調水引流改善平原河網水環境質量模擬

許益新，王文才，曾偉峰，李一平，賴秋英，殷小海，章雙雙

(1. 河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；2.張家港市水資源監測站，江蘇 張家港 215560；3.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215011)

隨著中國經濟的快速發展，城市化率快速提高，而城鎮污水收集處理基礎設施的建設卻落后于城市建設的步伐，導致大量生活污水及工業廢水進入城市河道，水污染問題日趨嚴重，近年來在東部平原河網地區尤為突出[1-3]。控源截污是改善城市河流水質的根本措施，但在實際治理過程中存在較大的難度。

科學有效的引調水是實現江河湖庫水系連通、改善城市內河水環境的重要舉措，目前引水對于城市內河水環境改善效果的研究多集中于引水水量和引水水質[4-7]，陳振濤等[8]利用水質改善率、類別變化指數和濃度變化指數綜合分析了引水水量和水質對河網水質的改善效果，得出引水水質是影響改善效果的關鍵因素；盧衛等[9]運用MIKE11模型分析了引調水水量、歷時及引水模式對水質的改善效果，結果表明階段性引調水的效率優于連續性引調水；童朝鋒等[10]通過外秦淮河一維河網模型分析了引水方式、引水規模和閘控方式對水質的影響，結果表明不同調水方案條件下，只要滿足引水水量，可以顯著提高外秦淮河的水質。

對于引水水源為長江的河網地區，來水水質變化幅度較小，引水改善城市內河水環境質量主要受到沿江水利樞紐和內河節制閘調度的影響。筆者通過構建張家港市中部水系河網模型，選取沿江水利樞紐和內河節制閘調度方式為研究對象，探究其對城區主要內河水質改善效果的影響，以期為平原河網地區水系優化調度提供技術支持與建議。

1 研究區域概況

張家港市地處長江三角洲發達地區，屬太湖流域澄錫虞水系，境內河網密布，沿江水利樞紐和內河節制閘眾多，其中中部水系沿江水利樞紐主要為朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐，內河節制閘主要為東橫河水利樞紐、東橫河西節制閘和新沙河南端控制工程，中心城區水系主要為東橫河、環城河、新沙河、谷瀆港、華塘河等(圖1)。從張家港市2014年水質例行監測資料來看，全市Ⅴ類及劣Ⅴ類水體達到50%，主要污染物質為NH3-N，其中城區水質超標河道主要為范港河、紀澄河以及新沙河、華塘河等南部河道。為改善張家港市的水環境狀況，從張家港市緊鄰長江的優勢出發，引長江的清潔水源，經由朝東圩港和一干河至城區水系，通過東橫河、谷瀆港和新市河對城區水系進行生態補水。

圖1 張家港市中部水系、引水流向水質檢驗點位置

2 模型構建及評價方法

2.1 模型的建立

采用MIKE11的HD和AD模塊建立張家港市河網水動力和水質耦合數學模型，HD模塊基本原理為圣維南方程[11]，采用“雙掃”法進行數值計算，采用六點中心隱式差分格式；AD模塊是以HD生成的水動力條件為基礎，采用對流擴散方程[12]進行計算。

根據概化后的河網、湖泊在輸水能力和調蓄能力兩個方面必須與實際河網、湖泊相近或基本一致的基本原則[13]，根據張家港市河網水文特征，以朝東圩港、一干河、東橫河、新市河、新沙河為骨干河道，結合谷瀆港、范港河、紀澄河等鎮級河道以及沿江水利樞紐、內河節制閘進行概化。

模型上邊界為朝東圩港、一干河與長江交匯處，為進水口，采用流量邊界，流量資料來自于朝東圩港老閘和一干河老閘自動監測站頻率為1 min的數據，模型下邊界主要為太字圩港、二干河與長江交匯處以及新沙河、二干河南端邊界，為出水口，均采用水位邊界控制。

圖2 張家港市河網模型流量邊界 圖3 重點監測斷面流量率定結果

2.2 模型的率定

以2016年1月11—12日張家港市野外原型調水試驗數據為實測值對模型參數進行率定。原型調水從長江開閘放水，經朝東圩港和一干河進入中心城區水系，共設有16個水文監測斷面和17個水質監測斷面，其中水文自動監測站點11個，水文手動監測站點5個，水質監測斷面均為手動監測。結果表明：計算值與實測值擬合較好，監測點流量相對誤差平均為20.3%，水質相對誤差均在30%以內，符合計算要求；張家港市現狀河道糙率在0.01～0.04之間，NH3-N降解系數為0.03～0.08 d-1。通過模型率定，建立的張家港市河網模型能較好地反映中部水系日常引水工況下水動力水質變化情況，可作為方案計算的有效工具。模型邊界條件見圖2，重點監測斷面流量、水質率定結果分別見圖3和圖4。

圖4 重點監測斷面水質率定結果

2.3 調水引流改善水環境質量評價方法

為了定量分析調水引流對城市內河水環境質量的改善效果，根據張家港市中部水系現狀水質超標因子，選取NH3-N為評價因子，根據水質濃度改善率評價河道水質改善程度，水質濃度改善率計算公式如下：

(1)

式中：R為水質濃度改善率；C0為引水前水質濃度；Ci為引水后第i時刻的水質濃度。R值反映引水前后水質濃度改善的程度，正值表示水質濃度下降，負值表示水質濃度上升。

3 優化調控方案

影響平原河網地區城市內河生態引水效果的主要因素有：沿江水利樞紐調度方式、內河節制閘調度方式、引水水質、引水水量、引水布局和工程實施難度等。本文結合研究區域實際情況，從沿江水利樞紐和內河節制閘調度方式兩方面展開分析，制定相應的計算方案評估引水對城市內河水質的改善效果。

3.1 不同沿江水利樞紐調度方式效果評估

根據張家港市自動監測站頻率為1 min的數據，分析得到現狀引水情況為：朝東圩港水利樞紐一天引水兩潮，其中一潮引水平均時長為2.79 h，引水時段平均流量為55.72 m3/s，二潮引水平均時長為3.35 h，引水時段平均流量為75.33 m3/s；一干河水利樞紐一天引水一潮，引水平均時長為2.45 h，引水時段平均流量為40.04 m3/s。沿江水利樞紐不同的調度方式主要體現在引水天數和水利樞紐組合方案不同兩個方面。

3.1.1 沿江水利樞紐不同引水天數效果評估

為研究引水天數對城市內河水質的改善效果，采用朝東圩港水利樞紐單獨引水工況，分別計算引水天數為1～9 d過程中城市內河NH3-N濃度改善率的變化情況，結果表明：增加引水天數對改善河道水質有顯著作用，河道水質的改善程度與河道現狀濃度和引水時段內通過的流量密切相關，河道現狀濃度較高且引水時段內通過流量大的河道水質改善最為明顯，河道現狀濃度低且引水時段內通過流量小的河道水質改善程度較弱(圖5)。以東橫河與環城河的NH3-N質量濃度改善率為例，二者現狀濃度和引水時段內通過的流量基本相近，故兩者的濃度改善率也基本相近；同樣以谷瀆港和華塘河的NH3-N質量濃度改善率為例，兩者引水時段內通過的流量基本相近，但華塘河的NH3-N現狀質量濃度高于谷瀆港，使得華塘河的NH3-N質量濃度改善率明顯高于谷瀆港。

朝東圩港單獨引水工況下，東橫河與華塘河的NH3-N質量濃度改善率隨引水天數的增加而增大，當引水天數從1 d增加至5 d時，東橫河與華塘河的NH3-N質量濃度改善率分別從0.7%和6.5%提升至23.8%和37.0%，日均提升幅度分別達到5.8%和7.6%，而當引水天數從5 d增加至9 d時，東橫河與華塘河的NH3-N質量濃度改善率分別從23.8%和37.0%提升至30.2%和43.6%，日均提升幅度僅為1.6%和1.7%，表明引水初期來自長江的清潔水源對東橫河和華塘河的NH3-N質量濃度改善程度較強，但隨著引水天數的增加，河道NH3-N質量濃度逐漸降低，使得引水對其NH3-N質量濃度改善作用逐漸減弱。與東橫河與華塘河不同，新沙河、谷瀆港與環城河的NH3-N質量濃度隨著引水天數的增加則呈現先上升后下降的趨勢，當引水天數達到6 d時，來自長江的清潔水源才對其NH3-N質量濃度產生改善效果，即朝東圩港單獨引水工況下，引水天數至少達到6 d，城區主要河道的NH3-N質量濃度才都有改善效果，具體見圖5。

(a) 東橫河、華塘河

(b) 新沙河、谷瀆港、環城河

3.1.2 沿江水利樞紐不同組合方式效果評估

沿江水利樞紐組合方案主要考慮朝東圩港水利樞紐單獨運行、一干河水利樞紐單獨運行以及朝東圩港和一干河水利樞紐聯合運行3種工況，結果表明：朝東圩港單獨引水主要對東橫河、環城河和華塘河的NH3-N質量濃度產生明顯的改善作用，而一干河單獨引水主要對東橫河和谷瀆港的NH3-N質量濃度改善率有較大的提升(圖6)，主要是由于來自朝東圩港的長江清潔水源以補給東橫河、環城河等西部河流為主，而來自一干河的長江清潔水源則以補給東橫河、新市河、谷瀆港等東部河流為主。所以，當同時開啟朝東圩港老閘與一干河老閘進行引水時，張家港市城區河道NH3-N質量濃度改善率較單獨運行工況均有較大的提升，其中東橫河、新沙河和谷瀆港的NH3-N質量濃度改善率分別從朝東圩港單獨引水工況的30.2%、11.7%和12.5%提高至45.0%、20.3%和24.6%，水質改善效果顯著。此外，朝東圩港與一干河聯合引水工況下，當引水天數達到5 d時，城區主要河道的NH3-N質量濃度均有改善(表1)。

表1 聯合引水工況下主要河道NH3-N質量濃度改善率

圖6 水利樞紐不同組合方案與主要河道ρ(NH3-N)改善率關系

3.2 不同內河節制閘調度方式效果評估

由于張家港市內河處于朝東圩港和一干河的下游，引水期間城市內河水質改善效果受到上游河道本底濃度和沿線排污口的影響，故決定引水初期開啟內河節制閘將上游污水排出，而后關閉內河節制閘以更好地改善城市內河水質。

在上述研究的基礎上，研究東橫河水利樞紐與東橫河西節制閘不同調度方式對城區主要河道水質的改善效果，引水工況采用上述推薦的朝東圩港與一干河水利樞紐聯合引水方案，引水天數為5 d，模擬東橫河水利樞紐與東橫河西節制閘在不同排水時長方案下對城區主要河道NH3-N質量濃度改善率的影響，結果表明：內河節制閘不同的調度方式對城區主要河道NH3-N質量濃度改善率的影響有一定的差異(圖7)。東橫河水利樞紐單獨調度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質量濃度總改善率基本呈現逐漸增大的趨勢，當排水時長達到4 h，主要河道NH3-N質量濃度總改善率達到峰值；而東橫河西節制閘單獨調度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質量濃度總改善率呈現波動的狀態，當排水時長為1 h，主要河道NH3-N質量濃度總改善率達到峰值。當東橫河水利樞紐與東橫河西節制閘聯合調度時，各排水時長下主要河道NH3-N質量濃度總改善率較單獨運行工況均有一定的提升，且當排水時長達到5 h，主要河道NH3-N質量濃度總改善率達到峰值。

內河節制閘調度工況對不同河道的NH3-N質量濃度改善率也不同，以新沙河和華塘河為例(圖8)，新沙河的NH3-N質量濃度改善率隨著內河節制閘排水時長的增加而增大，表明東橫河水利樞紐與東橫河西節制閘的開啟有助于排出上游污水，對河道水質改善起到促進作用；而華塘河的NH3-N質量濃度改善率則隨著排水時長的增加而逐漸減小，主要是由于華塘河本底濃度值較大，其NH3-N質量濃度改善率主要與上游來水水量有關，與上游來水水質關系較小，閘門的開啟使得通過華塘河的水量減少，故其NH3-N質量濃度改善率隨著閘門排水時長的增加而降低。

(a) 東橫河水利樞紐

(b) 東橫河西節制閘

(c) 聯合運行

(a) 新沙河

(b) 華塘河

4 結 論

a. 張家港市中部水系水質的改善程度與河道現狀濃度和引水時段內通過的水量密切相關，河道現狀濃度高且引水時段內通過的水量大的河道水質改善最為明顯。整體而言增加引水天數對改善城市內河水質有顯著作用，但隨著引水天數的增加，NH3-N質量濃度改善率日均提升幅度逐漸降低。

b. 比較3種沿江水利樞紐調度工況，由于水利樞紐的位置關系，朝東圩港單獨引水主要對東橫河、環城河和華塘河等靠西的河道的NH3-N質量濃度產生明顯的改善作用，而一干河單獨引水主要對東橫河和谷瀆港等靠東的河道的NH3-N質量濃度改善率有較大的提升。此外，沿江水利樞紐聯合運行工況下城市內河NH3-N質量濃度改善率較單獨運行工況有較大的提升。城市內河調水引流工作應注重多水源聯合調度，且調度天數不宜過長。

c. 引水初期研究區域內主要內河節制閘排水有利于提高內河水質的改善效果。東橫河水利樞紐單獨調度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質量濃度總改善率基本呈現逐漸增大的趨勢，排水4 h為其改善效果最佳工況，而東橫河西節制閘單獨調度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質量濃度總改善率呈現波動的狀態，排水1 h為其改善效果最佳工況。兩內河節制閘聯合排水時，河道水質改善效果比單一節制閘排水更好，排水5 h為其改善效果最佳工況。內河節制閘調度工況對改善城市內河水質起到一定的促進作用，實際調水引流工作中可作為一種輔助措施。

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