江蘇省陽澄淀泖區(qū)水資源調(diào)度最低目標(biāo)水位研究

梁慶華，李燦燦

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇蘇州 215128)

江蘇省陽澄淀泖區(qū)位于太湖流域東北部，屬太湖下游的一個(gè)水利分區(qū)，西至望虞河、京杭大運(yùn)河與太湖，北以長江為界，東至蘇、滬省市分界線及淀山湖東岸、攔路港與泖河一線，南以太浦河北岸為界，行政區(qū)劃絕大部分屬蘇州市，僅一小部分屬上海市。區(qū)域內(nèi)以婁江和滬寧鐵路為界，又分成北部陽澄區(qū)和南部的淀泖區(qū)[1]。

陽澄淀泖區(qū)雨水充沛，多年平均降雨量約1100 mm，降雨量年際變化較大，豐水年可達(dá)1560 mm左右，枯水年僅為600 mm左右，降雨多而集中在每年汛期5—9月，一般占多年平均降雨量的60%左右，在區(qū)域分布上呈自東南向西北遞減。陽澄淀泖區(qū)地表水污染屬綜合型有機(jī)污染。主要污染指標(biāo)為NH3-N、TP、CODMn和COD。影響全區(qū)主要河流水質(zhì)的首要污染物為NH3-N。全區(qū)湖泊水質(zhì)狀況主要為富營養(yǎng)化。2009年尚湖、太湖水質(zhì)較好，總體水質(zhì)基本達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求，但反映富營養(yǎng)化程度的TN和TP指標(biāo)存在超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象[1-3]。

1 現(xiàn)狀及存在問題

1.1 現(xiàn)狀

按照1999年國家防汛總指揮部批復(fù)的洪水調(diào)度方案，各地嚴(yán)格制定了所屬水利工程的防洪調(diào)度預(yù)案，明確了所在地區(qū)的防洪警戒水位和超警戒水位以上的工程調(diào)度與洪水安排。但對枯水期的水資源調(diào)度，除了在流域水資源綜合規(guī)劃中進(jìn)行了初步研究外，至今未形成統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的調(diào)度目標(biāo)體系。流域內(nèi)河湖水位綜合反映流域、區(qū)域汛情及水資源狀況，是水利工程控制運(yùn)行的重要指標(biāo)，為了盡快解決防洪與水資源調(diào)度間的矛盾，制定一套合理的最低目標(biāo)水位顯得尤為迫切。

1.2 存在問題

由于太湖流域尚未形成合理的水資源調(diào)度方案，水資源、水環(huán)境調(diào)度缺少量化的控制性指標(biāo)，包括調(diào)度參照指標(biāo)和調(diào)度所需達(dá)到的目標(biāo)，水位指標(biāo)不確定，水質(zhì)指標(biāo)更是薄弱。各地近年來引水量增大，而相應(yīng)的排水量卻沒有增大，導(dǎo)致內(nèi)河水位相對抬高，水位經(jīng)常超警戒，需通過科學(xué)計(jì)算，重新確定合理的特征水位。目前江蘇省太湖地區(qū)水質(zhì)測站少，資料不全，沒有比較全面的水質(zhì)資料，以水質(zhì)作為控制指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度難度較大，故筆者僅以水位作為目標(biāo)參數(shù)研究。

2 最低目標(biāo)水位的計(jì)算

2.1 特征水位選擇

在水文系列分析中，不同頻率下的區(qū)域特征水位包括:年平均水位、月平均水位、旬平均水位、日平均水位等。由于年平均水位和月平均水位都不能較好地反映最枯時(shí)段對區(qū)域水位的控制要求，而旬平均時(shí)間步長也較大，同樣不能及時(shí)反映水位的階段性變化，因此筆者采用日平均水位進(jìn)行分析研究。

2.2 數(shù)據(jù)分析及成果

陽澄淀泖區(qū)相關(guān)水文站主要有湘城站、常熟站、昆山站、瓜涇口站、陳墓站等。因湘城站位于陽澄湖西北部，陽澄湖水位變化幅度較小，并能反映陽澄區(qū)水位變化，故采用湘城站作為陽澄區(qū)代表站;而陳墓站位于淀山湖北側(cè)，與澄湖相通，澄湖又是淀泖河網(wǎng)的調(diào)蓄湖泊，因此采用陳墓站作為淀泖區(qū)代表站。

筆者采用陽澄淀泖區(qū)湘城站和陳墓站1971—2007年的逐日實(shí)測水位數(shù)據(jù)，分成以下兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行歷史水位頻率分析:汛期(5—9月)、非汛期(10月至次年4月)。

區(qū)域水文代表站水位-頻率分析采用P-Ⅲ型適線法。計(jì)算成果見圖1～2所示。

圖1 湘城站最低日均水位-頻率關(guān)系

圖2 陳墓站最低日均水位-頻率關(guān)系

研究采用2012年工況，在許多規(guī)劃工程未實(shí)施的前提下，達(dá)不到枯水年的用水需求，因此確定目標(biāo)水位的關(guān)鍵因子是采用P-Ⅲ型適線法計(jì)算出的頻率為75%(中等干旱年)的最低日均水位。在確定目標(biāo)水位時(shí)，汛期適當(dāng)降低遇中等干旱年的平原河網(wǎng)區(qū)的最低日均水位;非汛期適當(dāng)抬高區(qū)域遇中等干旱年的平原河網(wǎng)區(qū)的最低日均水位，以達(dá)到或接近實(shí)測統(tǒng)計(jì)資料的中等干旱年各水位代表站最低日平均水位水平。另外，在制定最低水位目標(biāo)時(shí)，結(jié)合代表站引排控制水位、最低日平均水位等歷史特征水位，綜合考慮水文站所在河道的特征、地勢情況。各區(qū)水文站特征水位及最低日平均水位控制目標(biāo)成果詳見表1。

表1 各代表站最低水位控制目標(biāo)m

3 最低目標(biāo)水位合理性分析

3.1 城鎮(zhèn)自來水廠取水口要求

目前，陽澄淀泖區(qū)城鎮(zhèn)自來水廠直接從河網(wǎng)內(nèi)取水很少，僅有部分農(nóng)村自來水廠從河網(wǎng)取水，制定的最低目標(biāo)水位均能滿足城鎮(zhèn)、農(nóng)村自來水廠取水口的設(shè)計(jì)取水水位，因此，以實(shí)測統(tǒng)計(jì)資料的中等干旱年各水文代表站汛期和非汛期最低日平均水位作為其最低日平均水位控制目標(biāo)，能夠滿足城鎮(zhèn)、農(nóng)村自來水廠取水口設(shè)計(jì)取水水位條件。

3.2 農(nóng)業(yè)灌溉因素分析

陽澄淀泖區(qū)為灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，平原區(qū)農(nóng)田灌溉用水基本通過提水方式取自本地河網(wǎng)。各類船閘、節(jié)制閘的底板以及船閘閘室底板高程均為－1.5～1.5 m。在各水文代表站所確定的汛期和非汛期最低日平均水位控制目標(biāo)條件下，區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水的取水要求均能滿足。

3.3 航運(yùn)因素分析

交通部確定的蘇南干線航道最低通航水位為2.3m[4]。而擬定的陽澄區(qū)兩個(gè)時(shí)期(汛期、非汛期)的最低目標(biāo)水位為2.6 m、2.5 m，淀泖區(qū)為2.55m、2.45m。因此，在各水文代表站所確定的最低日平均水位控制目標(biāo)條件下，河網(wǎng)內(nèi)船只可以正常航行。

3.4 生態(tài)用水分析

最低生態(tài)水位是指維持湖泊濕地系統(tǒng)所需要的最低水位，是生態(tài)系統(tǒng)可以恢復(fù)的極限低水位，以維持湖泊的生態(tài)功能，保證水生動植物能夠生存，維持其不消亡所需要的最小群落數(shù)量[5]。

3.4.1 研究方法

研究采用基于生態(tài)保護(hù)的最低生態(tài)水位計(jì)算方法:①通過相關(guān)資料以及對水生態(tài)方面的材料分析，找出近期生態(tài)狀況較差的年份并求出該年各水文站的最小月平均水位Hmin。② 計(jì)算水文站實(shí)測水位資料系列年的多年月平均最小水位hmin。③由已求出的生態(tài)較差年最小月平均水位和系列年月平均水位，計(jì)算最小生態(tài)水位系數(shù)K(Khmin=Hmin)。④用最小生態(tài)水位系數(shù)乘以系列年各月最小平均水位，得出各水文站逐月最低生態(tài)水位H1，H2，…，H12，取其最小值即為相應(yīng)區(qū)域的最低生態(tài)水位H，H=min{H1，H2，…，H12}[6-8]。

3.4.2 計(jì)算成果及分析

由于調(diào)查基準(zhǔn)年采用2007年，且通過調(diào)研以及《健康太湖綜合評價(jià)》相關(guān)結(jié)論得出，2007年是陽澄淀泖區(qū)生態(tài)狀況最差的年份。

2007年湘城、陳墓水文站的最小月平均水位Hmin分別為3.00 m、2.79 m，1971年至2007年各水文站的多年月平均最小水位 hmin分別為2.97 m、2.67 m，則各水文站的最小生態(tài)水位系數(shù)K分別為1.01、1.04。以最小生態(tài)水位系數(shù)乘以多年各月最小平均水位h1，h2，…，h12即得到逐月最低生態(tài)水位H1，H2，…，H12(表2)，由表2 可知，各代表站最低生態(tài)水位季節(jié)變化明顯，取其中的最小值即為生態(tài)水位法確定的最低生態(tài)水位H，計(jì)算結(jié)果如表3。從表3可知湘城和陳墓站最低生態(tài)水位依次為2.51 m、2.45 m。

表2 多年逐月最小水位和最低生態(tài)水位 m

表3 最低生態(tài)水位 m

比較最低目標(biāo)水位與計(jì)算得出的最低生態(tài)需水位可知，在各水文代表站所確定的最低日平均水位控制目標(biāo)條件下，河網(wǎng)內(nèi)水位能夠維持湖泊的生態(tài)功能，保證水生動植物正常生存。

綜上所述，以2.6 m、2.5 m作為陽澄區(qū)汛期、非汛期的最低目標(biāo)水位，以2.55 m、2.45m作為淀泖區(qū)兩個(gè)時(shí)期的最低目標(biāo)水位是合理的，符合實(shí)際情況的。

4 最低目標(biāo)水位可達(dá)性分析

水量模型可分為降雨徑流模型和河網(wǎng)水流模型。

4.1 降雨徑流模型

降雨徑流模型又可分為產(chǎn)流與匯流兩部分。①產(chǎn)流模型。根據(jù)不同下墊面，分別計(jì)算水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)道路4類產(chǎn)水。然后再根據(jù)各類下墊面所占比例進(jìn)行加權(quán)平均，最后得到各個(gè)水利分區(qū)的總產(chǎn)流量。②匯流模型。平原區(qū)的匯流計(jì)算分為圩區(qū)與非圩區(qū)兩種情況分別進(jìn)行，其中圩區(qū)匯流考慮排澇模數(shù)，非圩區(qū)使用匯流曲線。

4.2 河網(wǎng)水流模型

河網(wǎng)水流模型的主要任務(wù)是根據(jù)降雨徑流模型提供的成果及廢水負(fù)荷模型所提供的面和點(diǎn)的廢水排放量，河網(wǎng)水質(zhì)模型模擬成果(耦合計(jì)算)，再加上流域內(nèi)引、排水工程的作用，模擬河網(wǎng)中的水流運(yùn)動，計(jì)算各斷面的水位、流量。模型計(jì)算范圍為整個(gè)太湖流域，面積約36895 km2。模型包括湖、蕩等零維模型和河網(wǎng)一維模型。

a.零維模型。對于湖、蕩、圩這一類區(qū)域，水流行為的影響主要表現(xiàn)在水量交換，反映水流行為的指標(biāo)是水位，水位的變化規(guī)律必須遵循水量平衡原理，即流入?yún)^(qū)域的凈水量等于區(qū)域內(nèi)的蓄量增量，對該方程可直接進(jìn)行差分離散。

式中:Q為河道斷面流量;A為過水面積;Z為水位;t為時(shí)間。

b.一維模型。河網(wǎng)一維非恒定流動基本方程組為圣維南方程組，可采用四點(diǎn)線性隱式格式進(jìn)行離散求解[9]。

式中:q為旁側(cè)入流;B為河寬;Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可近似為零;K為流量模數(shù);α為動量校正系數(shù)。

4.3 研究方法

采用太湖流域河網(wǎng)水量模型進(jìn)行各代表年流域水資源供需分析，得到不同年型各水文代表站最低日平均水位的成果，通過代表年各水文代表站水位計(jì)算成果與相應(yīng)各站最低日平均水位控制目標(biāo)的比較，分析陽澄淀泖區(qū)各水文代表站最低日平均水位控制目標(biāo)的可達(dá)性。

4.4 可達(dá)性分析

代表年供需分析中，流域水利工程布局及其調(diào)度原則、下墊面情況以及供用水條件，均采用2007年基準(zhǔn)年情況。選用枯水年和中等干旱年的代表年分別為1971年和1976年，計(jì)算成果及擬定的目標(biāo)水位詳見表4。

表4 各水文站計(jì)算最低日平均水位 m

從表4中可見，各區(qū)遇中等干旱年(P=75%，1976年型)，平原區(qū)河網(wǎng)各水文站水位值均高于河道內(nèi)最低水位目標(biāo)值，河道內(nèi)外用水需求能夠得到滿足。遇枯水年(P=90%，1971年型)，非汛期時(shí)段，各站水位值均高于河道內(nèi)最低水位目標(biāo)值，河道內(nèi)外用水需求能夠得到滿足;汛期時(shí)段，陳墓站目標(biāo)水位高于該站的模型計(jì)算水位，因汛期河道外農(nóng)業(yè)灌溉、生活、生產(chǎn)等大量取水，雖沿江口門擴(kuò)大引江水量，但在2012年工況下水利工程條件等還不完善，遇枯水年型時(shí)仍然難以滿足該時(shí)段的河道內(nèi)、外用水需求。由于本次計(jì)算采用的工況是現(xiàn)狀工況，調(diào)度方案也是現(xiàn)狀調(diào)度，現(xiàn)狀水資源調(diào)度還不能保證各區(qū)在不同年型下水資源量得到滿足，因此需要優(yōu)化調(diào)度，一方面為了滿足水資源量的需求，另一方面為了水環(huán)境得到一定程度的改善。

5 結(jié) 語

a.基于水文統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用P-Ⅲ型適線法，結(jié)合水文站引排控制水位、最低日平均水位等歷史特征水位，綜合考慮水文站所在河道的特征、地勢情況，并根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況，分汛期和非汛期分別擬定水資源調(diào)度目標(biāo)水位，為陽澄淀泖區(qū)水資源調(diào)度提供一定的參考，具有實(shí)用性。

b.在資料有限的情況下，如何對擬定的目標(biāo)水位進(jìn)行合理性分析，給出了多種方法復(fù)核，尤其是綜合考慮了最低生態(tài)水位，在進(jìn)行水資源調(diào)度時(shí)需滿足區(qū)域生態(tài)環(huán)境要求，是一種新的嘗試，也是水資源調(diào)度目標(biāo)參數(shù)制定的新方向。復(fù)核結(jié)果表明，擬定的水資源調(diào)度目標(biāo)水位是合理并符合實(shí)際情況的。

c.采用太湖流域河網(wǎng)水量模型進(jìn)行建模，得到不同年型各水文站最低日平均水位的成果，通過代表年各站水位計(jì)算成果與相應(yīng)各站最低日平均水位控制目標(biāo)的比較，分析陽澄淀泖區(qū)各水文站最低水位目標(biāo)的可達(dá)性。得出結(jié)論為:現(xiàn)狀水資源調(diào)度還不能保證各區(qū)在不同年型下水資源量得到滿足，因此陽澄淀泖區(qū)水資源調(diào)度方案仍有優(yōu)化空間，以滿足水資源量的需求及改善水環(huán)境。

d.目前由于各地區(qū)尚未形成合理的水資源調(diào)度方案，水資源、水環(huán)境調(diào)度缺少量化的控制性指標(biāo)，包括調(diào)度參照指標(biāo)和調(diào)度所需達(dá)到的目標(biāo)，水位指標(biāo)不確定，水質(zhì)指標(biāo)更是很薄弱。由于水質(zhì)資料較缺乏，本研究僅對水位指標(biāo)進(jìn)行了深入研究，但對于水質(zhì)型、資源型缺水的陽澄淀泖區(qū)，將水質(zhì)指標(biāo)作為水資源調(diào)度的判別指標(biāo)顯得尤為重要，只有水質(zhì)得到改善的水資源調(diào)度模式，才能從根本上解決水質(zhì)型缺水。

[1]水利部太湖流域管理局.太湖流域防洪規(guī)劃[R].上海:水利部太湖流域管理局，2007.

[2]蘇州市水利局.2007年蘇州市水資源公報(bào)[R].蘇州:蘇州市水利局，2008.

[3]《中國河湖大典》編纂委員會.中國河湖大典[M].北京:中國水利水電出版社，2010.

[4]蘇州市航道管理處.蘇州市內(nèi)河航道技術(shù)等級文件匯編[G].蘇州:蘇州市航道管理處，1995.

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