七浦塘引水對陽澄湖河網水環境影響的模擬研究

顧爐華，賴錫軍

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

水資源在世界各地都存在時空分布不均的問題，隨著工業的發展、人口的增長和城市的擴張，水資源緊缺成為遏制人類社會發展的重要因素之一[1-2]。通過新建調水工程，按照人類意愿實現水量再分配是解決水資源問題的重要手段[3]。目前，全球調水工程主要分為針對資源型缺水問題和針對水質型缺水問題兩大類，大多數跨流域調水工程，如美國加利福尼亞調水工程[4]、科羅拉多河調水工程、中亞利桑那調水工程[5]等，均為解決資源型缺失問題而建設，在灌溉、防洪、航運、發電等方面取得巨大的經濟和社會效益[6-8]；隨著環境問題日益突出，很多地方雖然水資源相當豐富，但因為水源受到污染失去了利用價值，仍會出現水源不足、供水緊張的狀況，即水質型缺水問題。為此，國內外有很多通過新建或利用已有的調水工程來改善水環境的嘗試，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，調水工程在工程設計和施工建設上已經有很多研究成果，但是作為一種改善水環境的工程措施，仍需要進行更深入的探討和研究。

本文基于太湖水量水質模型，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水環境的影響；以河網水質達標率為指標，分析了對改善河網水質效果最明顯的引水區間；在此基礎上還考察了引水在空間分布上對陽澄湖河網水質的影響。

1 太湖水量水質模型

太湖水量水質模型以太湖流域為研究區域，以河網水量水質的動態變化為關注點，采用水量模型和水質模型全耦合的方式同步計算水量水質的變化過程。針對平原區和山丘區，分別采用一維水動力模型和集中式水文模型模擬水流運動，并基于全流域下墊面遙感資料建立產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鎮江、江陰、徐六涇等10個國家潮位站的監測數據，用插值計算得到。水質邊界參考長江及沿海水質并結合實際情況設置，流域內點源和面源污染分布情況通過普查監測獲得。

1.1 基本原理

描述河道水流運動的圣維南方程組為

(1)

式中：B為水面寬度，m；Z為水位，m；t為時間，s；Q為流量，m3/s；q為單寬旁側入流，m2/s；α為動量校正系數；g為重力加速度，m/s2；A為過水斷面面積，m2；x為沿水流方向(縱向)距離，m；K為流量模數；m3/s；Vx為旁側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線性隱式格式進行離散，詳見文獻[14]。

描述物質在水流中遷移擴散的方程為

(2)

式中：ρ為水質參數的質量濃度，mg/L；Ex為縱向分散系數，m2/s；U為斷面平均流速，m/s；S為水質參數的源匯項，g/(m3·d)，對于不同的水質參數和條件，源匯項各不相同，計算時應視具體情況而定。

縱向分散系數Ex由式(3)求得：

Ex=αεC0θ2q

(3)

式中：αε為系數，取0.01；C0為謝才系數；θ為斷面寬深比。

1.2 數值解法

模型中水流方程和水質方程均采用三級解法[15]，基本思路是先將方程離散，通過消元構建每條河道首斷面和末斷面的線性關系，從而得到每個節點與周邊相連河道節點的方程。求解節點方程，得到每一個節點的數值，再回代到河道中，求出每個斷面的數值。一般性方程如下：

(4)

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

經過消元得到式(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，也即河道首節點變量與末節點變量之間的線性算子。

聯立所有河道得到：

(6)

求解式(6)，得出每個節點的數值，回代到式(4)，即可求出每個斷面上的變量。

2 研究區介紹及模型驗證

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，受內源和外源共同影響，處于輕度富營養化狀態(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 陽澄湖及周邊河網水體水質類別

圖1 陽澄湖河網概化和監測點位圖

為改善陽澄湖區域水資源調控能力和水環境質量，蘇州市于2011年末啟動了七浦塘拓浚整治工程，設計規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與太倉市沙溪鎮交界的吳塘后，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，繼續拓竣迷涇河至石頭塘東1.3 km處，再平地開河，與太倉市規劃的蕩茜河銜接，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，設計最大引水能力為120 m3/s。

2.1 水位驗證

采用太湖流域主要水文站2015年的水位實測數據對主要河道糙率進行率定，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個站點的水位過程進行了驗證(圖2)。由圖2可見，基于2015年水雨情模擬所得到的河網水位與實測過程吻合得較好。各站計算全年均方根誤差在0.2 m之內，模擬和實測水位過程相位一致，高水位峰現時間同步。這表明模型可準確模擬陽澄湖及周邊河網的水位特征。

2.2 水質驗證

采用陽澄湖及周邊河網主要河道斷面2015年6—12月的水質監測數據對水質模型的參數進行率定，結果如表2所示。

表2 陽澄湖及周邊河網水質參數率定結果 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

以上驗證情況表明，太湖水量水質模型可較好地反映陽澄湖河網的水量水質情況，可用來模擬七浦塘引水對陽澄湖及周邊河網水環境的影響。

3 七浦閘引水模擬

3.1 實驗設計

如何通過合理調度達到河網水環境質量改善效果最大化是七浦閘樞紐運行時面臨的問題，目前尚無文獻對這一問題作量化研究。本文首先以2015年雨型為計算條件，在滿足陽澄淀泖區防洪控制要求的前提下(湘城水位不高于3.5 m)，設計數值實驗來探討6種不同水量(20、40、60、80、100、120 m3/s)的常態引水對區域水環境質量的影響；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的影響。

3.2 評價指標

為定量衡量雨型和引水量對陽澄湖河網水質的影響，以2016—2018年陽澄湖生態優化行動[16]中列出的35條河道斷面在2018年的水質目標為標準，定義了河網水質總體達標率，即各河道年內水質達標率的平均值來衡量水質改善程度。河網水質總體達標率K的計算方式如下：

(7)

式中：Ki為第i條河道的年內水質月達標率頻次百分數；n為河道數。

4 結果與討論

4.1 引水量的影響

(a) 西線

以七浦塘按照常規調度下的計算結果為參考值，從出入湖水量、湖泊水質過程和河網水質總體達標率3個方面對七浦塘引水的影響進行討論和研究。首先按月統計各線出入湖水量和營養鹽通量(流量以入湖為正，出湖為負)，結果顯示各方案之間的差別主要體現在枯水期，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(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鹽質量濃度的影響

圖6 不同引水方案下陽澄湖河網水質總體達標率對比

進一步地，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水質的影響。用方案2的計算結果與參考值的差值作為指標，探討高COD和TN達標率在空間分布上的變化規律。結果顯示，陽澄湖西部和北部河網COD濃度顯著減小，元和塘、西塘河、婁江和濟民塘部分河段濃度有所降低；濃度提高的區域主要集中在蘇州護城河、瀏河和陽澄湖東部河道。

TN年均質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水質的影響具有強烈的空間變異性，這與污染排放的空間差異性和引水改變了區域水動力條件有關。

(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)的雨型作為計算條件，同時計算七浦塘常規調度和引水量為40 m3/s兩種工況，同樣從出入湖水量、湖泊水質變化和河網水質總體達標率3個方面對比分析七浦塘引水在不同雨型下對區域水環境的影響。首先統計陽澄湖西北東南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為入湖，引進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質量濃度變化過程線

再以引水40 m3/s和常規調度下COD濃度差為指標，考察不同雨型下引水對陽澄湖西湖和中東湖水質的影響(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，在豐水年汛期因為入湖水量減少，西湖水質改善效果不明顯；中東湖水質由于與西湖存在差異，平水年和枯水年在接受引水時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和常規調度計算出的COD河網總體達標率，結果顯示，引水量為40 m3/s時的COD達標率在不同雨型下均高于常規調度下的達標率，且在豐水年達到100%，平水年和枯水年達標率相同(圖10)。

圖10 兩種工況下COD河網總體達標率對比

5 結論與展望

治理污染源是改善河網水質的根本方法，但是在短期內無法截斷所有入河污染源的情況下，通過科學調水，提高水體的流動性和復氧能力，也可以在一定程度上緩解區域水質惡化的問題。本文通過數值實驗對七浦塘引水方案進行對比計算，得出最有利于水環境質量的引水范圍和相應的水質空間分布特征，為整治后的七浦塘調度運行提供參考。

[1]姜文來.中國21世紀水資源安全對策研究[J].水科學進展,2001,12(1):66-71.(JIANG Wenlai.Study on water resources safety Strategy for China in the 21th century[J].Advances in Water Science,2001,12(1):66-71.(in Chinese))

[2]SHIKLOMANOV I A.World water resources and water use modern assessment and outlook for future[J].Advances in Water Science,1999(3):219-234.

[3]GOHARI A,ESLAMIAN S,MIRCHI A,et al.Water transfer as a solution to water shortage:a fix that can Backfire[J].Journal of Hydology,2013,491(1):23-39 .

[4]皮鈞,熊雁暉.加利福尼亞調水工程對我國調水工程的啟示[J].南水北調與水利科技,2004,2(4):50-52.(PI Jun,XIONG Yanhui.Enlightment from California State Water Project to South-Norh Water Diversion Project[J].South-to-North Water Transfer and Water Science & Technology,2004,2(4):50-52.(in Chinese))

[5]沈佩君,邵東國,郭元裕.國內外跨流域調水工程建設的現狀與前景[J].武漢大學學報(工學版),1995(5):463-469.(SHEN Peijun,SHAO Dongguo,GUO Yuanyu.Inter basin water transfers at home and abroad:current and future situation[J].Engineering Journal of Wuhan University,1995(5):463-469.(in Chinese))

[6]MA F B,WANG X.Impacts of water transfer project on eco-environment:a review[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2011,10:20-24 .

[7]ZHANG L,LI S,LOICIGA H A,et al.Opportunities and challenges of interbasin water transfers:a literature review with bibliometric analysis[J].Scientometrics,2015,105(1):279-294 .

[8]ZHUANG W.Eco-environmental impact of inter-basin water transfer projects:a review[J].Environmental Science and Pollution Research,2016,23(13):12867-12879 .

[9]楊飛,于永海,徐輝.國內梯級泵站調水工程運行調度綜述[J].水利水電科技進展,2006,26(4):84-86.(YANG Fei,YU Yonghai,XU hui.Progress in studies of operation and scheduling of multistage pumping stations in water transfer projects in China[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2006,26(4):84-86.(in Chinese))

[9]張華鋒.浙北引水工程對嘉興平原河網水環境影響的評價研究[D].杭州：浙江大學,2008.

[10]朱龍基,范蘭池,林超.引灤入津工程水質時空演化規律分析[J].水資源保護,2009,25(2):15-17.(ZHU Longji,FAN Lanchi,LIN Chao.Temporal and spatial variation of water quality for water diversion project from Luanhe River to Tianjin City[J].Water Resources Protection,2009,25(2):15-17.(in Chinese))

[11]WU H,HU Y.Maintaining healthy rivers and lakes through water diversion from Yangtze River to Taihu lake inTaihu Basin[J].Water Science and Engineering,2008,1(3):36-43.

[12]HAO W B,TANG C Y,HUA L,et al.Effects of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake on hydrodynamic regulation of Taihu Lake[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2012,2:129-133.

[13]SHAO X,WANG H,WANG Z.Interbasin transfer projects and their implications:a China case study[J].International Journal of River Basin Management,2003,1(1):5-14 .

[14]王棟,梁忠民,常文娟,等.基于模糊集對分析的引江濟太調水效益綜合評價[J].水資源保護,2017,33(1):35-40.(WANG Dong,LIANG Zhongmin,CHANG Wenjuan,et al.Comprehensive evaluation of benefit of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake based on fuzzy set pair analysis[J].Water Resources Protection,2017,33(1):35-40.(in Chinese))

[15]汪德爟.計算水力學理論與應用[M].南京：河海大學出版社，1989.

[16]蘇州市政府.蘇州市陽澄湖生態優化三年行動計劃[R].蘇州：蘇州市政府,2016.