国内首创的苏州河河口水闸，解决淮河污染问题并保持30年免维修

1.典型水闸

(1)南秦汉时越国木构水闸。南越国木构水闸遗址位于中国广州市西湖路与惠福东路之间的光明广场地下一层，为目前世界上发现的年代最早、规模最大、保存最完整的木构水闸遗址。水闸位于当时南越国都城番禺城的南城墙，遗址距今地表深约4m，水闸自北向南可分为引水渠、闸室和出水渠3个部分。现存长20.1m。该水闸功能与现时水闸功能基本相同，即具有防潮、泄洪、引水多重功能。该水闸在建闸材料的选择、松软地基的处理、总体布局、泄流处理、闸室稳定处理等方面都与现代的建闸原理基本相符，反映出秦汉时期的水闸建造在总体上已达到相当高的水平。

(2)现代水闸——苏州河河口水闸。堪称世界之最的苏州河河口水闸的闸门形式为国内首创(图1.3)，长102m、高9.76m，闸底门及下部结构均安装于水面以下，可30年免维修。苏州河河口水闸能够灵活启闭，发挥“挡潮”和“水资源调度”的双重作用，同时可调节苏州河水位，保持闸内相对稳定的较高水位，以利于景观和通航。水闸具有“双向挡水、灵活启闭”的特点，按“东引南北排”的调水方案运行。主要利用潮汐落差，为苏州河与黄浦江水质同步改善以及苏州河支流的水质改善创造了条件。

图1.3　上海苏州河河口水闸

(3)曹娥江河口大闸。曹娥江河口大闸枢纽工程位于钱塘江尖山河湾南岸曹娥江河口，属大(1)型水利工程，工程具有防潮(洪)、治涝、水资源开发利用，兼顾改善水环境和航运等综合利用。大闸调度中主要开展了预泄调度、防洪排涝调度、冲淤调度等防洪调度，同时，开展有水资源配置调度、改善水环境调度、排漂调度和生态调度等兴利调度。其中，生态调度主要有：每年的10—12月，在鳗鲡、中华绒毛蟹、鲻鱼、鲈鱼成体入海繁殖时段，开启鱼道过鱼；在上游花山站流量超过100m3/s时，结合洪水调度，开启大闸泄洪孔过鱼。每年的3月、5月、6月，在鳗鲡和中华绒毛蟹幼苗洄游时段，开启鱼道纳苗；在3月和6月幼苗洄游旺季，当上游花山站流量超过100m3/s，在潮水位略超过闸前水位时，开启大闸泄洪孔进潮纳苗，进潮量的大小根据泄洪后新三江闸下游水质检测情况确定，以不影响闸上江道水质为原则。

2.水闸调度进展

(1)淮河水闸群交调度中“污水团”事件。淮河流域共有5000多个闸坝分布在整个水系，改变了淮河水体的时空分布。枯水期一到，闸坝关闭，整个流域水域封闭，水体变换能力差，大量污染物滞留河体，生态基流难以维持，自净能力大为减弱，汛期一旦开闸，高密度污染就此产生，从而造成淮河流域水质的恶化。在淮河主干河道共有水闸116座，其中大型水闸9座、中型水闸10座、小型水闸众多，在水资源配置中起了决定性关键作用，同时，流域内过多的闸坝建设改变了水的时空分布，难以维持生态基流，水体自净能力减弱，汛期泄洪时，闸坝上积蓄的高浓度污水集中下泄，常常引发水污染事故。由于水闸群的联合控制不当，自1978年以来，淮河发生了1989年、1994年、2001年、2002年、2004年等多次重大污染事故。

近年来，淮河流域制定了闸坝应急调度方案，每年汛前开闸时适时进行应急调度，实施对生态与环境影响最小的污水下泄方案，有效防止了“污水团”集中下泄造成水污染事故的发生[6]。

(2)海河流域北运河开展了闸坝调度与清污轮灌模式研究。中国农业科学研究院徐建新和陆建红开展了基于生态友好的海河流域北运河闸坝调度与清污轮灌模式研究[10]。主要针对北运河流域水资源短缺、污染严重、生态退化、清水资源不足、再生水利用率偏低等问题，主要提出了北运河闸坝生态调度模型，制定出分时期(丰水期、平水期、枯水期)的闸坝生态调度准则与控泄方案，并模拟北运河现状年、丰水年、平水年、枯水年和特枯水年的常规和生态调度情况，分析其水动力学特性和水质特性，进而总结出闸坝生态调度对流域水生态环境的改善起到积极作用的结论。

(3)上海市制定了水闸群控运行总体方案。自20世纪80年代中期起，上海市浦东新区、松江、嘉定等区县水利部门进行了利用水闸调度改善水质的应急调水工作，取得了一定的效果[3，5，9]。2002年，上海市水务局制定并颁布实施了《上海市跨区域引清调水实施细则》，明确了各水利控制片内骨干河道水体的主要流向、水位控制条件和主要控制性水闸的运行调度等，为全市大规模开展引清调水工作的进行奠定了基础。截至2010年，年度引排水量已保持在110亿m3左右。目前已基本形成水利片、骨干水系和圩区3个层次的调水格局。例如，上海市奉贤县水利片情况，对全县水闸运行调控与水体流动、水质变化的关系制定“北引南排，西引东排，定期运行，保量调质”[5]的总体调水方案。

(4)南京城市内河引水。秦淮河是南京的“母亲河”，近年来由于社会经济的不断发展，水环境污染日趋严重。近期采用引长江水对秦淮河进行释污以改善秦淮河水质。例如，南京市在2005年7月调水释污，在十运会期间，从长江向秦淮河调入2.1亿m3水量，使得外秦淮河水质有了较为明显的改善，水质曾一度达到了Ⅳ类至Ⅴ类。但由于市区截污不到位，尤其在降雨初期，雨污混流直接排入秦淮河，造成污染；且途经地区水体污染加重，到达城区河段时往往难以达到Ⅴ类水标准。

(5)福州市内河引水工程。福州市内河纵横交错，与闽江相连，承担排洪、防洪、航运功能，历史上曾是福州市的一大自然景观。随着城市人口增加和工业发展，内河污染严重。福州市于1996年开始实施内河引水工程建设，先后投资5亿多元，建设了文山里引水工程、西河引水工程和金山洪塘引水工程，建闸引闽江水和乌龙江水，对市区内河进行生态补水，通过加大市区内河径流量，定向有序调活内河水体。

(6)嘉兴市在“五水共治”治理水环境中提出并开展了“日潮”放水。浙江省提出了“五水共治”战略。自2014年1月起，嘉兴市为了配合做好引江济太工作，加快区域水体流动，从水闸调度方面，在杭嘉湖南排的海盐南台头、长山，海宁盐官下河、上河和独山5座排涝闸中，选择长山闸、南台头闸各开启一孔，“日潮”一潮放水，增加杭嘉湖河网水体的活动性的措施。

(7)杭州市区河网调水配水调度。杭州位于江流海潮交汇处，通江连海，市区河道纵横，水系发达，共有大小河道1207条，全长3611km。2001年设立的市区河道配水指挥部及办公室主要通过控制性水闸和泵站实现各区域之间、河道之间流量的调度控制，并按照水系划分为东片、西片、中片三大块的市区配水格局。平均每年配水20亿m3，大大改善了杭州市区河道水环境。其中西湖还形成了6个入水口、9个出水口的优化配水格局，达到了水体每月换水一次的目标。实现了从钱塘江、苕溪流域引水，河道配水量逐年增加，通过以上引配水设施，带动市区绝大多数河道、水域实现水体流动、补充和交换，并最终进入运河。市区河网水质不断得到改善，但对于水量的具体需求仍然不够清晰。

(8)慈溪城河河网调水配水改善水环境方案设计。何文学、邹冰、陈冬云等对平原河网区调水配水改善水环境方案设计进行了研究[11]。以慈溪城河河网为例，根据水质改善目标与河网水力特征、调蓄能力，从技术、经济两方面综合考虑，提出了“间断引水”和“连续引水”两种方案。根据调入流量的大小不同，从提高河网水动力特性入手，提出了“同时配水”与“轮流配水”两种方案。并根据当地地形“西高东低、南高北低”的实际情况，遵照“自流优先、提水为辅”的原则，按照“西部引入、输水至南、流经全境、向北出水”的总体设想，拟定的调水路线是“由西至东、从南向北”，并通过一定的工程措施与技术措施控制慈溪城河河网水流流向，实现城河水流单向流动，达到“网通水动”的目的。

(9)温州温瑞平水系“活水畅江河”实施方案。温州温瑞平平原河网水生态环境治理经过了漫长治理过程[12-14]。先后制定《温州市温瑞塘河综合整治规划》《温州市温瑞塘河调水规划》《温州市温瑞塘河水体生态修复与水质改善规划》。建立以各沿江水闸为中心，将沿江片河网形成相对独立的排水片区，控制河水流向和水量，提高了调水效率，改善了水质。在水闸调度方案中，提出了塘河水位控制、不同片区水闸组合开闸及先后次序等建议。2013年12月制定了《温瑞平水系“活水畅江河”实施方案》(浙江省水利河口研究院)，实施方案认为边界水闸同时开启进行水闸控运水流运动效果好于只开一个或启闭部分水闸，同时认为在引水水源有保证的前提下，可以持续供水；若供水紧张，可采取引两天停一天再引两天停两天的方式进行活水。

3.水闸调度基础技术理论

(1)对平原河网地区水资源调度改善水质的机理研究。2003年，陈吉余和阮仁良以上海市水资源引清调度为例对平原河网地区水资源调度改善水质的机理和实践进行了研究[3]。其方法就是利用水利工程的调度来实现水资源时空的重新分布。主要分析了上海市水利控制片内和外部的引排条件和蓄泄能力。提出水利控制片满足现阶段治理要求所需的环境容量，并对全市分区域引清调度和全市联合调度的方案进行优化分析，提出一套在现有工况条件下适合上海平原河网水质改善需要的、可操作的引清调度方案。

李义天教授和郜会彩对湖泊引清调水改善水环境的机理做了进一步探讨[4]。首先认为稀释冲刷是湖泊引清调水改善水环境的主要机理之一。河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标，受污染水体溶解氧浓度变化的过程反映了河流的自净过程。并且研究表明，流速是影响水体复氧能力的最关键因素，复氧系数k 2随流速增大而大幅度增大，当湖泊水体由静变为动、流动由慢变快，自净降解能力大大加强。

(2)水体溶解氧浓度变化方面的研究。河水中溶解氧的含量是反映水体污染状态的一个重要指标，受污染水体溶解氧浓度变化的过程反映了河流的自净过程。溶解氧是天然存在于地面水中的成分，经常保持水中DO含量在某标准以上，可作为控制有机污染的措施，具有重要作用。美国把以地面水为水源仅经过滤处理即作为饮用的自来水中DO为6mg/L，经深度处理的在4mg/L以上。这主要是考虑到DO少的地面水，很可能是正在受到污染的水。与空气接触清洁水的DO含量，通常都是与饱和溶解氧近似的值。我国《地面水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定DO含量第一级水体饱和率应在90%以上，第二级水体应大于6mg/L，第三级水体应大于4mg/L。另外，我国《工业企业设计卫生标准》(GB Z1—2010)中规定地面水中DO不应低于4mg/L。日本环境标准中规定清洁地面水DO应在7.5mg/L以上，最差的地面水也应在2mg/L以上。(www.xing528.com)

当水体中存在溶解氧含量下降、浓度低于饱和值时，水面大气中的氧就溶解到河水中，补充消耗掉的氧。如果有机物含量太多，溶解氧消耗太快，大气中的氧来不及供应，水体的溶解氧将会逐渐下降乃至消耗殆尽，从而影响水生态系统的平衡。当河水中的溶解氧耗尽之后河流就出现无氧状态，有机物的分解就从有氧分解转为无氧分解，水质就会恶化，甚至出现黑臭现象。此时，水生态系统已遭到严重破坏，无法自行恢复。由此可见，溶解氧在河水自净过程中起着非常重要的作用，并且水体的自净能力直接与复氧能力有关。

河水中的溶解氧主要来源于大气复氧、藻类和水生植物的光合作用，其中大气复氧是水体中溶解氧的主要来源。大气复氧是指空气中氧溶于水的气—液相传质过程，这一过程也可称为天然曝气。

国内有采用跌水曝气、水闸泄流、活水喷池相结合进行增氧并在山区滞流水域根据河道沿程特点，设计梯级式橡皮坝跌水增氧的工程示例，对于消除城市河道水质异味恶化效果良好，几乎没有二次污染。

(3)水闸调度对河流水质作用机制及可调性。郑州大学窦明和郑保强在水闸调度对河流水质作用机制及可调性进行了研究[15]。认为水闸的存在改变了天然河流的水流状态，并对水体中污染物的迁移转化过程产生一定的影响。

1)认为关闸蓄水时，污染物的迁移转化主要以沉降作用为主；而开闸放水时，污染物的迁移转化主要以底泥的再悬浮作用为主。

2)认为闸控水质浓度变化率与水闸调度方式(闸门开度、闸门开启个数)有乘幂关系、与来水污染负荷有对数关系，间接地反映出了闸控河段水闸调度、污染负荷与水质浓度变化之间的复杂非线性关系。

3)水闸对水质改善的可调性研究。闸在污染负荷较大时，水闸调度对水质有较好的改善作用(即可调性较好)，但污染负荷较小时，水闸调度对水质改善的可调性较差，甚至无可调性。

(4)对静水中溶解氧含量变化研究。聂国朝对襄阳静止水体中溶解氧含量进行了研究[16]。表明静止水体水中溶解氧含量的日变化特征是溶解氧的含量随光照强度的增加而逐渐上升；静止水体水中消耗溶解氧的因素包括水生生物呼吸耗氧、有机物降解耗氧和底泥耗氧，其中底泥耗氧是水中溶解氧消耗的主要因素，占水体中溶解氧消耗的80%以上；静止水体中溶解氧的增加因素包括空气表面复氧、水生植物和藻类的光合作用放氧，其中藻类光合放氧是水中溶解氧的主要来源，是表面复氧的10倍以上。

(5)河流耗散结构理论。冯峰、许士国、周志琦等应用基于热力学第二定律发展起来的耗散结构理论，对黄河健康生命的内涵进行分析[17]后认为，黄河是一个复杂的开放系统，具有非平衡有序结构、内部子系统之间存在非线性作用、通过结构与功能之间的涨落可达到有序和谐，因而满足耗散结构的4个条件。增大负熵流是维持黄河健康生命的根本途径，应根据不同子系统的特点采取相应措施，确保黄河向有序的方向发展，成为一种自组织的时间、空间和功能的有序耗散结构。

4.河流健康评价方法方面

国外在河流保护与管理中的新观念是将维持健康的生态系统作为河流开发利用的前提。目前，国际上有关河流的保护与管理都涉及一个重要的术语，即生态系统的恢复与管理，并建议把维持生态环境多样化作为河流开发利用与保护的主要目标。澳大利亚、美国、英国、南非和日本在河流健康指标体系及其评价方法等方面开展了大量的工作，取得了许多成功的经验。各国的河流健康评价方法、评价内容及优缺点辨析归纳[18]见表1.2。

表1.2　国际上主要河流健康评价方法分类

续表

从国内外健康河流研究情况看，欧洲、美国及澳大利亚等不存在像我国这样尖锐的水资源供需矛盾，北美洲和大洋洲的国家治河历史仅仅几百年，至今尚存有若干未被开发的河流或河段，或是经过几十年的努力，水污染治理已初见成效，这些国家大都依据这种自然状态对河流进行健康判断，对河流的人类社会服务功能价值重视不够。

5.平原河网水力计算

平原河网水系复杂，其洪水演进过程常通过数学建模，并采用数值方法进行模拟。目前，河网水动力数学模型大体可以分为节点—河道模型、单元划分模型、混合模型、人工神经网络模型和蒙特卡洛随机游动模型等[19-29]。

6.防洪优化调度

防洪优化调度是一个多目标、多层次、多阶段的复杂决策过程，其优劣直接关系到下游地区人民的生命财产安全，关系到整个防洪体系的综合减灾效益。20世纪80年代初，随着系统工程的迅速发展，防洪优化调度的理论基础和实践内容也逐渐丰富起来，目前主要包括线性规划、非线性规划、动态规划、网络流规划、大系统分解——协调理论、现代启发式算法、模糊系统理论、多目标规划模型、模拟法和其他优化理论方法等[30-34]。从总体上看，随着防洪优化调度理论的不断发展和完善，在对比分析水库防洪体系和平原闸群防洪体系特点的基础上，充分利用现有理论和方法，对平原闸群防洪体系优化调度进行系统研究将是一种必然趋势。