引水調(diào)度改善太湖流域無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)水環(huán)境方案研究

陸一維，逄 勇，周冉冉

(1. 河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098; 2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

1 前 言

近年來(lái)，伴隨著長(zhǎng)三角城市工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市化的快速推進(jìn)，太湖流域水環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。污水治理能力的不足、水資源管理不當(dāng)?shù)仍蚋菍?dǎo)致該區(qū)域內(nèi)水環(huán)境持續(xù)惡化，COD、氨氮和總磷等多項(xiàng)指標(biāo)濃度超過(guò)控制目標(biāo)[1]。雖然各級(jí)政府加大治污力度，污水排放逐年減少，但是污染物入河、入湖量仍然很大，水環(huán)境惡化趨勢(shì)未能從根本上得到扭轉(zhuǎn)。

調(diào)水工程作為改善水質(zhì)的一種措施，在國(guó)內(nèi)外均有不少成功的案例。1964年，日本從利根川和荒川引入清水，加強(qiáng)了隅田川河網(wǎng)水動(dòng)力，一定程度上提升了河流的水質(zhì)[2]。美國(guó)通過(guò)引調(diào)Mississippi河水到Pontchartrain湖，改善了Pontchartrain湖的水環(huán)境[3]。21世紀(jì)以來(lái)，為了改善太湖流域河網(wǎng)水環(huán)境，周?chē)鞘虚_(kāi)展了眾多不同規(guī)模的調(diào)水試驗(yàn)工程[4]?！耙瓭?jì)太”調(diào)水工程，改善了太湖及周邊水系的富營(yíng)養(yǎng)化等水環(huán)境問(wèn)題，保證了太湖水源地的水質(zhì)安全，也保證了下游城市的供水水質(zhì)[5～8]。

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)河道流動(dòng)性差、污染嚴(yán)重，大部分河道水質(zhì)處于Ⅴ類(lèi)以及劣Ⅴ類(lèi)水平，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低[9]。為了改善區(qū)域水環(huán)境，無(wú)錫市擬優(yōu)化區(qū)域水利工程調(diào)度。本文結(jié)合運(yùn)東片區(qū)的水系現(xiàn)狀、規(guī)劃情況以及水利工程的布局，利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬設(shè)定方案對(duì)骨干河道水環(huán)境的改善效果，從而提出合理有效的引調(diào)水實(shí)施方案，為區(qū)域水環(huán)境改善提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)主要是指京杭大運(yùn)河以東區(qū)域，包括：江陰市、梁溪區(qū)、錫山區(qū)、新吳區(qū)和惠山區(qū)，總面積1 814 km2。該區(qū)域北濱長(zhǎng)江，南臨運(yùn)河，屬于感潮平原河網(wǎng)地區(qū)，水系發(fā)達(dá)、水利工程密集、水文條件復(fù)雜、地勢(shì)平坦，形成獨(dú)具特色的江河湖連通水網(wǎng)絡(luò)格局。

根據(jù)《2016年無(wú)錫市水資源公報(bào)》，全市主要水域162個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中，水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅱ類(lèi)的斷面有8個(gè)，占總監(jiān)測(cè)斷面數(shù)的5.0%，評(píng)價(jià)為Ⅲ類(lèi)的斷面有19個(gè)，占12.0%，Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)分別占57.0%和12.7%，其余為劣Ⅴ類(lèi)，占13.3%。研究區(qū)域水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率如下：江陰市61.5%，惠山區(qū)23.1%，錫山區(qū)27.3%，梁溪區(qū)0.0%，新吳區(qū)12.5%，主要超標(biāo)因子為氨氮和總磷。研究區(qū)域內(nèi)除江陰市外，其余片區(qū)達(dá)標(biāo)率均較低，急需通過(guò)引調(diào)水來(lái)增強(qiáng)水體流動(dòng)性，改善水環(huán)境。

2.2 研究方法

河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的錯(cuò)綜復(fù)雜性是研究平原感潮河網(wǎng)問(wèn)題的一大難題，需借助數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬出河網(wǎng)的水動(dòng)力以及水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。本文通過(guò)收集的水文、污染源和水質(zhì)等資料，結(jié)合區(qū)域防洪排澇的特征及水環(huán)境特性，構(gòu)建運(yùn)東片區(qū)河網(wǎng)水量水質(zhì)模型。通過(guò)模型計(jì)算來(lái)模擬每個(gè)方案對(duì)運(yùn)東片區(qū)水環(huán)境的改善效果，從而得出最優(yōu)的引水調(diào)度方案。

2.2.1 模型基本原理

2.2.1.1 水量模型方程

水量模型是水文模型和水動(dòng)力學(xué)模型的耦合，水動(dòng)力方程采用動(dòng)質(zhì)量守恒圣維南方程組，方程組如下：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；Z為水位，m；Bw為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬，m；q為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)，m3/s；x為沿水流方向空間坐標(biāo)，m；A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；u為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；B為主流斷面寬度，m；n為糙率；R為水力半徑，m。

此方程采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分法進(jìn)行求解。先求解各節(jié)點(diǎn)處的水位，然后將各節(jié)點(diǎn)水位回代求得各單一河道各微斷面水位及流量[10]。

2.2.1.2 水質(zhì)模型方程

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)模型水體中污染物對(duì)流擴(kuò)散方程表述如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程，式(3)是河道叉點(diǎn)方程。式中A是河道面積，m2；C是水流輸送的物質(zhì)濃度，mg/L；t是時(shí)間，s；Q為流量，m3/s；x為沿水流方向空間坐標(biāo)，m；Ex是縱向分散系數(shù)，m2/s；Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)，例如可寫(xiě)為Sc=KdAC；Kd是衰減因子，1/s；S是外部的源或匯項(xiàng)；I是與節(jié)點(diǎn)j相聯(lián)接的河道編號(hào)；j是節(jié)點(diǎn)編號(hào)；Ω是河道叉點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)的水面面積，m2；Z為水位，m。

時(shí)間項(xiàng)采用向前差分的方式，對(duì)流項(xiàng)則采用上風(fēng)格式求解，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式進(jìn)行離散求解[11-12]。

2.2.2 模型構(gòu)建

2.2.2.1 計(jì)算范圍的確定

結(jié)合無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)防洪排澇的特征及水環(huán)境特性，本次選擇一維非穩(wěn)態(tài)模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水量水質(zhì)模擬分析[13-14]。

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)主要由白屈港、錫澄運(yùn)河和梁溪河等骨干河道引水進(jìn)行活水，因此確定這部分區(qū)域?yàn)楸敬窝芯康脑u(píng)價(jià)區(qū)域(圖1藍(lán)色包圍的區(qū)域)?？紤]到邊界條件穩(wěn)定性以及水系完整性等因素，確定計(jì)算邊界為東至望虞河、西至澡港河—武進(jìn)港、南至太湖、北至長(zhǎng)江。邊界內(nèi)區(qū)域則為本次研究的計(jì)算區(qū)域(圖1紅色包圍的區(qū)域)。

圖1 模型計(jì)算區(qū)域及評(píng)價(jià)區(qū)域范圍Fig.1 Distribution of model calculation area and evaluation area

2.2.2.2 河網(wǎng)概化

本次河網(wǎng)概化以計(jì)算范圍內(nèi)骨干河道為基礎(chǔ)進(jìn)行合理概化(圖2)，評(píng)價(jià)區(qū)域部分加密至村級(jí)河道[15-16]。

圖2 河道概化Fig.2 River generalization

2.2.2.3 污染源概化

污染源分為點(diǎn)源和面源。點(diǎn)源包括無(wú)錫市2016年污水廠(chǎng)和直排工業(yè)企業(yè)源。面源包括農(nóng)村生活污染源、城鎮(zhèn)生活污染源(直排部分)、畜禽養(yǎng)殖污染源、農(nóng)田面源及地表徑流污染源，可根據(jù)《2017年無(wú)錫統(tǒng)計(jì)年鑒》中人口、耕地面積及畜禽養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)推算得出。點(diǎn)源根據(jù)污水廠(chǎng)和企業(yè)排污口的污水量和位置直接加入到河網(wǎng)中，面源根據(jù)流入的河道均勻分布概化到相應(yīng)位置的河道中。

2.2.3 模型參數(shù)率定驗(yàn)證

模型邊界條件選取2012年長(zhǎng)江實(shí)測(cè)潮位、太湖實(shí)測(cè)水位以及2016年監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)值。根據(jù)2016年無(wú)錫市水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，氨氮、總磷超標(biāo)嚴(yán)重，故本次水質(zhì)率定只考慮氨氮和總磷指標(biāo)。

2.2.3.1 水動(dòng)力率定驗(yàn)證結(jié)果

為保證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，水動(dòng)力率定驗(yàn)證綜合了汛期和非汛期兩種情況。選擇2012年最大7日、2012年11月和12月實(shí)測(cè)降雨、潮位以及水位資料進(jìn)行率定，選擇2013年7月和2014年1月實(shí)測(cè)降雨、潮位以及水位資料進(jìn)行驗(yàn)證。選取計(jì)算范圍內(nèi)有實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)的無(wú)錫站、陳墅站、青旸站和甘露站水文數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證。率定得到的主要參數(shù)如下：河道糙率的取值范圍為0.015至0.02。率定驗(yàn)證結(jié)果顯示各站水位的變化趨勢(shì)基本合理，峰值較為接近，最大平均誤差為6.1 cm，說(shuō)明模型選取參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果較為可靠。各水文站水位率定驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水位率定驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 Verification results of water level calibration

2.2.3.2 水質(zhì)率定驗(yàn)證結(jié)果

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)地處長(zhǎng)江三角洲沖積平原武澄錫虞區(qū)內(nèi)，根據(jù)《太湖流域水環(huán)境容量計(jì)算與“十三五”規(guī)劃方案治理目標(biāo)及污染控制總量分配研究專(zhuān)題報(bào)告》中武澄錫虞區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)模型率定參數(shù)，取運(yùn)東片區(qū)主要水質(zhì)指標(biāo)降解系數(shù)如表2。

表2 模型水質(zhì)參數(shù)取值Tab.2 Value of water quality parameters in model

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算范圍內(nèi)2016年1～3月28個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)平均值，驗(yàn)證結(jié)果顯示各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)基本合理，誤差在15%以?xún)?nèi)。模型計(jì)算結(jié)果整體上反映了運(yùn)東片區(qū)的水質(zhì)狀況，表明模型水質(zhì)參數(shù)選取可靠。

3 結(jié)果與分析

3.1 引水方案及調(diào)度規(guī)則

無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)南濱運(yùn)河，北接長(zhǎng)江，運(yùn)河水質(zhì)常年為Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水，水質(zhì)較差，長(zhǎng)江江陰段水質(zhì)可達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好。此外，長(zhǎng)江(大通站)多年平均流量約2.83萬(wàn)m3/s，沿江有白屈港翻水站、新溝河翻水站等大規(guī)模閘站，水量充足，調(diào)度相對(duì)容易。將運(yùn)東片區(qū)分為5個(gè)分區(qū)(錫澄運(yùn)河以西片、錫澄運(yùn)河以東片、運(yùn)東大包圍片、走馬塘以西片、走馬塘以東片)，以長(zhǎng)江為水源地，結(jié)合已建、在建或擬建的沿江泵站，提出合理的引水方案，研究各方案對(duì)5個(gè)分區(qū)的水質(zhì)效果。運(yùn)東片區(qū)各調(diào)水分區(qū)以及引調(diào)水方案見(jiàn)圖3，各引水方案及調(diào)度規(guī)則如下。

圖3 運(yùn)東片區(qū)調(diào)水分區(qū)以及引調(diào)水方案示意圖Fig.3 Schematic map of water diversion area and scheme in the Yundong District

3.1.1 方案1：利用白屈港抽水站調(diào)水引流

在現(xiàn)狀條件下，利用白屈港抽水站抽調(diào)長(zhǎng)江水，對(duì)運(yùn)東片實(shí)施調(diào)水，改善區(qū)域水環(huán)境，實(shí)際調(diào)水流量為80 m3/s。

調(diào)度運(yùn)行規(guī)則：通過(guò)模型試算，白屈港東西側(cè)控制閘門(mén)均打開(kāi)時(shí)，兩側(cè)支流分流較大，只有較小流量能夠進(jìn)入運(yùn)東大包圍片區(qū)，對(duì)無(wú)錫市區(qū)改善效果較差。因此關(guān)閉白屈港西側(cè)控制閘門(mén)，東線(xiàn)控制閘門(mén)適度開(kāi)啟，控制向東泄流量為45 m3/s左右，用于改善錫澄運(yùn)河以東片區(qū)。其余流量通過(guò)新建張村立交地涵進(jìn)入運(yùn)東大包圍片區(qū)。

3.1.2 方案2：利用白屈港抽水站以及錫澄運(yùn)河抽水站同時(shí)調(diào)水引流

在白屈港調(diào)水80 m3/s基礎(chǔ)上，利用規(guī)劃新建的錫澄運(yùn)河泵站抽調(diào)長(zhǎng)江水60 m3/s，并通過(guò)東橫河和應(yīng)天河對(duì)白屈港進(jìn)行補(bǔ)水30 m3/s，協(xié)助白屈港進(jìn)行調(diào)水引流，此時(shí)白屈港調(diào)水總流量達(dá)到110 m3/s。

調(diào)度運(yùn)行規(guī)則：錫澄運(yùn)河引水60 m3/s，其中30 m3/s補(bǔ)給白屈港，其余通過(guò)南閘控制閘泄流，用于改善錫澄運(yùn)河以西片區(qū)水環(huán)境。其余調(diào)度規(guī)則與方案1一致，此方案進(jìn)入無(wú)錫市區(qū)清水流量更大，調(diào)水效果預(yù)期較好。

3.1.3 方案3：澄西片引水調(diào)度方案

澄西片距離錫澄運(yùn)河和白屈港清水通道較遠(yuǎn)，調(diào)水效果效益較小。由于該區(qū)域臨近長(zhǎng)江，可充分發(fā)揮地理優(yōu)勢(shì)，利用長(zhǎng)江潮位，引排江水，對(duì)澄西片單獨(dú)進(jìn)行暢流活水。在現(xiàn)狀情況下可利用長(zhǎng)江高潮位時(shí)開(kāi)啟桃花港上的新河閘和利港上的閘門(mén)，引入長(zhǎng)江水，在長(zhǎng)江低潮位時(shí)，開(kāi)啟蘆埠港和申港上的沿江閘門(mén)自排污水(具體引排流量流速以長(zhǎng)江潮位為基礎(chǔ)，本次采用2012年11月和12月長(zhǎng)江潮位資料)。引水期間西橫河西閘和臨近的常州境內(nèi)的閘門(mén)均為關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 各方案效果分析

經(jīng)過(guò)模型計(jì)算模擬各引水方案及調(diào)度規(guī)則水質(zhì)變化情況，水質(zhì)結(jié)果選取評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)29個(gè)斷面持續(xù)調(diào)水10天后的氨氮濃度值。計(jì)算可得調(diào)水后的各片區(qū)達(dá)標(biāo)率以及各斷面水質(zhì)類(lèi)別，與現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如下。

3.2.1 方案1調(diào)水方案效果分析

方案1白屈港調(diào)水流量為80 m3/s，澄東片分流47.7 m3/s，進(jìn)入大包圍25.7 m3/s。方案1調(diào)水條件下持續(xù)調(diào)水10天后，運(yùn)東大包圍片區(qū)和走馬塘以東片區(qū)各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)改善效果較好，錫澄運(yùn)河以東片區(qū)、走馬塘以西片區(qū)和錫澄運(yùn)河以西片區(qū)各斷面水質(zhì)改善效果一般。運(yùn)東片區(qū)總體達(dá)標(biāo)率從31.0%提升至37.9%，各分區(qū)達(dá)標(biāo)率情況見(jiàn)表3。

方案1條件下調(diào)水后5個(gè)片區(qū)29個(gè)斷面中，水質(zhì)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)的有1個(gè)，占比3.5%；Ⅲ類(lèi)的有7個(gè)，占比24.1%；Ⅳ類(lèi)的有6個(gè)，占比20.7%；Ⅴ類(lèi)的有12個(gè)，占比41.4%，劣Ⅴ類(lèi)的有3個(gè)，占比10.3%，水質(zhì)類(lèi)別占比情況見(jiàn)表4。

表3 方案1各片區(qū)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況Tab.3 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections in Scheme 1 (%)

表4 現(xiàn)狀及方案1水質(zhì)類(lèi)別占比情況對(duì)比Tab.4 Comparison of water quality categories between Scheme 1 and current situation

3.2.2 方案2調(diào)水方案效果分析

方案2在白屈港調(diào)水80.0 m3/s基礎(chǔ)上，錫澄運(yùn)河抽水站抽引60.0 m3/s，通過(guò)東橫河和應(yīng)天河對(duì)白屈港進(jìn)行補(bǔ)水30.0 m3/s，協(xié)助白屈港進(jìn)行調(diào)水引流，其余通過(guò)南閘控制閘泄流，對(duì)錫澄運(yùn)河以西片進(jìn)行暢流活水。白屈港路線(xiàn)總調(diào)水110.0 m3/s，澄東片分流50.5 m3/s，進(jìn)入大包圍60.0 m3/s。

由于從錫澄運(yùn)河補(bǔ)水30.0 m3/s，明顯增加了進(jìn)入大包圍的流量，持續(xù)調(diào)水穩(wěn)定情況下，進(jìn)入大包圍有60.0 m3/s。同時(shí)通過(guò)南閘控制閘泄流的30.0 m3/s，對(duì)錫澄運(yùn)河以及錫澄運(yùn)河以西地區(qū)的水環(huán)境有一定的改善效果。方案2條件下持續(xù)調(diào)水10天后，運(yùn)東大包圍片區(qū)和走馬塘以西片區(qū)各斷面水質(zhì)改善效果好，錫澄運(yùn)河以東片區(qū)和走馬塘以東片區(qū)各斷面水質(zhì)改善效果較好，錫澄運(yùn)河以西片區(qū)(包括錫澄運(yùn)河)各斷面水質(zhì)改善效果一般。運(yùn)東片區(qū)總體達(dá)標(biāo)率從31.0%提升至55.2%，各分區(qū)達(dá)標(biāo)率情況見(jiàn)表5。

表5 方案2各片區(qū)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)(氨氮)達(dá)標(biāo)率情況Tab.5 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections between Scheme 2 (%)

方案2條件下調(diào)水后5個(gè)片區(qū)29個(gè)斷面中，水質(zhì)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)水的有2個(gè)，占比6.9%；Ⅲ類(lèi)的有8個(gè)，占比27.6%；Ⅳ類(lèi)的有11個(gè)，占比37.9%；Ⅴ類(lèi)的有8個(gè)，占比27.6%，無(wú)劣Ⅴ類(lèi)斷面，水質(zhì)類(lèi)別占比情況見(jiàn)表6。

表6 現(xiàn)狀及方案2水質(zhì)類(lèi)別占比情況對(duì)比Tab.6 Comparison of water quality categories between Scheme 2 and current situation

3.2.3 方案3調(diào)水方案效果分析

方案3利用長(zhǎng)江潮位的變化，自引長(zhǎng)江水，對(duì)錫澄運(yùn)河以西片區(qū)西部澄西片水環(huán)境的改善有一定效果，此方案的具體引排數(shù)據(jù)與長(zhǎng)江潮位有關(guān)，并不固定。方案3條件下持續(xù)調(diào)水10天后，錫澄運(yùn)河以西片區(qū)各斷面水質(zhì)改善效果較好，斷面達(dá)標(biāo)率從現(xiàn)狀14.3%提升到71.4%。此方案結(jié)合方案2同時(shí)調(diào)水可整體改善運(yùn)東片區(qū)水質(zhì)，總體達(dá)標(biāo)率從現(xiàn)狀31.0%提升至65.5%。

方案3條件下調(diào)水后錫澄運(yùn)河以西片區(qū)7個(gè)斷面中，水質(zhì)類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)水的有3個(gè)，占比42.9%；水質(zhì)類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)水的有2個(gè)，占比28.6%；水質(zhì)類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)水的有2個(gè)，占比28.6%，水質(zhì)類(lèi)別占比情況見(jiàn)表7。

表7 現(xiàn)狀及方案3水質(zhì)類(lèi)別占比情況對(duì)比Tab.7 Comparison of water quality categories between Scheme 3 and current situation

4 結(jié) 論

本文通過(guò)構(gòu)建無(wú)錫市運(yùn)東片區(qū)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬3種引調(diào)水方案對(duì)水環(huán)境的改善效果，得到以下結(jié)論：

方案1白屈港調(diào)水方案與方案2白屈港和錫澄運(yùn)河同時(shí)調(diào)水方案比較，方案2各斷面水質(zhì)更好，各片區(qū)斷面達(dá)標(biāo)率也更高，總體達(dá)標(biāo)率從31.0%提升至55.2%。方案2中澄西片區(qū)(錫澄運(yùn)河以西片區(qū)西部區(qū)域)調(diào)水受益較小，水質(zhì)難以改善，方案3澄西片調(diào)水方案一定程度改善了澄西片區(qū)水環(huán)境。因此最終確定方案2結(jié)合方案3一同調(diào)水，即可更好地改善運(yùn)東片區(qū)整體水環(huán)境，總體達(dá)標(biāo)率從現(xiàn)狀31.0%提升至65.5%。