走馬塘排水對(duì)望虞河引水水質(zhì)的影響

胡祉冰，逄 勇，胥瑞晨，汪靜嫻

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

自2002年“引江濟(jì)太”工程實(shí)施至今[1]，在區(qū)域供水、排澇等方面取得了重要成效，但由于長(zhǎng)期以來長(zhǎng)江總磷指標(biāo)劣于太湖東部沿岸區(qū)[2]，且望虞河沿線支流大量氮、磷污染物隨引水進(jìn)入湖體，該工程對(duì)太湖水質(zhì)及水生態(tài)的改善作用頗有爭(zhēng)議[3-5]。太湖作為上海、蘇州等地優(yōu)質(zhì)水源地，區(qū)域用水需求的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致“引江濟(jì)太”規(guī)模擴(kuò)大勢(shì)在必行，走馬塘作為“引江濟(jì)太”水源地上游最主要的規(guī)劃排水河道，其排水水量、水質(zhì)對(duì)望虞河引江水源地水質(zhì)有直接影響。

在對(duì)走馬塘排水對(duì)長(zhǎng)江下游水源地影響的相關(guān)研究方面，紀(jì)洪燕[6]采用指數(shù)法分析了走馬塘排水后在長(zhǎng)江的污染帶長(zhǎng)度，但未能反映污染物隨長(zhǎng)江潮位遷移規(guī)律；王超等[7]基于EFDC模型模擬了走馬塘排水對(duì)“引江濟(jì)太”水源地水質(zhì)的影響，但其主要模擬污染物為CODMn，且未考慮到望虞河擴(kuò)建工程建設(shè)后區(qū)域水情變化；杜德軍等[8]建立了長(zhǎng)江物理模型模擬得到望虞河引水樞紐移至鐵黃沙后，走馬塘排水造成望虞河引水樞紐處CODMn和氨氮濃度明顯上升。但河工模型并不能很好反映污染物降解的生化過程，存在一定局限性，且以往研究并未考慮到望虞河擴(kuò)建方案。

本文基于建立的長(zhǎng)江江蘇段二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，研究了走馬塘不同排水情況對(duì)望虞河擴(kuò)建工程前后引水TP質(zhì)量濃度的影響，并提出減緩對(duì)望虞河引水樞紐處水質(zhì)影響的調(diào)度及污染控制措施，以期減輕“引江濟(jì)太”工程擴(kuò)建后帶來的環(huán)境影響，確保望虞河入湖斷面TP質(zhì)量濃度滿足管理要求。

1 研究區(qū)概況

望虞河(120°24′9″E～120°49′41″E，31°26′42″N～31°46′55″N)為長(zhǎng)江中下游平原連接長(zhǎng)江與太湖的一條骨干引排水通道(圖1)，近年來其對(duì)太湖水資源的補(bǔ)充作用愈發(fā)明顯[9]。為改善望虞河入湖水質(zhì)，擬于望虞河西岸支流口門處設(shè)閘，西岸支流通過望虞河西北側(cè)走馬塘(120°24′48″E～120°49′58″E，31°27′55″N～31°50′54″N)入長(zhǎng)江，以減少“引江濟(jì)太”過程中氮、磷等污染物入湖量[10-12]。

(a) 研究區(qū)域

望虞河現(xiàn)狀引水樞紐位于福山水道內(nèi)側(cè)，距離走馬塘排水口沿長(zhǎng)江岸線12.3 km，為解決望虞河河口處泥沙淤積帶來的河口萎縮問題，望虞河擴(kuò)建方案擬將望虞河引水樞紐外移至鐵黃沙[13](圖1(b))，移建后望虞河引水樞紐位于走馬塘排水口下游沿長(zhǎng)江岸線5.5 km處，走馬塘排水勢(shì)必對(duì)望虞河引水口水質(zhì)造成更顯著影響。

2 研究方法

2.1 二維水動(dòng)力控制方程

模擬基于二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，笛卡爾坐標(biāo)系下的二維水動(dòng)力控制方程是不可壓縮流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程(式(1))和動(dòng)量方程(式(2)(3))[14]：

(1)

(2)

(3)

2.2 二維水質(zhì)控制方程

污染物擴(kuò)散考慮二維平面擴(kuò)散過程，水質(zhì)控制方程采用污染物對(duì)流擴(kuò)散基本方程[15]：

(4)

圖2 二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍、地形及二維網(wǎng)格

(a) 南京站

2.3 模型建立及參數(shù)率定

水動(dòng)力模型將長(zhǎng)江馬鞍山至堡鎮(zhèn)段作為模擬區(qū)域，模型岸線及水下高程采用長(zhǎng)江航道地形數(shù)據(jù)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(三角形)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行離散，共劃分網(wǎng)格數(shù)42 991個(gè)，平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)250 m，模型計(jì)算二維網(wǎng)格如圖2所示。

模型率定選取2013年12月南京站、鎮(zhèn)江(二)站、營(yíng)船港站、崇西閘站和大通站5個(gè)水文站監(jiān)測(cè)資料，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖3。采用平均相對(duì)誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R2)3個(gè)指標(biāo)對(duì)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值做誤差及相關(guān)性分析[16-17]，結(jié)果見表1，可見構(gòu)建的模型各站點(diǎn)水動(dòng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的RMSE較小，MRE小于5%，R2>0.95，模型可以較好地反映長(zhǎng)江水動(dòng)力過程。根據(jù)率定得到模擬區(qū)域河段主槽糙率的取值范圍為0.01～0.02，風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001～0.001 5。

2.4 計(jì)算方案設(shè)置

在長(zhǎng)江水動(dòng)力計(jì)算基礎(chǔ)上，采用二維水質(zhì)控制方程計(jì)算走馬塘排水對(duì)“引江濟(jì)太”引水水質(zhì)的影響，取90%水文保證率為模型計(jì)算邊界水文條件，初始水位取水文年鑒中水位平均值2.6 m，溫度 20 ℃，起始時(shí)刻流速設(shè)為0 m/s。

表1 水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

由于污染物到達(dá)時(shí)間較短，僅考慮對(duì)流擴(kuò)散過程，TP降解系數(shù)設(shè)為0，排水TP質(zhì)量濃度取其水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度(地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類，為 0.4 mg/L)?？紤]到走馬塘目前尚未排水，計(jì)算方案采用其設(shè)計(jì)平均排水量持續(xù)排水(工況1)、現(xiàn)狀排水泵站最大排水量持續(xù)排水(工況2)、規(guī)劃排水泵站最大排水量持續(xù)排水(工況3)、規(guī)劃排水泵站最大排水量持續(xù)排水7 d后停止排水(工況4)、規(guī)劃排水泵站最大排水量持續(xù)排水7 d后停止排水且排水質(zhì)量濃度改善為地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類(工況5)，工況4、5用于分析望虞河間隔引水效果，具體計(jì)算方案設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算方案設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 走馬塘排水對(duì)“引江濟(jì)太”水源水質(zhì)的影響

圖4為望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增量隨走馬塘排水時(shí)間變化過程，可見走馬塘開始排水后TP質(zhì)量濃度增量隨長(zhǎng)江潮汐周期性波動(dòng)。不同排水量的3種工況下望虞河現(xiàn)狀引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增量呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)，漲急時(shí)刻TP質(zhì)量濃度增量達(dá)到峰值，走馬塘持續(xù)排水40 h后望虞河引水樞紐處水質(zhì)開始明顯變差，持續(xù)排水80 h后水質(zhì)趨于穩(wěn)定，工況1、2、3 TP質(zhì)量濃度最大增量分別為0.004 mg/L、0.006 mg/L和0.008 mg/L。規(guī)劃引水樞紐外移后，走馬塘排水持續(xù)18 h望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度便開始明顯上升，落急時(shí)刻質(zhì)量濃度增量達(dá)到峰值，工況1、2、3 TP質(zhì)量濃度最大增量可達(dá)0.008 mg/L、0.012 mg/L和0.019 mg/L。

2017年望虞河引水樞紐處TP監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度為0.09 mg/L，根據(jù)工況1、2、3條件計(jì)算得到走馬塘排水對(duì)望虞河現(xiàn)狀引水樞紐處TP最大質(zhì)量濃度增幅為4.5%、6.7%和9.0%，而望虞河規(guī)劃引水樞紐處受走馬塘排水水質(zhì)影響明顯加劇，TP質(zhì)量濃度增幅可達(dá)8.9%、13.5和21.3%。走馬塘排水后望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度最大可達(dá)0.11 mg/L，雖然滿足望虞河TP質(zhì)量濃度要求(0.2 mg/L)，但由于望虞河引水最終進(jìn)入太湖，引水水源TP質(zhì)量濃度將遠(yuǎn)超出太湖TP質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)(0.05 mg/L)，且隨著日后望虞河引水規(guī)模的擴(kuò)大，走馬塘排水勢(shì)必大幅增加望虞河引水的TP污染物通量，對(duì)太湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)造成一定的影響[18-19]。

(a) 工況1

3.2 “引江濟(jì)太”水源水質(zhì)改善措施

為減緩走馬塘排水對(duì)望虞河引水樞紐處的水質(zhì)影響，選取最不利工況即走馬塘排水量最大時(shí)，研究望虞河引水樞紐處的水質(zhì)改善措施。分別計(jì)算工況4和工況5情況下望虞河引水樞紐處水質(zhì)變化。模型計(jì)算結(jié)果表明，走馬塘以地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)排水相比Ⅴ類對(duì)規(guī)劃望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度有一定的改善作用，但平均改善率不足5%，而望虞河間隔引水對(duì)望虞河規(guī)劃引水樞紐處TP質(zhì)量濃度的降低效果更為明顯。

圖5為望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增量隨走馬塘停止排水后間隔時(shí)間(走馬塘停止排水到望虞河開始引水所需時(shí)間)變化過程，表3為望虞河引水水質(zhì)改善所需間隔時(shí)間。結(jié)合區(qū)域地形(圖1)，工況4走馬塘排水停止后望虞河引水樞紐處不同TP質(zhì)量濃度增幅下所需間隔時(shí)間如下：①若望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增幅小于10%，現(xiàn)狀引水樞紐處和規(guī)劃引水樞紐處需分別在走馬塘停止排水 9 h 和22 h后再引水，這是由于望虞河現(xiàn)狀引水樞紐位于福山水道內(nèi)側(cè)，較外移后的規(guī)劃引水樞紐受到走馬塘排水水質(zhì)直接影響更小；②若望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增幅小于5%，現(xiàn)狀引水樞紐處和規(guī)劃引水樞紐處分別需在走馬塘停止排水53 h和32 h后再引水，可能是因?yàn)楝F(xiàn)狀引水樞紐處由于走馬塘排水帶來的TP污染物隨長(zhǎng)江漲落潮在福山水道內(nèi)側(cè)難以擴(kuò)散，而規(guī)劃引水樞紐處的污染物擴(kuò)散條件較好，可隨長(zhǎng)江水流輸移至下游區(qū)域，對(duì)望虞河規(guī)劃引水樞紐處TP質(zhì)量濃度的影響隨停止排水時(shí)間變長(zhǎng)而不斷減小；③若望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增幅小于1%，現(xiàn)狀引水樞紐處和規(guī)劃引水樞紐處需分別在走馬塘停止排水72 h和55 h后再引水。工況5走馬塘以地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類排放，望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增量變化規(guī)律基本與工況4相似，日后若改善走馬塘排水TP質(zhì)量濃度到地表水Ⅳ類，在停止排水48 h后，望虞河規(guī)劃引水樞紐處的TP質(zhì)量濃度增幅小于1%，可保證望虞河引水水質(zhì)基本不受影響。

圖5 走馬塘停止排水后望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增量變化

表3 望虞河引水水質(zhì)改善所需間隔時(shí)間

4 結(jié) 論

a. 走馬塘排水對(duì)望虞河引水樞紐處水質(zhì)有一定影響，尤其在望虞河引水樞紐外移后受到走馬塘排水水質(zhì)影響加劇，TP質(zhì)量濃度增幅最大可達(dá)21.3%。

b. 提高走馬塘排水水質(zhì)要求可減小對(duì)望虞河引水樞紐處水質(zhì)影響，但加強(qiáng)兩處樞紐的聯(lián)合調(diào)度管理，采取間隔引水的方式對(duì)降低望虞河TP質(zhì)量濃度的效果更為明顯。

c. 為保障日后望虞河引水水質(zhì)安全，需盡可能避免走馬塘大量排水期間引水，在要求走馬塘排水水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類要求基礎(chǔ)上停止排水48 h后引水，可以基本控制望虞河引水樞紐處TP質(zhì)量濃度增幅在1%以下。