水乡古镇，尤其是江南一带的水乡古镇，地势平坦，河网密布，因水成镇，具有鲜明的地区特征(徐敏，2005).众多水乡古镇，如周庄、同里、乌镇、甪直等因其悠久的历史、优美的自然环境和深厚的人文情怀，具有重要的保护价值和意义(金妍，2013).

水不仅与水乡古镇人们的生产生活息息相关，而且是古镇自然和文化特色的核心体现.随着人口增长、工农业发展、经济增长等多种因素，河网水系的断面和平面流通结构受到一定的影响和破坏，河段内出现水流滞流或缓流现象；再加上污染物的过量排放，镇区水环境污染严重，水体浑浊乃至变黑发臭现象屡有发生.优化调控水乡古镇水动力状况，提升水体自净能力，进而提升古镇整体水环境状况，对恢复和保持“小桥流水人家”的水乡古镇风貌具有重要意义(白义琴，2010；李海燕，2013；杨凯，2006).

因此，本研究以同里古镇为例，通过建立同里古镇区水系的EFDC水动力模型，以及情景模拟分析的方式，对水动力优化调控方案进行研究，以期为同里古镇水系水环境改善整体方案提供技术支持.

同里镇位于苏州市吴江区东北部，地处太湖东岸，大运河畔，是著名的水乡古镇.同里古镇内有世界文化遗产退思园，是目前唯一以镇为单位被列入省级文物保护单位的古镇，极具中国水乡古镇代表性.以同里古镇区水系为研究对象，进行水动力优化调控方案的研究，对整个江南地区，乃至其他地方的水乡古镇的水动力优化调控和水环境改善均具有借鉴意义.

本文研究对象为同里古镇区内水系，水系结构主要如图 1所示.古镇区水系有8个出入流口(1~8)与外部吴江大运河相接.每个出入流口每天由人工巡视，根据河道感官性状，按需开闸，由进水泵站从外部运河调水；如有必要，亦可从水质较好的同里湖调水进入古镇区水系.

图1(Fig.1)

图1 同里古镇区水系图 Fig.1 River network of Tongli town

为全面系统地了解同里古镇区水系水动力状态，于2013年5月3—4日对同里古镇区水系的25个不同断面(均匀分布于整个水系)进行流速监测，并进行统计分析，结果如表 1所示.可以看出，同里古镇区整体流速偏小，76%的断面流速小于0.05 m · s^-1.由于监测流速断面基本均匀分布在整体水系，可以认为整个水系超过50%的河段流速小于0.05 m · s^-1.

表1(Table 1)

表1 2013年5月3—4日监测断面流速测量结果 Table 1 Velocity monitoring results in May 3—4，2013

表1 2013年5月3—4日监测断面流速测量结果 Table 1 Velocity monitoring results in May 3—4，2013 流速范围/ (m · s-1) 断面数量 断面占总监测 断面百分比 <0.02 11 44% 0.02~0.05 8 32% >0.05 6 24%

河流的水动力状态和整体水环境状态息息相关，为了达到一定的生态或水质目标，需要维持河流在一定的流速范围内(Bain et al., 2012).这方面的研究中，生态流速是应用较为广泛的一个概念.生态流速一般意义上是指为了达到一定的生态目标，河道内所需要维持的水流流速范围.目前国内大多数对于生态流速的研究与应用主要都集中在较大的江河内，且一般以对流速较为敏感的水生生物或鱼类等作为指示物种来判定河流适宜的生态流速(马洪涛等，2007；Jia et al., 2011).如韩鲁杰等(2009)、刘昌明等(2007)等均通过鱼类作为关键物种确定河流的生态流速范围.

生态流速的概念在平原河网地区内河流的流速控制中较少使用.何婷(2013)关于淮河流域下游平原河网地区生态需水量的研究中，利用水生生物作为生态系统稳定性判别标准.而浮游植物由于结构简单、生长周期短等特点，能够灵敏地反映水体水质的变化.具体针对平原河网区域水体富营养化的特点，选取藻类的正常生长作为生态流速判定的依据.

对于平原河网地区的河流，尤其是城镇中的河流，一般河流河道水深较浅，流速缓慢，且河道人工化现象较明显，水质较差，众多河流内生长的鱼类生物敏感性较低.因此，要从生物角度判断平原河网区域河流的生态流速，选择浮游植物，如藻类等具有较好的效果.且我国平原河网区域城镇水体的主要污染类型为富营养化，选取藻类作为关键物种判断平原河网区域水质具有显著的意义.因此，针对平原河网区域河流的生态流速，应当保持一定流速使得大部分生物生长且不造成藻类的大量富集，同时流速也不应过大造成底泥扰动而使得河流透明度较低.

综上所述，为了确定研究区域合理的生态流速范围，本研究重点调研了国内关于河流内藻类暴发临界流速的研究文献.然而，富营养化导致藻类暴发现象易发生区域为湖泊、海湾等，河流，尤其是大江大河，由于其流动性，发生藻类暴发的现象很少.因此，很多关于流速对藻类生长影响的研究均是针对湖泊，以河流为主体研究流速对藻类生长影响的文献报道相对较少.

且通过文献调研发现，目前国内关于藻类临界流速的研究主要都是通过采样，进行室内或室外的模拟实验研究，对实验结果进行分析比较得到结论.由于现场流速、藻类(Chla)含量同步监测存在一定的困难，实验数据很少，因此，本研究对于同里古镇区河道合理的生态流速主要依据文献调研结果选取.

廖平安等(2005)以故宫筒子河为例，通过模拟实验研究发现，流速从0.05 m · s^-1增加到0.2 m · s^-1时，流速的增大对藻类生长具有抑制作用.王利利(2006)以嘉陵江为例，通过实验模拟研究分析得到在0.08 ~0.14 m · s^-1之间存在临界流速，当河流流速大于此临界流速时，Chla含量随着流速的增大而减小.焦世珺(2007)以三峡库区某水库水为样本，通过实验模拟分析得到三峡库区下游低速河道水华暴发的临界流速为0.05 m · s^-1.

除了藻类生长的临界流速，国内也有一些关于流速与水质的响应关系研究.针对太湖流域平原河网水系，莫祖澜(2014)以太湖流域嘉兴城区内河道为例，通过实验模拟监测，分析了不同流速(0.05、0.1、0.2 m · s^-1)下TN、NO^-₃-N、TP及DO的变化情况，确定了控制流速在0.1 m · s^-1以内为城区河流的最佳流速.

综合上述文献调研结果，同时考虑到同里古镇区现状流速较小，44%的断面流速小于0.02 m · s^-1，76%的断面流速小于0.05 m · s^-1.且由于场地、经济投入等限制因素，认为同里古镇区河流合理的生态流速范围为0.05 ~0.10 m · s^-1.

目前，在平原河网地区应用较为主流的水动力模型主要有EFDC模型、MIKE11的水动力模块等.EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)是由美国威廉玛丽大学开发，并且由美国环保局推荐使用的地表水动力模型，目前已经广泛的应用于各类水体的水动力模拟中(Guo et al., 2012；刘晶晶，2013；段扬，2014；杨倩，2014；Kang et al., 2015；Wang et al., 2014；Kim et al., 2014).谢锐等(2010)、郝文彬等(2012)均运用EFDC模型在长江口及太湖流域进行了成功的案例研究应用.由于本研究研究区域相对较小，水系结构相对简单，兼顾对后续水质模型研究影响，且EFDC模型在本研究区域的相似或相邻区域已有典型应用，因此，选用EFDC模型用于模拟水动力状况(贾海峰等，2013).

选取EFDC作为模型后，对研究区域进行时空概化.由于(近)人工化河道较多，形状相对规则，故而在概化时基本采用凸四边形网格(河道交汇点、转弯点等特殊区域根据实际情况视为三角形).同时，由于河道水深较浅，均在2 m以内，垂直差异较小，故而垂向不分层.概化后得到61个正交网格，概化结果如图 1中概化网格所示.

模型初始值主要指每个概化单元格内的水位值，根据实际水文监测结果，结合空间差值方法得出.此外，气温、降水、蒸发、光照强度等环境变量均采用同里古镇水网所在区域的月均值.

考虑到模型模拟的常态情况，以及降雨、蒸发、大气压等自然因素的可用数据，选择模拟时间长度为365 d.模拟的时间步长，根据一般文献调研及以往经验，选择为15 s.

EFDC模型参数初值首先根据模型推荐值和已有文献研究调研确定，再通过试错法率定，对参数进行适当调整.采用中值误差和NS(Nash-Sutcliffe)模拟系数法评价模型参数率定和模型验证的合理性，其中，中值误差(e_0.5)和NS系数的表达式如下：

由于本研究区域范围较小，区域内无相关水文水质的历史监测数据；且研究区域各个出入流口受人工控制闸坝影响明显.因此，本研究中，认为由于人工控制闸坝，同里古镇区水环境时间变化不明显，而重点关注同里古镇区水系空间水环境状况.

EFDC水动力模型中，本研究所选取的参数主要为曼宁粗糙系数.一般河道的曼宁粗糙系数为0.01~0.08，本研究中粗糙系数取值为0.05.

综合考虑研究区域数据的可得性和关注重点，本研究中，采用2014年6月24日实际监测的同里古镇区11个监测断面流速数据进行率定，采用2014年6月25日实际监测的相同监测断面的流速数据进行验证.在整个水系内均匀选取监测断面，具体如图 1中流速监测断面所示.各监测断面流速率定结果如图 2所示，误差计算结果见表 2.

图2(Fig.2)

图2 同里古镇区水系各监测断面流速率定结果(各断面编号对应的断面名称见表 1) Fig.2 Calibration results of velocities of river network of Tongli town

表2(Table 2)

表2 同里古镇区水系各监测断面流速率定误差计算结果 Table 2 Calibration error results of velocities of river network of Tongli town

表2 同里古镇区水系各监测断面流速率定误差计算结果 Table 2 Calibration error results of velocities of river network of Tongli town 编号 监测断面 监测值/ (m · s-1) 模拟值/ (m · s-1) 相对误差 中值 误差 NS系数 1 饮马桥 0.100 0.091 8.76% 2 德春桥 0.059 0.063 -7.26% 3 吉利桥 0.085 0.063 26.78% 4 吉利-泰安中 0.080 0.057 28.54% 5 泰安桥 0.120 0.105 12.20% 18.60% 0.81 6 蒋家桥 0.042 0.043 -0.72% 7 蒋家-会川中 0.032 0.026 18.54% 8 会川桥 0.058 0.026 56.11% 9 中川桥 0.069 0.037 46.44% 10 小川-东川中 0.164 0.144 12.17% 11 东川桥 0.165 0.164 0.52%

分析模型产生的误差，可能有以下几点：①流速监测值本身存在误差，本研究的流速监测采用的 是Sontek声学多普勒水流剖面仪，监测过程中由于操作原因、风速影响等会使得监测值产生一定的误差；②由于流速测量值和模拟值均较小，使得产生较小的绝对数据偏差时会产生较大的误差.

由表 2中数据可知，总体来说，流速率定得到的中值误差为18.60%，小于20%.参考潮流模型关于个别测站流速的允许误差规定(不超过20%)(TJT/T233-98.海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程)，可以认为模型模拟结果合理.NS系数为0.81，大于0.80，可以认为模拟结果合理.

采用2014年6月25日实际监测值进行模型验证，具体结果如图 3、表 3所示.由表 3中数据可知，模型验证的中值误差为18.39%，小于20%，可以认为模型模拟结果合理.NS系数为0.81，大于0.80，可以认为模拟结果合理，可以应用模型进行后续工作.

图3(Fig.3)

图3 同里古镇区水系各监测断面流速验证结果(各断面编号对应的断面名称见表 3) Fig.3 Validation results of velocities of river network of Tongli town

表3(Table 3)

表3 同里古镇区水系各监测断面流速验证结果 Table 3 Validation error results of velocities of river network of Tongli town

表3 同里古镇区水系各监测断面流速验证结果 Table 3 Validation error results of velocities of river network of Tongli town 编号 监测断面 监测值/ (m · s-1) 模拟值/ (m · s-1) 相对误差 中值 误差 NS系数 1 饮马桥 0.110 0.091 16.91% 2 德春桥 0.066 0.063 3.73% 3 吉利桥 0.086 0.063 27.13% 4 吉利-泰安中 0.092 0.057 38.10% 5 泰安桥 0.122 0.105 13.54% 18.39% 0.81 6 蒋家桥 0.038 0.043 -12.53% 7 蒋家-会川中 0.029 0.026 9.21% 8 会川桥 0.057 0.026 55.36% 9 中川桥 0.055 0.037 33.06% 10 小川-东川中 0.178 0.144 18.90% 11 东川桥 0.168 0.164 2.39%

同里古镇区水系整体流速偏低，有些区域不仅肉眼无法识别流动状态，影响古镇区整体旅游形象；同时不符合生态流速的要求，不利于水质的改善.根据同里古镇区流速达到0.05~0.10 m · s^-1这一目标，对同里古镇区水系的出入流口水量分配方案、增加阻水堰方案等不同方案进行模拟分析，为方案的优选提供有力支持.以下主要研究水系各个出入流口水量分配方案对古镇水系整体空间分布的影响.

由于同里古镇区水系各个出入流口均有设有闸坝，可认为可控制出入流量，因此，模拟不同的流量分配方案，分析不同流量分配方案下水系水动力状况.根据实际情况，在进水闸门(出入流口1)和饮马桥(出入流口2)分别建有泵站，可从外部大运河或下游同里湖调水进入古镇水系.同时，考虑到同里古镇区内游客分布的情况，游客集中区域为景区南大门(中川桥附近)和三桥区域(吉利桥附近)，需要保证一定的流速以满足景观要求.而小川桥至外河闸口段属于居民区，附近有浴场，水质最差，需要适当提升流速为水质改善方案的实行提供保证.

综合考虑上述因素，同时根据现有泵的调水能力、古镇水系整体水量、经济因素、场地因素等其他各类因素综合考虑，制定了从出入流口1入流、从出入流口1、2同时入流，其他各个出流口按自然状态出流或进行适当的流量分配出流等共8个情景，各情景的具体出入流条件如表 4所示.

表4(Table 4)

表4 各模拟情景基本出入流情况 Table 4 Inflow and outflow condition of different simulation scenario

表4 各模拟情景基本出入流情况 Table 4 Inflow and outflow condition of different simulation scenario 情景编号 各出入流口的具体情况 1 2 3 4 5 6 7 8 情景1 +0.42 m3 · s-1(24 h) 自然状态(所有闸门均完全打开状态) 情景2 +0.42 m3 · s-1(24 h) -40% -10% 0 -10% 0 0 -40% 情景3 +0.23 m3 · s-1(24 h) 自然状态(所有闸门均完全打开状态) 情景4 +0.23 m3 · s-1(24 h) -40% -10% 0 -10% 0 0 -40% 情景5 +0.42 m3 · s-1(24 h) +0.5 m3 · s-1(24 h) 0 0 0 0 0 -100% 情景6 +0.42 m3 · s-1(24 h) +0.5 m3 · s-1(24 h) -10% 0 -10% 0 0 -80% 情景7 +0.23 m3 · s-1(24 h) +0.5 m3 · s-1(24 h) 0 0 0 0 0 -100% 情景8 +0.23 m3 · s-1(24 h) +0.5 m3 · s-1(24 h) -10% 0 -10% 0 0 -80% 注：入流为+，出流为-，出流口流量中的百分比为该出流口流量占总入流量的百分比.

对上述8种情景进行模拟，分析比较断面①~⑦的流速情况.图 4a为饮马桥不进水的4种模拟情景下，断面①~⑦流速比较情况.在进水泵站入流量一定的情况下，调节各个出流口的流量分配，可以使得部分监测断面的流速增加，但相应的，其他部分监测断面流速会减小.如图 4a所示，增加饮马桥处出流量后，虽然吉利桥断面流速得到增加，但监测断面⑤流速明显减小.而在相同条件下，进水泵站入流量为0.42 m³ · s^-1时，整体流速更大.但主要断面的流速仍小于0.05 m · s^-1，说明在饮马桥不进水的情况下，同里古镇水系整体流速偏小，未达到合理的控制生态流速范围.

图4(Fig.4)

图4 不同情景情况下各断面模拟流速情况 Fig.4 Simulated velocities of different section in different scenario

图 4b为进水泵站进水的同时，饮马桥处入流为0.5 m³ · s^-1，且1天24 h持续进水的情况下，4种不同情景的7个断面流速模拟情况.可以看出，当饮马桥处同时入流时，进水泵站处入流量大小的改变，对各个断面整体的流速影响相较于饮马桥处不入流时明显减小.游客集中三桥区域(断面⑤)和景区南大门中川桥(断面⑥)流速基本达到0.05 m · s^-1，水动力状况较好.不过，此时蒋家桥-吉利桥段(断面①)流速相对较小.

图 4c为在进水泵站保持入流量为0.42 m³ · s^-1时，其他出入流口不同流量的情景模拟.由图 4c可以看出，在饮马桥处增加0.5 m³ · s^-1的入流量，且1天24 h持续入水的情况下，同里古镇水系整体流速明显增加，尤其是三桥区域(断面⑤)和景区南大门中川桥(断面⑥)，流速接近0.04 m · s^-1左右.在饮马桥增加0.5 m³ · s^-1(24 h)的流量后，饮马桥进水流量与进水泵站进水量基本一致，这导致吉利桥-蒋家桥段(断面①)流速较小，相对饮马桥不进水时的流速要小.

综合图 4分析可知，要使得同里古镇区水系整体水动力状况较好，同时保证重点区域，尤其是游客容易集中的三桥区域和景区南大门中川桥的流速较大，可以选择的情景方案包括情景6和情景8.同时，考虑到水动力条件对水质的影响，通过文献调研得到的同里古镇合理控制流速范围为0.05~0.10 m · s^-1.情景6情况下，同里古镇区水系整体流速分布更平均，基本达到0.05 m · s^-1.因此，综合考虑水质和水动力因素，情景6方案相对较好.

1)本研究通过现场实地监测，获取了同里古镇区水动力数据，并对同里古镇区水动力现状进行分析，发现同里古镇区水系整体流速较小，76%的实测断面流速小于0.05 m · s^-1.

2)水质和水动力情况密切相关，然而同里古镇区缺乏系统的水质监测数据，为了在改善水动力状态的情况下为水质的改善提供良好的基础，需要确认合理的参考流速范围.在文献调研了国内关于河流的流速与水质相关关系、生态流速，以及同里古镇周围区域藻类暴发的临界流速等的情况，结合同里古镇区现状的流速情况和可能的经济、场地等因素，认为同里古镇合理的控制流速为0.05~0.10 m · s^-1.

3)基于EFDC水动力模块，建立了同里古镇区河网水动力模型，并应用于同里古镇区水系的水动力状况模拟.根据实际可能情况，设计了8种模拟情景，通过模型进行情景分析.结合文献调研得到的合理控制流速，综合分析比较，认为情景6方案，即进水泵站进水0.42 m³ · s^-1，饮马桥同时保持以0.5 m³ · s^-1的流量24 h持续进水，大东溪桥和会川桥出流口各出流10%，外河闸口出流口出流80%，其余出流口不出流，对同里古镇区水系整体水动力改善，以及水质改善效果较好.

与同里古镇类似，大多水乡古镇内水网密布，然河道人工化严重，水深较浅，河道内水流滞流情况严重，不仅影响了水乡古镇“小桥流水人家”的特色风貌，且对古镇水质的进一步改善，水环境的整体提升，以及对当地居民的生活环境改善，对当地旅游业的开发和发展都有不利的影响.且这些水乡古的水环境改善也面临着很多棘手的问题.与大江大河不同，水乡古镇水系范围较小，水系复杂，古镇区水系内部的水动力、水质相关历史数据可得性差，面临严重的数据稀缺问题.同时，众多水乡古镇由于其历史文化和自然风光价值，具有良好的旅游开发可能性.在提出水环境改善方案时，需要重点考虑到对当地旅游开发的影响，尤其是在经济、场地、水环境感官指标等因素上.

本研究中，以同里古镇区水网为实例，通过实地考察、现场监测、文献调研等多种方式，综合环境、经济等各方因素提出的对同里古镇区水环境改善较为适宜的生态流速范围为0.05~0.10 m · s^-1.并在数据稀缺的情况下通过建立EFDC模型对同里古镇区水网进行了水动力优化调控方案研究.这些研究经验对其他水乡古镇的水环境研究，尤其是江南地区的水乡古镇水环境改善方案研究具有显著的借鉴意义.