秦淮河流域水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度研究

邵園園， 戴慶云， 蔣 濤， 房曉玲

(江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210001)

1 研究背景

秦淮河是中國長江下游右岸支流，是由東向西橫貫?zāi)暇┲鞒菂^(qū)的骨干河流，由于城區(qū)人口增加，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，導(dǎo)致秦淮新河和外秦淮河的節(jié)制閘、鐵心橋和七橋甕等“水十條”考核斷面水質(zhì)波動較大[1]。

秦淮河流域自2005年起實施生態(tài)調(diào)水工程，利用秦淮新河水利樞紐引水(節(jié)制閘自引或泵站抽引)，流經(jīng)外秦淮河由三汊河口匯入長江。15年來的生態(tài)調(diào)水工程實踐表明，調(diào)水引流是提高水體自凈能力、改善流域水環(huán)境質(zhì)量、保障水生態(tài)安全的重要舉措，對保障國控斷面、省控斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)具有重要作用[2]。

因此，在確保秦淮河流域防洪與供水安全的前提下，研究流域骨干河道的生態(tài)基流和生態(tài)水位，研究流域水生態(tài)科學(xué)調(diào)度模式，對完善流域綜合調(diào)度體系、保障流域的重要控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)具有重要意義[3]。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)水系及水利工程分布

研究區(qū)包括秦淮河流域前垾村水文站下游的秦淮河干流、秦淮新河及外秦淮河沿線地區(qū)，為樹狀河網(wǎng)區(qū)域，共計531.2 km2，分布有秦淮新河入江口秦淮新河水利樞紐、外秦淮河武定門閘和下游入江口三汊河口閘等水利工程。

秦淮河干流前垾村至河定橋段，全長11.4 km，有方山溝、云臺山河、牛首山河和外港河匯入；秦淮河干流至河定橋分為2支，北支為秦淮河，從河定橋至三汊河口，過通濟(jì)門外與護(hù)城河匯流，繞南京城南、城西至三汊河口入長江，有響水河、運(yùn)糧河、友誼河及南河匯入，全長23.6 km，其中武定門閘以下12.8 km稱為外秦淮河；西支為秦淮新河，從河定橋經(jīng)南京西善橋至金勝村入長江，為人工開挖的分洪河道，全長16.8 km。具體骨干河道基本情況見表1。

表1 秦淮河流域骨干河道基本情況

2.2 研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測

3 研究思路

在確保秦淮河流域防洪與供水安全的前提下，統(tǒng)籌考慮流域防洪、供水、生態(tài)(環(huán)境)等調(diào)度需求，研究流域骨干河道的生態(tài)基流和生態(tài)水位，構(gòu)建流域骨干河道水量——水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型[4]，研究流域水生態(tài)與水環(huán)境科學(xué)調(diào)度模式。為確保模型預(yù)測結(jié)果能夠反映流域污染和水質(zhì)現(xiàn)狀，本文研究的基準(zhǔn)年確定為2017年。具體研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線

4 結(jié)果與分析

4.1 生態(tài)基流與生態(tài)水位研究

在《秦淮河流域洪水調(diào)度方案》研究基礎(chǔ)上，對骨干河道非洪澇期的防洪、供水、生態(tài)(環(huán)境)等調(diào)度需求進(jìn)行系統(tǒng)分析，收集地形地貌、氣象水文、水流水質(zhì)、水生生物與污染源數(shù)據(jù)，分析骨干河道水動力、水環(huán)境、水生態(tài)情勢及其變化特性。采用生態(tài)功能法分析水生態(tài)和水環(huán)境目標(biāo)需求，提出骨干河道生態(tài)功能保障對流量、水位的需求，研究確定骨干河道的生態(tài)基流、生態(tài)水位。

4.1.1 研究內(nèi)容

(1)生態(tài)基流量

秦淮河流域骨干河道的生態(tài)基流量主要包括維持河道完整性的生態(tài)基流量、維持河道水生生境的生態(tài)基流量、維持河道水分調(diào)節(jié)功能的生態(tài)基流量、維持河道外供水功能的生態(tài)基流量和維持河道環(huán)境需水的生態(tài)基流量。根據(jù)河道各自特征，逐河段進(jìn)行計算，提出控制站點的生態(tài)基流量要求。

(2)生態(tài)水位量

秦淮河流域骨干河道的生態(tài)水位主要包括維持河道形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性、維持河道水生生物生境和維持河道景觀所需的最小生態(tài)水位。根據(jù)河道各自特征，逐河段進(jìn)行計算，提出控制站點的生態(tài)水位要求。

4.1.2 研究河段分區(qū)

由于水利工程調(diào)度等原因，秦淮河流域河流上下游水文、水力、生態(tài)等參數(shù)不具有連續(xù)性，因此秦淮河流域河流的生態(tài)需水計算只能根據(jù)水利工程分布情況逐河段進(jìn)行。本研究根據(jù)主要河道水系和水利工程分布，將秦淮河骨干河道分為4段進(jìn)行研究，包括秦淮河干流前垾村至河定橋段(A段)、秦淮干流河定橋至武定門閘段(B段)、秦淮干流外秦淮河武定門閘至三汊河口閘段(C段)、西支河定橋至長江入江口秦淮新河水利樞紐段(D段)。各河段主要特征見表2。

表2 研究河段主要特征值

4.1.3 研究結(jié)果

通過分析計算，秦淮河流域骨干河道生態(tài)基流量、生態(tài)水位計算結(jié)果見表3。

表3 秦淮河流域骨干河道生態(tài)基流量、生態(tài)水位計算結(jié)果匯總

4.2 水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

該模型以水文、污染源和水質(zhì)監(jiān)測資料為主，根據(jù)各類數(shù)據(jù)的信息特征，利用SQL Server 2012設(shè)計相應(yīng)數(shù)據(jù)庫庫表結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)資料進(jìn)行整理和錄入，建立集水文、水質(zhì)、污染源、社會經(jīng)濟(jì)和自然條件等數(shù)據(jù)信息于一體的模型。秦淮河流域骨干河道河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型包括降雨徑流模型、污染負(fù)荷模型、河網(wǎng)水量模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型。

(1)降雨徑流模型

研究區(qū)主要位于秦淮河流域下游平原地區(qū)，下墊面分布是影響平原區(qū)產(chǎn)流的主要因素，針對骨干河道沿線不同下墊面類型，本文按水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地等4類，采用不同產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行模擬，分別構(gòu)建相應(yīng)的降雨徑流模型。

(2)污染負(fù)荷模型

污染負(fù)荷模型通過收集研究區(qū)內(nèi)的點、面源數(shù)據(jù)資料，開展各類污染源產(chǎn)生、分布、排放路徑和最終去向調(diào)查。污染負(fù)荷模型由產(chǎn)生模型和處理模型構(gòu)成，其中產(chǎn)生模型估算各種污染源的產(chǎn)生量，包括PROD、UNPS、DNPS和PNPS計算模式，處理模型計算各類污染源經(jīng)治理后，最終進(jìn)入水體的污染負(fù)荷入河量。

(3)河網(wǎng)水量模型

河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合計算模塊基本控制方程為

(1)

式中：q為旁側(cè)入流；Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；VX為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量；K為流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力；α為動量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

(4)河網(wǎng)水質(zhì)模型

河網(wǎng)水質(zhì)模型是模擬骨干河道水量、水質(zhì)指標(biāo)的動態(tài)遷移變化。通過分析氮、磷元素在水體中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，構(gòu)建不同形態(tài)氮、磷元素轉(zhuǎn)化的動力反應(yīng)過程的計算公式。模型共模擬5種氮素、4種磷素狀態(tài)變量，分別是2種有機(jī)形態(tài)氮(顆粒態(tài)和溶解態(tài)有機(jī)氮)、2種無機(jī)態(tài)氮(氨氮和硝態(tài)氮)、總氮、2種有機(jī)形態(tài)磷(顆粒態(tài)和溶解態(tài)有機(jī)磷)、1種無機(jī)態(tài)磷(磷酸鹽)、總磷。

4.3 秦淮河流域調(diào)度方案的多情景模擬與比選

4.3.1 研究方法

通過秦淮河流域骨干河道河網(wǎng)水量—水環(huán)境耦合數(shù)學(xué)模型的建立，設(shè)定多組水利工程調(diào)度方案，開展基于多情景下的骨干河道調(diào)度效果數(shù)值模擬，評估各調(diào)度方案對水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度目標(biāo)的滿足程度，確定骨干河道的生態(tài)基流和生態(tài)水位，比選非洪澇期研究區(qū)骨干河道水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度模式，提出調(diào)度建議方案。

4.3.2 研究站點選取

本研究水量調(diào)度的控制站點為東山站，調(diào)度對象為長江入江口秦淮新河水利樞紐、外秦淮河武定門閘和下游入江口三汊河口閘；水質(zhì)檢測比選站點為秦淮河七橋甕斷面、秦淮新河鐵心橋斷面和外秦淮河石城橋斷面。

4.3.3 研究成果

根據(jù)不同調(diào)度方案的河網(wǎng)水量和水質(zhì)模型預(yù)測結(jié)果，采用上述水環(huán)境和水生態(tài)評價指標(biāo)的計算方法，得到各控制站點各項評價指標(biāo)的統(tǒng)計值，評估各調(diào)度方案對研究區(qū)骨干河道水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度目標(biāo)的滿足程度，得出分析結(jié)論。

4.3.3.1 東山站水位控制

適當(dāng)降低武定門閘的調(diào)控水位有利于改善非汛期水系連通性，促進(jìn)水體流動，對水質(zhì)改善也具有積極作用，因此，建議非汛期將東山站水位控制在6.8 m左右。

4.3.3.2 在枯水年非汛期(90%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，流域上游補(bǔ)水6～17 m3/s，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，能夠使鐵心橋和石城橋斷面水質(zhì)(氨氮除外)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，七橋甕斷面水質(zhì)基本滿足要求。泵引流量≥50 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，可滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

4.3.3.3 在平偏枯年型非汛期(75%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，流域上游補(bǔ)水1～10 m3/s，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，能夠使鐵心橋和石城橋(氨氮除外)斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，七橋甕斷面水質(zhì)基本滿足要求。泵引流量≥50 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，可滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

4.3.3.4 在平水年非汛期(50%保證率)條件下

(1)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，上游不需要補(bǔ)水即可基本滿足全流域生態(tài)基流需求。

(2)在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，能夠使鐵心橋和七橋甕斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求，石城橋斷面水質(zhì)基本滿足要求(達(dá)標(biāo)率超過70%)。

(3)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河不需要引水，即可使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥20 m3/s，可基本滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求(秦淮新河1月份除外)。

5 結(jié)論與建議

(1)秦淮河流域骨干河道的最小生態(tài)基流可為13.2～42.4 m3/s，最小生態(tài)水位為6.3～6.8 m。

(2)適當(dāng)降低武定門閘的調(diào)控水位有利于改善水質(zhì)，建議非汛期將東山站水位控制在6.8 m左右。

(3)秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，且流域上游補(bǔ)水時，能夠基本滿足全流域生態(tài)基流需求；泵引流量≥50 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(4)在流域污水接管率≥95%條件下，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥10 m3/s，能夠使各斷面水質(zhì)滿足相應(yīng)水功能區(qū)要求。

(5)若不考慮A段河道生態(tài)基流需求，秦淮新河水利樞紐泵引流量≥30 m3/s，可基本滿足下游骨干河道生態(tài)基流需求。

(6)下一步將研究范圍擴(kuò)大至整個秦淮河流域，針對流域不同水體的生態(tài)功能特征，確定生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，構(gòu)建全流域水量水質(zhì)耦合模型，開展多情景調(diào)度模擬，評估水生態(tài)(環(huán)境)調(diào)度效果。