顧爐華，賴錫軍

(1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101407)

水資源在世界各地都存在時(shí)空分布不均的問題，隨著工業(yè)的發(fā)展、人口的增長和城市的擴(kuò)張，水資源緊缺成為遏制人類社會發(fā)展的重要因素之一[1-2]。通過新建調(diào)水工程，按照人類意愿實(shí)現(xiàn)水量再分配是解決水資源問題的重要手段[3]。目前，全球調(diào)水工程主要分為針對資源型缺水問題和針對水質(zhì)型缺水問題兩大類，大多數(shù)跨流域調(diào)水工程，如美國加利福尼亞調(diào)水工程[4]、科羅拉多河調(diào)水工程、中亞利桑那調(diào)水工程[5]等，均為解決資源型缺失問題而建設(shè)，在灌溉、防洪、航運(yùn)、發(fā)電等方面取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[6-8]；隨著環(huán)境問題日益突出，很多地方雖然水資源相當(dāng)豐富，但因?yàn)樗词艿轿廴臼チ死脙r(jià)值，仍會出現(xiàn)水源不足、供水緊張的狀況，即水質(zhì)型缺水問題。為此，國內(nèi)外有很多通過新建或利用已有的調(diào)水工程來改善水環(huán)境的嘗試，如荷蘭Veluwemeetr湖引換水工程[9]、引灤入津工程[10]、引江濟(jì)太工程[11-14]等，這些工程都采用引清沖污的思路，并取得一定的成效。作為一種水資源配置方法，調(diào)水工程在工程設(shè)計(jì)和施工建設(shè)上已經(jīng)有很多研究成果，但是作為一種改善水環(huán)境的工程措施，仍需要進(jìn)行更深入的探討和研究。

本文基于太湖水量水質(zhì)模型，以拓浚整治后的七浦塘為例，探討了在不同引水量和雨型條件下七浦塘引水對陽澄湖及周邊河網(wǎng)水環(huán)境的影響；以河網(wǎng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為指標(biāo)，分析了對改善河網(wǎng)水質(zhì)效果最明顯的引水區(qū)間；在此基礎(chǔ)上還考察了引水在空間分布上對陽澄湖河網(wǎng)水質(zhì)的影響。

1 太湖水量水質(zhì)模型

太湖水量水質(zhì)模型以太湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以河網(wǎng)水量水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化為關(guān)注點(diǎn)，采用水量模型和水質(zhì)模型全耦合的方式同步計(jì)算水量水質(zhì)的變化過程。針對平原區(qū)和山丘區(qū)，分別采用一維水動(dòng)力模型和集中式水文模型模擬水流運(yùn)動(dòng)，并基于全流域下墊面遙感資料建立產(chǎn)匯流模型來模擬降雨對河道水量的影響。模型沿長江及沿海河道水位邊界根據(jù)鎮(zhèn)江、江陰、徐六涇等10個(gè)國家潮位站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，用插值計(jì)算得到。水質(zhì)邊界參考長江及沿海水質(zhì)并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置，流域內(nèi)點(diǎn)源和面源污染分布情況通過普查監(jiān)測獲得。

1.1 基本原理

描述河道水流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組為

(1)

式中：B為水面寬度，m；Z為水位，m；t為時(shí)間，s；Q為流量，m3/s；q為單寬旁側(cè)入流，m2/s；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；x為沿水流方向(縱向)距離，m；K為流量模數(shù)；m3/s；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，m/s，一般可以近似為零。對上述方程組采用四點(diǎn)線性隱式格式進(jìn)行離散，詳見文獻(xiàn)[14]。

描述物質(zhì)在水流中遷移擴(kuò)散的方程為

(2)

式中：ρ為水質(zhì)參數(shù)的質(zhì)量濃度，mg/L；Ex為縱向分散系數(shù)，m2/s；U為斷面平均流速，m/s；S為水質(zhì)參數(shù)的源匯項(xiàng)，g/(m3·d)，對于不同的水質(zhì)參數(shù)和條件，源匯項(xiàng)各不相同，計(jì)算時(shí)應(yīng)視具體情況而定。

縱向分散系數(shù)Ex由式(3)求得：

Ex=αεC0θ2q

(3)

式中：αε為系數(shù)，取0.01；C0為謝才系數(shù)；θ為斷面寬深比。

1.2 數(shù)值解法

模型中水流方程和水質(zhì)方程均采用三級解法[15]，基本思路是先將方程離散，通過消元構(gòu)建每條河道首斷面和末斷面的線性關(guān)系，從而得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)與周邊相連河道節(jié)點(diǎn)的方程。求解節(jié)點(diǎn)方程，得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，再回代到河道中，求出每個(gè)斷面的數(shù)值。一般性方程如下：

(4)

式中：Cji為第j條河道的第i個(gè)斷面上的變量；fjn為離散后第i-1個(gè)斷面與第i個(gè)斷面之間的線性算子。

經(jīng)過消元得到式(5)：

Cj1=Fjn(Cjn)

(5)

式中：Fjn為第j條河道首斷面變量與末斷面變量之間的線性算子，也即河道首節(jié)點(diǎn)變量與末節(jié)點(diǎn)變量之間的線性算子。

聯(lián)立所有河道得到：

(6)

求解式(6)，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，回代到式(4)，即可求出每個(gè)斷面上的變量。

2 研究區(qū)介紹及模型驗(yàn)證

陽澄湖位于江蘇省南部，蘇州城東北方向5 km，屬于輸入型污染湖泊，受內(nèi)源和外源共同影響，處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)(表1)。陽澄湖主要接納西線入湖水量，從南線和東線河道排出，面積117 km2，蓄水量3.7億km3。

表1 陽澄湖及周邊河網(wǎng)水體水質(zhì)類別

圖1 陽澄湖河網(wǎng)概化和監(jiān)測點(diǎn)位圖

為改善陽澄湖區(qū)域水資源調(diào)控能力和水環(huán)境質(zhì)量，蘇州市于2011年末啟動(dòng)了七浦塘拓浚整治工程，設(shè)計(jì)規(guī)劃自陽澄湖與南消涇匯口起，利用老河道拓竣至常熟市支塘鎮(zhèn)與太倉市沙溪鎮(zhèn)交界的吳塘后，分成南北兩支，其中北支向東北平地開河穿過錫太公路和204公路，在鹽鐵塘和迷涇河交匯處接迷涇河，繼續(xù)拓竣迷涇河至石頭塘東1.3 km處，再平地開河，與太倉市規(guī)劃的蕩茜河銜接，直至長江，拓竣整合工程全長43.89 km，具體線路見圖1。七浦閘從長江引水，自陽澄湖北部入中湖，閘寬32 m，設(shè)計(jì)最大引水能力為120 m3/s。

2.1 水位驗(yàn)證

采用太湖流域主要水文站2015年的水位實(shí)測數(shù)據(jù)對主要河道糙率進(jìn)行率定，率定后的糙率為0.025 5，并利用該糙率對距陽澄湖最近的湘城、蘇州、昆山和常熟4個(gè)站點(diǎn)的水位過程進(jìn)行了驗(yàn)證(圖2)。由圖2可見，基于2015年水雨情模擬所得到的河網(wǎng)水位與實(shí)測過程吻合得較好。各站計(jì)算全年均方根誤差在0.2 m之內(nèi)，模擬和實(shí)測水位過程相位一致，高水位峰現(xiàn)時(shí)間同步。這表明模型可準(zhǔn)確模擬陽澄湖及周邊河網(wǎng)的水位特征。

2.2 水質(zhì)驗(yàn)證

采用陽澄湖及周邊河網(wǎng)主要河道斷面2015年6—12月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對水質(zhì)模型的參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果如表2所示。

表2 陽澄湖及周邊河網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果 d-1

(a) 湘城站

(b) 蘇州站

(c) 昆山站

(d) 常熟站

(a) 沈北大橋

(b) 南消大橋

(c) 野尤涇橋

(d) 木沉港橋

(e) 周塘河橋

(f) 冶長涇橋

以上驗(yàn)證情況表明，太湖水量水質(zhì)模型可較好地反映陽澄湖河網(wǎng)的水量水質(zhì)情況，可用來模擬七浦塘引水對陽澄湖及周邊河網(wǎng)水環(huán)境的影響。

3 七浦閘引水模擬

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如何通過合理調(diào)度達(dá)到河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量改善效果最大化是七浦閘樞紐運(yùn)行時(shí)面臨的問題，目前尚無文獻(xiàn)對這一問題作量化研究。本文首先以2015年雨型為計(jì)算條件，在滿足陽澄淀泖區(qū)防洪控制要求的前提下(湘城水位不高于3.5 m)，設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)來探討6種不同水量(20、40、60、80、100、120 m3/s)的常態(tài)引水對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的影響；再考慮不同雨型條件下七浦塘按某種量級引水對陽澄湖及周邊河網(wǎng)的影響。

3.2 評價(jià)指標(biāo)

為定量衡量雨型和引水量對陽澄湖河網(wǎng)水質(zhì)的影響，以2016—2018年陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動(dòng)[16]中列出的35條河道斷面在2018年的水質(zhì)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，定義了河網(wǎng)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率，即各河道年內(nèi)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的平均值來衡量水質(zhì)改善程度。河網(wǎng)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率K的計(jì)算方式如下：

(7)

式中：Ki為第i條河道的年內(nèi)水質(zhì)月達(dá)標(biāo)率頻次百分?jǐn)?shù)；n為河道數(shù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 引水量的影響

(a) 西線

以七浦塘按照常規(guī)調(diào)度下的計(jì)算結(jié)果為參考值，從出入湖水量、湖泊水質(zhì)過程和河網(wǎng)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率3個(gè)方面對七浦塘引水的影響進(jìn)行討論和研究。首先按月統(tǒng)計(jì)各線出入湖水量和營養(yǎng)鹽通量(流量以入湖為正，出湖為負(fù))，結(jié)果顯示各方案之間的差別主要體現(xiàn)在枯水期，以西線為例，方案6與參照值在3月份相差最大，前者流量不到后者的三分之一。隨著引水量的增加，西線入湖和東線出湖水量逐漸減少，北線入湖和南線出湖水量逐漸增加，即水流東西向流通減弱，南北向流通增強(qiáng)(圖4)。

(a) 西湖，COD

(b) 中東湖，COD

圖5不同引水方案對陽澄湖營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的影響

圖6 不同引水方案下陽澄湖河網(wǎng)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率對比

進(jìn)一步地，以方案2(引水量為40 m3/s)為例，考慮引水在空間分布上對陽澄湖河網(wǎng)水質(zhì)的影響。用方案2的計(jì)算結(jié)果與參考值的差值作為指標(biāo)，探討高COD和TN達(dá)標(biāo)率在空間分布上的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，陽澄湖西部和北部河網(wǎng)COD濃度顯著減小，元和塘、西塘河、婁江和濟(jì)民塘部分河段濃度有所降低；濃度提高的區(qū)域主要集中在蘇州護(hù)城河、瀏河和陽澄湖東部河道。

TN年均質(zhì)量濃度的空間變化特征為：陽澄湖西部河道有所升高，望虞河、元和塘和濟(jì)民塘提高了0.05 mg/L以上；北部、東部和南部河道降低明顯，尤其是七浦塘入湖河段和婁江，降低了至少0.1 mg/L(圖7)。以上分析表明七浦塘引水對河網(wǎng)水質(zhì)的影響具有強(qiáng)烈的空間變異性，這與污染排放的空間差異性和引水改變了區(qū)域水動(dòng)力條件有關(guān)。

(a) COD

(b) TN

4.2 不同雨型條件下引水的影響

分別以豐水年(1999年)、平水年(1976年)和枯水年(1971年)的雨型作為計(jì)算條件，同時(shí)計(jì)算七浦塘常規(guī)調(diào)度和引水量為40 m3/s兩種工況，同樣從出入湖水量、湖泊水質(zhì)變化和河網(wǎng)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率3個(gè)方面對比分析七浦塘引水在不同雨型下對區(qū)域水環(huán)境的影響。首先統(tǒng)計(jì)陽澄湖西北東南4條線年均出入湖水量，由圖8可見，平水年和枯水年下的水量分配特征基本相似，七浦塘引水使得北線河道水量由出湖變?yōu)槿牒M(jìn)的水一方面壓制了西線河道水量向湖體流通，另一方面又促進(jìn)了湖水從南線流出的趨勢。在豐水年，由于河道和湖體水量充沛使得入湖水量減少，西北南3線出入湖水量較平水年和枯水年均有所降低，其中北線降幅最為明顯，約為74%。

圖8 兩種工況下陽澄湖年均出入湖水量對比

(a) 西湖

(b) 中東湖圖9 陽澄湖西湖和中東湖COD質(zhì)量濃度變化過程線

再以引水40 m3/s和常規(guī)調(diào)度下COD濃度差為指標(biāo)，考察不同雨型下引水對陽澄湖西湖和中東湖水質(zhì)的影響(圖9)。對西湖而言，豐平枯3年里引水均降低了COD濃度，而平水年和枯水年降低的幅度較大，平均降低了0.35 mg/L和0.31 mg/L，在豐水年汛期因?yàn)槿牒繙p少，西湖水質(zhì)改善效果不明顯；中東湖水質(zhì)由于與西湖存在差異，平水年和枯水年在接受引水時(shí)COD濃度呈輕度增加趨勢，豐水年引水帶來的濃度變化年均值則接近于0，表明在降雨豐富的年份引水對中東湖水質(zhì)影響不大。

最后對比典型雨型下七浦塘分別按引水40 m3/s和常規(guī)調(diào)度計(jì)算出的COD河網(wǎng)總體達(dá)標(biāo)率，結(jié)果顯示，引水量為40 m3/s時(shí)的COD達(dá)標(biāo)率在不同雨型下均高于常規(guī)調(diào)度下的達(dá)標(biāo)率，且在豐水年達(dá)到100%，平水年和枯水年達(dá)標(biāo)率相同(圖10)。

圖10 兩種工況下COD河網(wǎng)總體達(dá)標(biāo)率對比

5 結(jié)論與展望

治理污染源是改善河網(wǎng)水質(zhì)的根本方法，但是在短期內(nèi)無法截?cái)嗨腥牒游廴驹吹那闆r下，通過科學(xué)調(diào)水，提高水體的流動(dòng)性和復(fù)氧能力，也可以在一定程度上緩解區(qū)域水質(zhì)惡化的問題。本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)對七浦塘引水方案進(jìn)行對比計(jì)算，得出最有利于水環(huán)境質(zhì)量的引水范圍和相應(yīng)的水質(zhì)空間分布特征，為整治后的七浦塘調(diào)度運(yùn)行提供參考。

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