改善杭嘉湖河網(wǎng)水環(huán)境水利工程總體布局及效果分析

章宏偉 李曉燕 黃 昉

（1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002；2.國家海洋局 第二研究所，浙江 杭州310012）

0 前言

近十余年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及缺乏有效的保護(hù)措施，杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)日趨惡化，部分城市水源地在枯水季節(jié)的水質(zhì)甚至為劣Ⅴ類，不僅存在較大的安全隱患，長期引用還嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝罕姷纳钯|(zhì)量和身體健康。在感潮河網(wǎng)地區(qū)，調(diào)水引流是一項重要的改善水環(huán)境的措施。本文從水利角度出發(fā)，結(jié)合區(qū)域水文特性及水質(zhì)狀況，研究改善杭嘉湖水環(huán)境的水利工程總體布局，并通過一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，分析實施后的效果，為工程建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 區(qū)域水文特性及水質(zhì)狀況

1.1 水文

（1）水位

杭嘉湖地區(qū)水位具有如下特點：除了洪汛期東、西苕溪受山區(qū)洪水影響水位較陡外，其余時間各點水位差異不大，河網(wǎng)水面坡降平緩，基本在1/100000左右；平枯水期水位總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低之勢，即西部山區(qū)高、東部平原低，北面太湖高、南面河網(wǎng)低。汛期水位則有所不同，表現(xiàn)為西南高、東北低，水流流向為北入太湖和往東進(jìn)入黃浦江。

（2）水量

杭嘉湖平原河網(wǎng)北面受太湖水位控制，西面承接山區(qū)來水，東面則受黃浦江潮汐影響，因而與周邊水體之間存在密切的水量交換。

與太湖水量交換是以太湖逆流進(jìn)入杭嘉湖地區(qū)為主，與江蘇、上海水量交換總體以北排入江蘇、東泄入黃浦江為主。2002年～2007年，凈水量為太湖進(jìn)入杭嘉湖地區(qū)7.86億m3；杭嘉湖地區(qū)北排進(jìn)入江蘇境內(nèi)6.49億m3，東排進(jìn)入上海境內(nèi)49.53億m3。

1.2 水質(zhì)

2005年杭嘉湖地區(qū)廢水排放總量為7.47億m3，其中，工業(yè)廢水3.60億m3，生活污水3.87億m3。根據(jù)杭州、嘉興和湖州三市的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，杭嘉湖地區(qū)地表水質(zhì)為Ⅱ～劣Ⅴ類，其中Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占總斷面數(shù)的31.8%，Ⅳ類占15.9%；Ⅴ～劣Ⅴ類占52.3%，主要超標(biāo)因子為氨氮、總磷、BOD5、CODMn和DO。從各水系來看，以東、西苕溪水質(zhì)最好，基本在II類～I(xiàn)II類；湖州河網(wǎng)和泗安溪水系其次，主要為III類～Ⅳ類；杭州河網(wǎng)、嘉興河網(wǎng)和運河水質(zhì)最差，普遍在Ⅴ類～劣Ⅴ類。

2 總體布局研究

水利工程調(diào)水引流改善水質(zhì)的原理主要是增加引入清水量，稀釋河水，降低污染物的濃度，調(diào)活河網(wǎng)水體，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，并使污水不再在感潮河流中回蕩積存[1]。因此，研究水利工程總體布局時必須先分析杭嘉湖地區(qū)實施調(diào)水引流的各種條件。

2.1 引用水源分析

錢塘江每年有近300億m3的下泄水量，其杭州段水質(zhì)平均在III類左右；西面的東、西苕溪流域面積均超過2000km2，不僅山區(qū)來水豐富，而且水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～I(xiàn)II類；目前南太湖水質(zhì)平均在III～Ⅳ類。錢塘江、苕溪和太湖的水質(zhì)均要好于平原河網(wǎng)水質(zhì)，具備調(diào)水引流的基本條件。

2.2 調(diào)水引流動力條件分析

目前沿錢塘江北岸建有鹽官排澇樞紐、長山閘和南臺頭閘等水利工程，通過杭州灣低潮位時開閘排水，加大苕溪、太湖與嘉興河網(wǎng)的水位差，增加引清水入嘉興的能力。錢塘江、杭州灣與平原河網(wǎng)之間的水位差為調(diào)水引流提供了天然的動力條件。

2.3 調(diào)水試驗的實踐

2005年和2007年杭嘉湖地區(qū)先后進(jìn)行了兩次大規(guī)模的南排調(diào)水試驗。試驗結(jié)果表明，利用現(xiàn)有的南排工程為區(qū)域內(nèi)河流置換水體，對改善水質(zhì)具有十分顯著的效果。以2005年調(diào)水試驗為例，調(diào)水后，在河網(wǎng)干流的31個監(jiān)測斷面中，高錳酸鹽指數(shù)符合III類水體的監(jiān)測斷面增加了12個，增加38.7%；氨氮劣于V類水體監(jiān)測斷面減少了4個，減少13.0%；總磷符合III類水體的監(jiān)測斷面增加了9個，增加29.0%。

2.4 總體布置方案

杭嘉湖地區(qū)改善河網(wǎng)水環(huán)境骨干水利工程由錢塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、環(huán)湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程及擴(kuò)大杭嘉湖南排工程等6項工程組成。其總體布置原則是：在“治污為本”的前提下，加強(qiáng)源頭保護(hù)，保證苕溪清水入湖；同時通過增加水的流動性，確保錢塘江和太湖清水在杭嘉湖東部平原能“進(jìn)得來、流得動、排得出”，以達(dá)到“以動治靜，以清釋污，以豐補(bǔ)枯，改善水質(zhì)”的效果。

3 一維河網(wǎng)水質(zhì)模型建立及工程效果分析

運用MIKE11軟件的水動力模塊 (HD模塊)、對流擴(kuò)散模塊（AD模塊）[2]，模擬計算杭嘉湖地區(qū)水利工程總體布置方案實施前后的河網(wǎng)水動力及水質(zhì)變化情況。

3.1 模型建立

3.1.1 河網(wǎng)概化

北以太湖和太浦河為界；西北分別取合溪水庫和泗安塘的天平橋，包括整個長興平原；西苕溪邊界取橫塘村；東苕溪邊界取余杭，并考慮了中苕溪、北苕溪、余英溪和埭溪區(qū)間匯流情況；南以錢塘江北岸為界；東至上海的米市渡。模擬河道共計254條，18個閘節(jié)點，6個泵站，布設(shè)3000余個實測斷面。

3.1.2 污染源概化

入河排污口概化是在2006年浙江省水文局調(diào)查統(tǒng)計杭嘉湖地區(qū)主要入河排污口的基礎(chǔ)上，再根據(jù)污水排放去向和就近排放原則，分點源和面源兩種類型放入概化河道。

3.1.3 邊界條件

模型驗證計算選擇2005年杭嘉湖地區(qū)的實測水文條件進(jìn)行復(fù)演，方案計算選擇太湖流域1971年型枯水年水文條件。

3.2 模型驗證

3.2.1 水位

選擇11個較有代表性水位站點的2005年實測逐日水位過程對模型進(jìn)行驗證。限于篇幅，僅給出 “德清大橋”和“嘉興”2個站點的驗證過程。從逐日水位驗證結(jié)果來看，模型計算的逐日水位變化曲線與實測逐日水位變化曲線吻合良好，峰值水位基本接近。

3.2.2 流量

選擇 “杭長橋”和“三里橋”等2個流量站點的2005年實測逐日流量過程對模型進(jìn)行驗證。從驗證結(jié)果來看，2個流量站點模型計算的逐日流量變化曲線與實測逐日流量變化曲線吻合較好，峰值流量也較為接近。

3.2.3 水質(zhì)

以CODcr、NH3-N作為研究對象，模擬了杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)內(nèi)的CODcr、NH3-N濃度的時空分布情況，并選擇9個水質(zhì)監(jiān)測斷面實測資料對計算結(jié)果進(jìn)行驗證（限于篇幅，僅列出雙林驗證斷面）。

圖1

圖2

從計算的CODcr、NH3-N濃度變化曲線與實測值的比較情況來看：在大多數(shù)情況下，模型計算值與實測值吻合較好，各水質(zhì)監(jiān)測斷面的計算值與實測值相對誤差小于30%，在水質(zhì)模型允許的誤差范圍內(nèi)。

表1 工程實施前后代表斷面年均水質(zhì)變化

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 水位變化

由于疏通了5條主要入湖河道的“卡口”斷面，使太湖水體能較順暢進(jìn)入杭嘉湖東部平原腹地，平原河網(wǎng)最低水位較工程前均有不同程度提高；而通過南排閘門調(diào)度，平原河網(wǎng)最高水位總體有所降低；另外，從年均水位來看，除靠近南排出口的海寧、海鹽和平湖斷面略有降低以及靠近滬浙交界的紅旗塘大壩、嘉善斷面基本不變外，其余斷面年均水位均有抬高。表明工程實施后，太湖南岸與南排出口的水位差有所增大，有利于促進(jìn)太湖及東苕溪清潔水體向杭嘉湖東部平原水質(zhì)狀況較為惡劣的海寧、桐鄉(xiāng)、海鹽等地流動。

3.3.2 水量變化

導(dǎo)流八閘中德清大閘和洛舍閘進(jìn)入東部平原水量均有所增加，這主要是水利工程疏通了德清大閘、洛舍閘與東部平原京杭運河的連接河段，部分原本下泄進(jìn)入太湖的水量，經(jīng)南排閘門拉動后，轉(zhuǎn)而沿京杭運河和京杭古運河，流向嘉興的桐鄉(xiāng)、海寧、海鹽等地。入湖溇港各河道由于進(jìn)行了拓寬、疏浚，引水能力增加也十分明顯，但另一方面溇港地區(qū)水位抬升使得平原河網(wǎng)自西向東的水面坡降變緩，造成導(dǎo)流其余六閘水量下降。但從總水量來看，工程實施后通過東苕溪導(dǎo)流八閘和環(huán)湖河道進(jìn)入杭嘉湖東部平原的總水量，由40.44億m3提高到45.85億 m3，增加了 5.41億 m3，增幅 13.4%。

3.3.3 水質(zhì)變化

（1）由于南太湖和東苕溪上游來水水質(zhì)普遍好于杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)，經(jīng)水體置換后，河網(wǎng)水質(zhì)改善明顯，CODcr年均濃度值可降低約8.4%，NH3-N降低18.4%。

（2）從水質(zhì)指標(biāo)改善效果來看，工程對NH3-N水質(zhì)指標(biāo)的改善情況要好于CODcr。這是由于杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)的NH3-N濃度普遍較高，而引入的水體NH3-N濃度又相對較低，因而對降低NH3-N濃度十分有效。兩次杭嘉湖南排調(diào)水試驗也說明了這一點。

（3）從水質(zhì)改善范圍來看，杭嘉湖東部平原以京杭運河為界，運河以西的溇港地區(qū)水質(zhì)改善程度相對較小，而運河以東的海寧、海鹽、桐鄉(xiāng)、嘉興市區(qū)等地水質(zhì)改善效果明顯。

調(diào)水引流水質(zhì)改善效果與現(xiàn)狀河網(wǎng)水質(zhì)狀況有很大關(guān)系。杭嘉湖東部平原除了雙林塘以北河網(wǎng)水質(zhì)相對較好外，其余地區(qū)水質(zhì)普遍較差，且越往南面，各項水質(zhì)指標(biāo)濃度越高，水質(zhì)越差。水利工程實施后，將太湖及東苕溪導(dǎo)流港清潔水體引入雙林塘以南及運河以東區(qū)域，有效改善了這些區(qū)域水質(zhì)；而溇港地區(qū)由于其本身水質(zhì)相對較好，故其改善效果較不明顯。

4 結(jié)語

（1）杭嘉湖地區(qū)具備調(diào)水引流的水情和工情。改善杭嘉湖河網(wǎng)水環(huán)境的骨干水利工程總體布局為：錢塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、環(huán)湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程和擴(kuò)大杭嘉湖南排工程。

（2）運用一維河網(wǎng)水質(zhì)模型分析了工程實施后的效果，結(jié)果表明，運河以東的海寧、海鹽、桐鄉(xiāng)、嘉興市區(qū)等地水質(zhì)改善效果明顯，而運河以西的溇港地區(qū)水質(zhì)改善程度相對較小；杭嘉湖地區(qū)CODcr年均濃度值平均可降低約8.4%，NH3-N降低18.4%。

［1］徐貴泉，褚君達(dá).上海市引清調(diào)水改善水環(huán)境探討[J].水資源保護(hù)，2001，3，26-30.

［2］Mike11：user&reference manual[R].Danish Hydraulics Institute，Horsholm，Denmark.2000.