引水改善平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)效果評估

許益新，李一平，羅育池，余香英，蔣婧媛，羅 凡

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

平原感潮河網(wǎng)地勢平坦，水流緩慢，同時受潮汐作用和泵閘調(diào)度的影響，往復(fù)流現(xiàn)象明顯，抗污染能力較弱。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，平原感潮河網(wǎng)地區(qū)水資源高度開發(fā)利用，水環(huán)境質(zhì)量日益下降[1]。利用平原感潮河網(wǎng)緊鄰大江大河的優(yōu)勢，根據(jù)潮汐變化進行引水、排水，構(gòu)建科學(xué)有序的水循環(huán)體系，促進河道水體流動，提高水體稀釋能力，從而達到改善水環(huán)境質(zhì)量的效果[2]。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型是用來模擬和預(yù)測污染物混合、遷移、轉(zhuǎn)化過程的重要工具之一，在定量分析引水改善河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量效果方面發(fā)揮著重要作用[3]。

目前，對于引水改善河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)效果的研究多集中于特定引水流量[4]、引水水質(zhì)[5]、水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]等，顧爐華等[7]基于太湖水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究不同引水量和雨型下七浦塘引水對陽澄湖和周邊河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明引水量為20～40 m3/s時，河網(wǎng)水質(zhì)改善效果最佳；趙軒等[8]基于常州市河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究上游引水、污染源削減和提高自凈能力對河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明保證上游來水水質(zhì)良好的情況下，上游引水對主干河道水質(zhì)有較好的改善效果；賈海峰等[9]基于城鎮(zhèn)河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化和水利調(diào)度對河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠降低BOD5和NH3-N濃度。目前對復(fù)雜的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)潮汐作用下調(diào)水引流工作研究較少，且尚未建立起潮位、引水量和水質(zhì)改善效果的響應(yīng)關(guān)系。

本文選取典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)張家港市為研究對象，根據(jù)張家港市緊鄰長江的優(yōu)勢和水循環(huán)體系的建設(shè)，開展調(diào)水引流改善平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)效果研究，建立“長江潮位-內(nèi)河引水量-水質(zhì)改善效果-引水服務(wù)面積”的響應(yīng)關(guān)系，以期為平原感潮河網(wǎng)調(diào)水引流工作提供科學(xué)的指導(dǎo)和建議。

1 研究區(qū)域概況

張家港市位于長江三角洲沖積平原，境內(nèi)河網(wǎng)密布，北鄰長江，屬典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)共有37個水功能區(qū)，隨著污染源削減方案的實施和水循環(huán)體系的構(gòu)建，水功能區(qū)達標率逐步提高，2011—2016年水功能區(qū)達標率從57.4%提升到79.6%，主要超標因子為氨氮。

張家港市目前正在建設(shè)、完善中部、東部和西部三大水循環(huán)體系，其中中部水系水循環(huán)體系較為完善，主要依靠朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐候潮開啟閘門進行自流引水，引水時內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.1 m，二干河為排水通道；東部水系主要依靠三干河水利樞紐、四干河節(jié)制閘和六干河節(jié)制閘候潮開啟閘門進行自流引水，引水時三干河內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.8 m，四干河和六干河內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.7 m，五干河和七干河為排水通道；西部水系主要依靠五節(jié)橋泵閘工程、十字港閘和護漕港節(jié)制閘候潮開啟閘門進行自流引水，引水時內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.0 m，太字圩港為排水通道。各引水口門距離長江天生港潮位站均在20 km以內(nèi)，故選取天生港潮位站作為長江潮位代表站[10](圖1)。

2 平原河網(wǎng)非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及評價方法

2.1 模型的建立

在張家港市中部水系水動力水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型研究[11]的基礎(chǔ)上，采用一維圣維南方程組構(gòu)建張家港市平原感潮河網(wǎng)水量模型離散格式為六點中心隱式差分格式，采用“雙掃”法計算求解；采用一維對流擴散方程作為水質(zhì)模擬基本方程，根據(jù)長江三角洲河網(wǎng)和張家港市河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀、特點及總量控制要求，選取高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為模擬因子，構(gòu)建張家港市平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)模型，以評估張家港市三大水循環(huán)體系的構(gòu)建對區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果[12]。河網(wǎng)模型共概化368條河流(市級河道、鎮(zhèn)級河道和部分村級河道)，151個閘站(沿江水利樞紐、內(nèi)河節(jié)制閘和部分泵站)；河流斷面數(shù)據(jù)采用走航式ADCP監(jiān)測資料進行概化；模型上邊界為各引水通道與長江交匯處，為流量邊界，流量時間序列根據(jù)各水文自動監(jiān)測站點高頻率長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所得；模型下邊界為各排水通道與長江交匯處，為水位邊界。

圖1 研究區(qū)域位置及評價斷面分布

2.2 模型的率定和參數(shù)的選取

根據(jù)張家港市水文自動監(jiān)測站點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和野外水量水質(zhì)同步監(jiān)測結(jié)果，對河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型進行率定，結(jié)果表明：張家港市現(xiàn)狀河道糙率為0.01～0.04，其中城區(qū)主要河道為直立式護岸，河道糙率較小，為0.01～0.02，鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道兩側(cè)雜草樹木較多，河道糙率較大，為0.03～0.04；張家港市現(xiàn)狀高錳酸鹽指數(shù)降解系數(shù)為0.04～0.08 d-1，氨氮降解系數(shù)為0.03～0.08 d-1。各斷面流量模擬相對誤差在25%以內(nèi)，平均相對誤差為13.1%；各斷面水質(zhì)模擬相對誤差在30%以內(nèi)，高錳酸鹽指數(shù)平均相對誤差為15.2%，氨氮濃度平均相對誤差為12.0%，具體見表1。

表1 張家港市河網(wǎng)模型水動力水質(zhì)模擬相對誤差

2.3 調(diào)水引流改善水環(huán)境質(zhì)量評價方法

根據(jù)張家港市水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，評價調(diào)水引流改善水環(huán)境質(zhì)量的方法主要有：①分析評價引水期間監(jiān)測點位水質(zhì)指標濃度隨時間變化趨勢；②分析評價引水前后監(jiān)測點位水質(zhì)指標濃度的改善效果；③分析評價引水前后監(jiān)測點位水質(zhì)類別的變化。因此，結(jié)合前人研究成果，采用水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)3個指標評估平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量的響應(yīng)關(guān)系[13]。公式為

(1)

式中：R為水質(zhì)濃度改善率；C0i為第i種水質(zhì)指標引水前的濃度；Cai為第i種水質(zhì)指標引水后的濃度；i為參加評估的水質(zhì)指標數(shù)目。R值反映引水前后水質(zhì)濃度改善的程度，正值表示水質(zhì)濃度下降，負值表示水質(zhì)濃度上升。

(2)

式中：G為類別變化均值指數(shù)；G0i為第i種水質(zhì)指標引水前的水質(zhì)類別；Gai為第i種水質(zhì)指標引水后的水質(zhì)類別。G屬于均值型多因子指數(shù)，反映引水前后水質(zhì)類別變化的等級，數(shù)值為正表示水質(zhì)類別改善，數(shù)值為負表示水質(zhì)類別下降。

(3)

式中P為濃度變化指數(shù)。P屬于均值型多因子指數(shù)，反映引水前后水質(zhì)濃度變化的程度，數(shù)值為正表示水質(zhì)濃度下降，數(shù)值為負表示水質(zhì)濃度上升。

3 結(jié)果與討論

3.1 平原感潮河網(wǎng)內(nèi)河引水量與長江潮位響應(yīng)關(guān)系

長江張家港段受到上游大通來水和沿海潮汐的雙重作用，每天有兩個高潮位和低潮位，屬于不規(guī)則半日潮，且高潮位具有明顯的半月周期特性，低潮位則沒有明顯的周期特征[14-15](圖2)。當(dāng)長江潮位高于張家港市內(nèi)河水位時，開啟沿江水利樞紐使長江水自流引進。半月周期內(nèi)，隨著長江高潮位的升高，各引水口門引水量呈現(xiàn)線性增長趨勢(圖3)，其中朝東圩港引水量與長江潮位相關(guān)性最強，且引水量最大，一干河次之；由于三干河、四干河和六干河引水過程中受到內(nèi)河防洪水位的限制，未能按照最大引水量進行引水，故引水量與長江潮位相關(guān)性較弱，且引水量較少。西部水系的五節(jié)橋港、十字港和護漕港引水通道尚未正式實施，故暫不討論。

圖2 天生港潮位站高、低潮位與內(nèi)河水位示意圖

不同引水口門引水量除了受到長江潮位的影響，也和閘門開啟高度、閘門寬度以及內(nèi)河防洪控制水位等密切相關(guān)[16]，以三干河和四干河為例，二者相距2.6 km，引水過程中，長江潮位基本一致，內(nèi)河防洪控制水位均為3.8 m，閘門開啟高度均為1.2 m，根據(jù)引水量分析結(jié)果，三干河與四干河引水量比例基本為1.2∶1，三干河和四干河閘門開啟寬度比例也是1.2∶1，表明閘門開啟寬度是影響三干河和四干河引水量差異的關(guān)鍵因素。

圖3 內(nèi)河引水量與天生港潮位響應(yīng)關(guān)系

3.2 平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

利用構(gòu)建的模型，計算各片區(qū)水質(zhì)改善效果與引水量的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：隨著引水量的增加，各片區(qū)水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，表明增大引水量對提高水質(zhì)改善效果有顯著作用，與崔廣柏等[2]、顧爐華等[7]、童朝鋒等[18]、逄勇等[19]的研究結(jié)果相似。由于中部水系水循環(huán)體系最為完善，引水時內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.1 m，朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐可按照最大引水能力進行引水，且引水過程中，沿線小型內(nèi)河節(jié)制閘均處于關(guān)閉狀態(tài)，使得長江清潔水源充分到達中部水系末端，對中部水系沿線氨氮超標水體產(chǎn)生改善效果。因此，引水對中部水系氨氮濃度改善效果最強，當(dāng)引水量達到1.4×107m3時，中部水系氨氮濃度改善率達到50%以上，而后，隨著引水量的增大，氨氮濃度改善率穩(wěn)定在50%～56%(表2)。東北部水系距離長江較近，引水路線短，且沿線水體水質(zhì)較好，污染源分布少，因此，引水對東北部水系高錳酸鹽指數(shù)改善效果最強，當(dāng)引水量達到2.64×106m3時，東北部水系高錳酸鹽指數(shù)改善率接近40%，而后，隨著引水量的增大，高錳酸鹽指數(shù)改善率穩(wěn)定在40%～43%(表3)。結(jié)果表明隨著引水量的逐漸增大，等量引水對河網(wǎng)水質(zhì)的改善效率逐漸降低，引水水量不再為提高張家港市河網(wǎng)水質(zhì)的主要因素。

表2 張家港市中部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

表3 張家港市東北部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)能夠綜合體現(xiàn)引水前后水質(zhì)類別和水質(zhì)濃度的變化情況，反映引水對水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明引水對東北部水系類別變化指數(shù)提升效果最好，當(dāng)引水量達到2.64×106m3時，東北部水系整體提升了1.5個水質(zhì)類別(表3)；引水對中部水系濃度變化指數(shù)改善效果最好，當(dāng)引水量達到1.4×107m3時，中部水系濃度變化指數(shù)整體達到0.6以上(表2)。由于東部水系引水時內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.7～3.8 m，三干河、四干河未能按照最大引水能力進行引水，且東南部水系位于東部水系末端，引水路線長，缺少清潔水源，因此，引水對東南部水系水質(zhì)改善效果較弱，氨氮濃度改善率均在15%以內(nèi)，高錳酸鹽指數(shù)改善率均在10%以內(nèi)，類別變化指數(shù)均在0.3以內(nèi)，濃度變化指數(shù)均在0.15以內(nèi)(表4)。西部水系由于沿江節(jié)制閘規(guī)模較小，引水通道能力有限，引水對西部水系有一定的改善效果，但改善效果較弱，當(dāng)引水量達到1.84×106m3時，氨氮濃度改善率和高錳酸鹽指數(shù)改善率基本達到35%左右，西部水系整體提升了1個水質(zhì)類別，濃度變化指數(shù)整體達到0.5以上(表5)。

表4 張家港市東南部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

表5 張家港市西部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

3.3 平原感潮河網(wǎng)引水服務(wù)面積與引水量響應(yīng)關(guān)系

在平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，以引水是否使河道水質(zhì)達到水功能區(qū)水質(zhì)要求為判斷依據(jù)，建立引水服務(wù)面積與引水量的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：引水服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)線性增長的趨勢，東部水系引水服務(wù)面積隨引水量增長幅度最大，西部水系次之，中部水系最小(圖4)。而單位引水量服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)下降趨勢，東部水系單位引水量服務(wù)面積最大，西部水系次之，中部水系最小。單位引水量服務(wù)面積主要與該區(qū)域本底水質(zhì)濃度、污染源分布情況以及引水路線長短密切相關(guān)，由于東北部水系水質(zhì)本底濃度最低，且污染源分布較少，引水路線短，使得其單位引水量服務(wù)面積最高，為0.352～0.891 km2/萬m3；西部水系本底水質(zhì)濃度較高，但其污染源分布較少，且引水路線短，單位引水量服務(wù)面積次之，為0.156～0.303 km2/萬m3；中部水系雖然本底水質(zhì)濃度較低，但其污染源分布較多，且引水路線長，單位引水量服務(wù)面積最小，為0.061～0.146 km2/萬m3。這與其他學(xué)者的研究成果相似，陳振濤等[5]對杭州市江干區(qū)河網(wǎng)的研究表明，在引水水源水質(zhì)不變的情況下，增大引水水量，單方水起到的水質(zhì)改善效果逐漸減小，即引水水量起到的效率降低；張秀菊等[17]對南通市通州區(qū)新江海河地區(qū)的研究表明，隨著引水量的增加，等量引水的水質(zhì)改善效果逐漸減弱。

圖4 各片區(qū)引水服務(wù)面積與引水量響應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 長江張家港段為不規(guī)則半日潮，高潮位具有明顯的半月周期特性，隨著高潮位的升高，內(nèi)河引水量呈現(xiàn)線性增長趨勢，不同引水口門引水量與長江潮位、內(nèi)河防洪控制水位、閘門開啟高度以及閘門寬度密切相關(guān)。

b. 平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)隨著內(nèi)河引水量的增加均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當(dāng)中部水系引水量達到1.4×107m3時，氨氮濃度改善率達到50%以上，濃度變化指數(shù)整體達到0.6以上；當(dāng)東北部水系引水量達到2.64×106m3時，高錳酸鹽指數(shù)改善率接近40%，且整體提升了1.5個水質(zhì)類別。由于東部水系內(nèi)河防洪水位偏低，未能按照最大引水量進行引水，引水對東南部水系水質(zhì)改善效果較弱，建議逐步實施東部水系防洪加固工程，使內(nèi)河防洪水位逐步提升至4.0～4.1 m。西部水系由于沿江節(jié)制閘規(guī)模較小，引水通道能力有限，引水對西部水系水質(zhì)改善效果較弱，建議逐步實施護漕港節(jié)制閘擴建工程和太字圩港水系連通工程，逐步提高西部水系引水能力。

c. 平原感潮河網(wǎng)引水服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)線性增長趨勢，而單位引水量服務(wù)面積呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)下降趨勢，其中，東北部水系單位引水量服務(wù)面積最大，為0.352～0.891 km2/萬m3；西部水系次之，為0.156～0.303 km2/萬m3；中部水系最小，為0.061～0.146 km2/萬m3。