太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對金澤水庫及松浦大橋取水口水質(zhì)影響研究

彭焱梅，曹菊萍，周宏偉，姚 俊，李昊洋，陳華鑫，陸沈鈞

（1.太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海200434；2.上海東南工程咨詢有限責任公司，上海200434）

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)供水水庫上下游聯(lián)合調(diào)度具有很強的地域性環(huán)?？萍夹枨蟆＝陙硭克|(zhì)聯(lián)合調(diào)度成為水文水資源領域重要的熱點問題之一，眾多學者在水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方面開展了若干探索［1-8］，并取得一定成果。劉水芹［9］等研究不同年型、太浦閘泵不同下泄流量組合對黃浦江上游水源地水質(zhì)影響關系，結(jié)果表明，在太浦閘流量相對較大情況下，黃浦江上游水源地水量明顯增加，約5～6 d 水質(zhì)明顯改善。陳煉鋼［10，11］等構(gòu)建了淮河中游河網(wǎng)一維與二維嵌套、分塊組合的閘控大型河網(wǎng)水文-水動力-水質(zhì)耦合數(shù)學模型DHQM，研究提出了分期小流量慢速下泄污染水體為最佳的水量水質(zhì)聯(lián)合應急調(diào)度方案。戴晶晶［12］等通過對太浦河沿線水量水質(zhì)監(jiān)測資料分析，設計太浦閘水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，發(fā)現(xiàn)太浦閘采用水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方式可提高金澤水源地取水安全保障程度。王磊之［13］等擬定聯(lián)合調(diào)度方案，采用蟻群優(yōu)選算法對調(diào)度方案進行優(yōu)選，得出太浦閘根據(jù)太湖水位和金澤斷面水質(zhì)情況加大下泄流量，同時太浦河兩岸口門有序控制，可顯著提高金澤水源地關鍵水質(zhì)指標達標率。

黃浦江上游水源地工程服務上海市西南青浦、松江、金山、閔行和奉賢五區(qū)，將五區(qū)原有分散取水口歸并于太浦河金澤水庫和松浦大橋取水口，于2016年底建成并完成了切換通水，形成金澤水庫和松浦大橋兩點水源互為連通的供水模式。金澤水庫相對原黃浦江上游水源水質(zhì)有明顯改善，應對水源突發(fā)風險能力也有所提升，但目前金澤水庫安全運行仍面臨一定挑戰(zhàn)。一是金澤水庫為典型人工淺水水庫，庫容調(diào)蓄時間短。金澤水庫建庫后水動力條件由原有的自然河道開敞型水流變?yōu)槿斯ふ{(diào)控的半封閉型湖流流態(tài)，流速放緩，污染物降解和遷移轉(zhuǎn)化等條件隨之變化；由于庫區(qū)水力停留時間短（2～3 d），傳統(tǒng)水庫水質(zhì)凈化模式難以滿足金澤水庫運行要求。二是太浦河沿線支流口門眾多，水質(zhì)受流域調(diào)度影響明顯。太浦河現(xiàn)有支河近百條，蘆墟以西7個口門與京杭運河尚未實施控制，太浦河與兩岸水量交換頻繁，水質(zhì)受太浦閘開閉等流域調(diào)度影響明顯，河流水量、水質(zhì)具有波動性。本文以金澤水庫供水安全保障為目標，在太浦河工程現(xiàn)狀調(diào)度基礎上，提出太浦河工程流量分級調(diào)度方案、水質(zhì)超標分級調(diào)度方案，擬定太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案并定量分析其對金澤水庫及松浦大橋取水口來水水質(zhì)影響，可為進一步提高區(qū)域原水供應安全保障及風險防范提供技術(shù)支撐。

1 研究對象及范圍

本文研究對象為太浦河金澤水源地及其備用水源地黃浦江上游松浦大橋取水口，包括與之密切相關的太浦河及黃浦江上游沿線眾多水利工程。

黃浦江上游金澤水源地現(xiàn)狀供水規(guī)模351 萬m3/d，取水水源為太浦河；松浦大橋取水口位于黃浦江上游松浦大橋附近，為金澤水源地備用取水口。太浦河工程為治太十一項骨干工程之一，包括太浦河、太浦閘和太浦河泵站、兩岸眾多支流口門，兼具防洪、排澇、供水、航運等多種功能。其中太浦閘位于太浦河出太湖處，設計流量為784 m3/s；太浦河泵站位于太浦河南岸，設計流量為300 m3/s。

太浦河來水主要受上游太湖來水、太浦河兩岸支流匯入以及下游潮水上溯等影響。本次研究范圍為太浦河～黃浦江上游沿線地區(qū)，包括太浦河北岸蘇州市、南岸嘉興市部分地區(qū)，以及上海市西南五區(qū)（金山區(qū)、奉賢區(qū)、青浦區(qū)、閔行區(qū)、松江區(qū)），見圖1。

圖1 研究對象及研究范圍示意圖Fig.1 The research object and sketch map of study area

2 研究方法

本研究采用太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學模型（后文簡稱“水量水質(zhì)模型”），模擬分析太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對太浦河沿線區(qū)域、黃浦江上游金澤水庫及松浦大橋取水口水量水質(zhì)影響。水量水質(zhì)模型對太湖流域平原河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及供-用-耗-排水過程進行概化，是包括降雨徑流模型、廢水負荷模型、河網(wǎng)水量模型、太湖湖流模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型、太湖湖區(qū)水質(zhì)模型等6 個子模型的水文、水動力學耦合模型［14］，見圖2。太湖流域模型開發(fā)應用歷史長，是研究太湖流域水文水環(huán)境問題的重要工具。

圖2 太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學模型邏輯關系Fig.2 Structure of Taihu Lake basin water quantity and quality model

為提高水量水質(zhì)模型模擬精度，本次研究在以往基礎上對重點研究范圍內(nèi)河網(wǎng)水系、水利工程及污染源進行細化更新，更新后流域污染源較以往有明顯減少，重點研究范圍內(nèi)規(guī)模以上排污口COD、NH3-N 排放量分別為2.1、0.1 萬t/a，面源污染COD、NH3-N 排放量分別為7.04、0.45 萬t/a。在細化更新河網(wǎng)水系、水利工程及污染源基礎上，通過2013年流域水雨情資料，對模型進行了驗證。流域的降水、蒸發(fā)、潮位邊界條件采用實測資料，污染源、取排水口等水質(zhì)資料均以調(diào)查資料為基礎，水質(zhì)邊界條件包括西部山丘區(qū)入流、沿長江和錢塘江各河道口門的水質(zhì)條件，模型計算采用邊界河道相應水功能區(qū)水質(zhì)目標作為其水質(zhì)邊界條件。結(jié)果表明，模型細化更新后基本能夠反映太浦河及沿線區(qū)域水流和水質(zhì)特征，太湖全年期計算水位與實測水位過程線趨勢一致，平均誤差3.6 cm，研究范圍內(nèi)水位代表站陳墓、嘉興水位過程擬合較好（圖3），全年期最高水位、最低水位誤差基本在5 cm 以內(nèi)，松浦大橋斷面凈泄水量相對誤差1.3%，COD、NH3-N 相對誤差在30%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比分別在50%、67%以上，相對誤差在50%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比分別在83%、92%以上，金澤、松浦大橋斷面COD、NH3-N 濃度實測值與模擬值對比見圖4。

圖3 太浦河兩岸陳墓、嘉興水位計算與實測水位過程Fig.3 Daily mean values of observed and simulated water level of Chenmu and Jiaxing station

圖4 金澤、松浦大橋斷面COD、NH3-N濃度實測模擬對比Fig.4 Observed and simulated concentration of COD、NH3-N at Jinze and Songpu bridge station

3 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案擬定

3.1 太浦河工程現(xiàn)狀調(diào)度

太湖調(diào)度控制線包括防洪控制線、引水控制線、低水位控制線。太湖水位高于防洪控制線時，執(zhí)行防洪調(diào)度；低于防洪控制線時，執(zhí)行水資源調(diào)度。防洪調(diào)度期，太浦河以泄洪為主；水資源調(diào)度期，太湖水位高于引水控制線時，太浦閘結(jié)合區(qū)域水資源及水環(huán)境改善需求，開展適時引排；太湖水位在2.8 m～引水控制線之間時，太浦閘原則上以不低于50 m3/s的流量向下游供水，太湖調(diào)度控制線見圖5。

3.1.1 太浦閘（泵）調(diào)度

本文統(tǒng)計了引江濟太以來2002-2017年太浦閘實際下泄水量（表1），以及《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》批復之后2011-2017年太浦閘實際下泄水量，從表1中可知，太浦閘下泄流量隨太湖水位升高而增大。從2002-2017年系列來看，當太湖水位在2.8 m以下、2.8 m～引水控制線之間、引水控制線～防洪控制線之間時，太浦閘日均下泄流量分別為17.9、55.0、70.2 m3/s。2011-2017年系列太浦閘下泄流量較2002-2017年系列有明顯增大趨勢，太湖水位在2.8 m～引水控制線、引水控制線～防洪控 制線之間時，太浦閘日均下泄流量分別為64、89 m3/s。

表1 太湖水位與太浦閘下泄流量關系統(tǒng)計Tab.1 Statistics for water level of the Taihu Lake and discharge of the Taipu sluice

3.1.2 兩岸口門調(diào)度

太浦河兩岸口門在太浦河向下游供水期間，視兩岸地區(qū)需水情況，實施相機調(diào)度，補充區(qū)域用水。太浦河工程北岸控制線在汛期太浦河水位高于區(qū)域水位時沿線口門關閉，非汛期則根據(jù)區(qū)域缺水情況適時引排；太浦河南岸主要口門在防洪調(diào)度期間太浦河水位高于內(nèi)河水位時口門關閉，在水資源調(diào)度期間口門基本保持敞開狀態(tài)。

3.2 太浦河工程調(diào)度方案設計

3.2.1 流量分級調(diào)度方案擬定及優(yōu)選

以2002-2017年、2011-2017年太湖水位與太浦閘下泄流量關系，以及“太湖流域洪水與水量調(diào)度方案”、《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》、《太湖流域水量分配方案》、《太湖抗旱水量應急調(diào)度預案》等現(xiàn)行調(diào)度方案及相關規(guī)劃要求為基礎，設計流量分級調(diào)度方案見表2。

表2 太浦閘流量分級調(diào)度試算方案Tab.2 The graded flow dispatching scheme of Taipu sluice

將三種不同調(diào)度方案cg0、cg-1、cg-2 帶入太湖流域模型進行模擬分析，各方案太浦閘下泄水量、金澤斷面水質(zhì)、太湖及地區(qū)代表站水位、松浦大橋凈泄流量、金澤斷面來水組成（太浦閘來水、兩岸來水、下游潮水上溯）差別均不明顯，太浦河閘泵下泄流量偏大的cg-2 方案對改善太浦河水資源狀況效果并不理想，為與已批復調(diào)度方案和相關規(guī)劃更好銜接，同時考慮到太浦閘下泄流量50、80 m3/s出現(xiàn)頻次較高，故本次選取方案cg0為流量分級調(diào)度基礎方案。

3.2.2 水質(zhì)超標分級調(diào)度方案擬定及優(yōu)選

據(jù)了解，金澤水源湖及水廠對NH3-N 指標去除率不高，為此，在流量分級調(diào)度基礎方案基礎上，研究提出太浦河金澤斷面NH3-N 超過一定濃度限值后，太浦河閘泵增大下泄流量的金澤斷面水質(zhì)超標分級調(diào)度方案。據(jù)了解，金澤水庫取水閘NH3-N 指標連續(xù)2 h 超過0.8 mg/L 時關閘，同時考慮到水廠出水要求及調(diào)度人員管理經(jīng)驗，將金澤斷面NH3-N 濃度0.8、0.6 mg/L 作為太浦閘提前加大下泄量的標準限值。

以流量分級調(diào)度方案優(yōu)選成果為基礎，將太湖水位分為2.8 m 以下、2.8 m～防洪控制線兩個等級，當NH3-N 濃度未超過標準限值時，太浦河閘泵流量按流量分級調(diào)度方案進行調(diào)度；當NH3-N 濃度超過一定標準后，太浦河閘泵流量在流量分級調(diào)度方案基礎上適當加大，見表3。

表3 金澤斷面水質(zhì)超標分級調(diào)度試算方案Tab.3 The graded water quality dispatching scheme of Taipu sluice

經(jīng)模擬，方案sz80、sz100、sz120 太湖平均水位變幅在1 cm范圍內(nèi)；太浦閘全年下泄水量相差不大，分別為23.9、24.1、24.2億m3；金澤斷面冬季NH3-N 濃度超0.8 mg/L 天數(shù)分別為14、12、10 d，超0.6 mg/L 天數(shù)均為89 d；松浦大橋最小月凈泄流量滿足相關要求；金澤斷面來水組成無明顯變化。由于近年來太浦河兩岸地區(qū)污染源治理力度不斷增大，污染源排放量降低，特別是金澤水庫建成通水以來，為保障太浦河沿線供水安全，太浦閘加大下泄水量，金澤斷面NH3-N 濃度保持在較低水平，從而本次設計的金澤斷面NH3-N 濃度超過特定限值后，各方案在金澤水質(zhì)、太浦閘下泄水量、太湖水位、松浦大橋最小月凈泄流量、金澤斷面來水組成等指標上變化并不明顯。

考慮到方案sz80 太浦閘全年下泄水量較小，但金澤斷面NH3-N 濃度超0.8 mg/L 天數(shù)最多；方案sz120 金澤斷面NH3-N濃度超0.8 mg/L天數(shù)最少，但太浦閘全年下泄水量偏大；而方案sz100 太浦閘全年下泄水量適中，金澤斷面水質(zhì)相對較好，且與太浦閘實況調(diào)度吻合度較高，故本次當金澤斷面NH3-N 濃度超過一定標準限值之后，太湖水位在2.8 m～防洪控制線之間時，選擇太浦閘下泄流量為100 m3/s的方案進行后續(xù)模擬分析。

4 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對水源地來水的改善效果分析

根據(jù)太浦河工程流量分級調(diào)度方案及水質(zhì)超標分級調(diào)度方案優(yōu)選成果，本文共設計3 種（1 種常規(guī)流量分級調(diào)度方案、2種水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案）方案，選擇太湖流域枯水年典型年（P=90%、1971年）進行水量水質(zhì)模擬，以評估太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對金澤水庫及松浦大橋取水口水質(zhì)影響，見表4。

表4 本文擬定的3種太浦河工程調(diào)度方案Tab.4 Three operation schemes of Taipu sluice given by this paper

模擬結(jié)果表明，與常規(guī)流量分級調(diào)度方案cg0相比，水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案sz0.8、方案sz0.6 太浦河出湖水量分別增加0.64、6.05 億m3，增幅分別為2.7%、25.8%，冬季增幅分別為10.9%、84.2%。方案sz0.8 較常規(guī)流量分級調(diào)度方案太湖、金澤、松浦大橋水位無明顯變化，方案sz0.6 金澤斷面平均水位升高1cm，太湖、松浦大橋水位無明顯變化，具體見表5～7。

表5 不同調(diào)度方案太湖、金澤、松浦大橋斷面水位 mTab.5 Simulation results of water level in sections of Taihu、Jinze and Songpu Bridges in different scheduling schemes

對金澤斷面來說，方案cg0 全年期NH3-N 平均濃度為0.53 mg/L，冬季NH3-N平均濃度為0.73 mg/L，全年期、冬季NH3-N濃度超0.8 mg/L 天數(shù)分別為21、17 d，連續(xù)超0.8 mg/L 最長天數(shù)均為10 d。方案sz0.8 由于兩岸地區(qū)匯入太浦河水量減少，全年期、冬季NH3-N 超過0.8 mg/L 的天數(shù)分別減少為14、12 d，連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)均減少為6 d；方案sz0.6 全年期、冬季NH3-N 超過0.8 mg/L 的天數(shù)進一步減少為7 d，連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)均為6 d。各方案全年期、冬季氨氮超過0.6 mg/L 天數(shù)無明顯變化。方案cg0 全年期、冬季COD 平均濃度均未超過Ⅲ類標準，方案sz0.8、方案sz0.6較方案cg0 COD平均濃度略有較低。

對松浦大橋斷面來說，方案cg0全年期、冬季NH3-N平均濃度分別為0.86、1.08 mg/L，超Ⅲ類天數(shù)分別為143、75 d，COD 平均濃度未超過Ⅲ類標準。水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案sz0.8、方案sz0.6對NH3-N、COD平均濃度改善效果不明顯。

總的來說，隨著水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案太浦閘下泄流量的增大，兩岸地區(qū)入太浦河水量減少，金澤斷面水質(zhì)趨好，松浦大橋斷面水質(zhì)改善程度較小。

表6 不同調(diào)度方案太浦河進出水量模擬成果 億m3Tab.6 Simulation results of inflow and outflow of Taipu River in different scheduling schemes

表7 不同調(diào)度方案金澤斷面NH3-N、COD模擬成果Tab.7 Simulation results of NH3-N and COD in sections of Jinze in different scheduling schemes

5 結(jié) 論

根據(jù)2002-2017年太浦閘實況調(diào)度及“太湖流域洪水與水量調(diào)度方案”等相關調(diào)度方案、規(guī)劃對太浦閘的調(diào)度要求，擬定了3 種太浦閘流量分級調(diào)度方案；根據(jù)金澤水源地常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測資料及水廠出水要求等，擬定了3種水質(zhì)超標分級調(diào)度方案；通過太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)模型模擬分析，分別優(yōu)選確定了1 種流量分級調(diào)度方案及1 種水質(zhì)超標分級調(diào)度方案。根據(jù)上述優(yōu)選成果，設計了1 個常規(guī)流量分級調(diào)度方案、2 個水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，經(jīng)水量水質(zhì)模型在90%降雨頻率枯水典型年模擬研究，得出太浦閘采用水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，可改善金澤水源地水位條件及水質(zhì)指標，減少關鍵水質(zhì)指標（NH3-N）超過0.8 mg/L 及連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)，而松浦大橋備用取水口水質(zhì)指標改善效果有限。 □

表8 不同調(diào)度方案松浦大橋斷面NH3-N、COD模擬成果Tab.8 Simulation results of NH3-N and COD in sections of Songpu Bridge in different scheduling schemes