提升效果，得出以下结论：
1. 原型观测表明，古城河网主干河段(临顿河、干将河、学士河等)的DO质量浓度夏季可能低于Ⅳ类水标准;NH₃-N质量浓度空间分布趋于均匀，环城河可达到Ⅳ类，但内部河道平均浓度仍处于Ⅳ~Ⅴ类;清淤活水后，COD质量浓度改善效果不明显。
2. 现状工程调度条件下(翻板门调控技术及水利工程联合调控方式)，平门小河、中市河等多条河道流速过高，易导致底泥悬浮并带入下游，影响河道水质;古城区南部道前河、十全河等河道几乎滞流，无法实现水质有效提升。
3. 随着调控时间增加，河网河道逐渐达到水质改善的流速阈值，水质改善效果趋于稳定;在情景4(翻板门、水利工程与河道整治工程联合调控)基础上，配套水质综合改善方法并对水量水质调控方案即时反馈，可进一步提升水质改善效果和保障能力。
本研究成果可为苏州古城区及类似平原城市河网的水质提升提供技术参考，为平原城市水环境治理提供可复制、可推广的调控方案。
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