基于有序流動的陽澄淀泖區流速水質相關性分析

楊文晶 楊金艷 蔡曉鈺 白瑞泉 姜宇

摘要：陽澄淀泖區為平原河網區，在適度的引排調度下使河湖水流有序流動，對于合理蓄泄洪澇水、調控水資源、改善水生態環境意義重大。以陽澄淀泖區有序流動調水試驗的水量、水質監測數據為基礎，從最能直觀反映水體有序流動的水量指標-流速出發，利用SPSS軟件計算流速與水體重要水質指標之間的相關關系，研究河湖水體有序流動中流速與水質的響應機制。研究結果發現流速-溶解氧的相關性最強，引水口門及原本滯流較重的河道流速與各水質指標之間相關性更強，水質改善更顯著;但通過工程調度只能一定程度上改變水環境，與水質產生直接的相關關系很難。研究成果可為評估水流有序流動對河網水環境改善的實際效果提供技術支撐，對研究區域確定合理的引排調度方案，改善水質有積極的意義。

關?鍵?詞：有序流動; 流速與水質; 陽澄淀泖區; 平原河網區

中圖法分類號： X824?文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.006

太湖流域是以太湖為中心的一個相對獨立的封閉區域，是長江下游的支流區，流域北、東、南三邊水流受長江和杭州灣水位影響[1]。流域河道水網密集，湖泊較多，江河湖海相貫通，水系織雜，地勢低平，河道比降小，在潮汐作用下，水流不定、流速緩慢，為典型的平原河網地區[2]。經過大規模的水利工程建設，太浦河、望虞河、杭嘉湖南排工程和環湖大堤等一輪治太11項骨干工程已全部完成，形成了以治太骨干工程為主體，上游水庫、周邊江堤海塘和平原區各類圩閘等工程組成的流域工程體系初步具備了防洪減災、資源調度的基本條件[3]。近年來，在流域管理方面開展了以保障防洪與供水安全、兼顧水環境改善為目標的流域水量水質綜合調度，取得了顯著成效。構筑流域河網有序流動的格局是開展綜合調度的重要內容[4]。

太湖流域分成8個水利分區，其中陽澄淀泖區北以沿江控制線為界、西以環太湖控制線為界、西北側以望虞河東岸控制線為界、南以太浦河北岸控制線為界，水流運動相對獨立，且工程基礎和工程可控性較強，調水試驗經驗豐富，可作為分析研究的典型區域。在適度的引排調度下河湖有序流動，對于合理蓄泄洪澇水、調控水資源、改善水生態環境意義重大[5]。

該研究作為太湖流域綜合調度及河湖有序流動技術研究項目的典型區域研究，通過開展陽澄淀泖區有序流動水量水質監測與分析，評估平原河網有序流動對河網水環境改善的實際效果，驗證區域河湖水體有序流動與水量水質的響應機制。

本文從最能直觀反映水體有序流動的水量指標—流速出發，計算其與水體各重要水質指標之間的相關關系，并從不同的角度對相關性結果進行深度剖析，分析探索在水體流動加快時水質的響應規律，進而評估河網有序流動下水環境改善的實際效果，這對研究如何通過區域綜合調度來改善水環境有積極的意義。

1?調水試驗概況

1.1?試驗背景及目標

該研究項目界定有序流動內涵為：水體有序流動在符合由自然地理條件決定的自然屬性基礎上，通過人類科學調控，改變其自然屬性中對人類不利的現狀，轉變原河網流向多變、換水低效、流動性平緩等流態為水體引排方向規律、換水高效、流動性加快的有序流態，形成一種自然流暢、人水和諧、利益最大化的流動格局。

結合陽澄淀泖區的實際情況，本次調水試驗的總體目標為：通過沿江閘站、環湖口門、望虞河東岸沿線閘站和控導工程的聯合調度，改善陽澄湖水環境，以及七浦塘、瀏河沿線水動力條件;加快淀泖區湖蕩及河道流動，改善蘇州相城區河道流速緩慢問題;減少陽澄湖西岸入湖河道對陽澄湖水環境的潛在影響，加快常熟市區骨干河道水體流動，形成引排有序的水循環體系，在一定程度上改善河網水環境（見圖1）。

根據河道分布特征、引排能力、水質提升需求不同，綜合水質提升效果和換水效率，初擬本片區沿江引水為主的河道汛期適宜流速達到20 cm/s、非汛期15 cm/s以上為宜，關鍵斷面溶解氧控制在5 mg/L;沿江引排結合的河道汛期適宜流速達到20 cm/s、非汛期15 cm/s以上為宜，關鍵斷面溶解氧控制在3 mg/L;望虞河東岸及環湖引水河道汛期適宜流速達到10?cm/s?、非汛期7 cm/s以上為宜，斷面溶解氧控制在3 mg/L;骨干匯水河道適宜流速達到10 cm/s、非汛期7 cm/s以上為宜，斷面溶解氧控制在2 mg/L。

1.2?試驗實施方案及效果

考慮到汛期和非汛期區域水流格局和引排要求的不同，為全面了解陽澄淀泖區現狀水體流動格局，在非汛期（3月）實施調水試驗進行水量水質原位監測，結合汛期調度實際，在汛期（5，6月）開展區域水量水質同步監測，可用于現狀常規實際調度情況下的汛期前后河湖水體流動及水質變化情況分析，為太湖流域綜合調度及河湖有序流動技術研究項目提供全面、完整的基礎數據。

2017年3月9～23日對陽澄淀泖區開展了非汛期調水試驗。實際工程調度情況可分為：① 引水準備期。沿江閘站引排結合，望虞河東岸口門、東太湖口門引水為主。② 換水改善期前期。受降雨影響較小，工程調度較好，形成了短期的大引大排格局。③ 換水改善期后期。3月19～20日陽澄淀泖區有一次較強降雨，沿江閘站在降雨期全部關閘?？傮w來說，非汛期調水試驗期間，區域內形成了“多引多排”的水流格局，水體以“長江→陽澄區→淀泖區→攔路港”的大方向為主，形成“長江、望虞河→區域腹部河網→常滸河、白茆塘→長江”“長江→陽澄區腹部、陽澄湖→瀏河（淀泖區）”“長江、太湖→陽澄湖及周邊、淀泖區→攔路港”水循環線路，切實改善了河網水動力條件，加快了水體流動。通過引長江、太湖優質水源，一定程度改善了水環境。

2017年5月9～18日（第一輪）、6月8～17日（第二輪）分別開展一輪常規實際調度情況下的汛期水量水質監測。第一輪監測期間，陽澄淀泖區整體形成“長江、太湖→陽澄湖及周邊、淀泖區→攔路港”的水循環線路。第二輪監測期間，陽澄湖以北地區，海洋涇引水，常滸河、白茆塘排水，形成“長江→區域腹部河網→常滸河、白茆塘→長江”水循環線路;陽澄湖以南地區，蕩茜樞紐、永昌涇、界涇河引水入陽澄湖，楊林塘、瀏河排水，形成“長江、望虞河→陽澄區腹部、陽澄湖→楊林塘、瀏河”的水循環線路;淀泖區東太湖口門瓜涇港、三船路港引水，北淀泖區省際邊界排水，形成“太湖→淀泖區腹部→攔路港”的水循環線路?？傮w來看，由于降雨的影響及汛期的引排要求，區域內汛期監測期間呈現出區別于非汛期的“大引大排”的水流格局。

2?流速-水質相關關系分析方法

相關分析（correlation analysis）是研究兩個或兩個以上變量之間相關程度大小以及用一定函數來表達其相互關系的方法。一般可以借助相關系數、相關表與相關圖來進行相關分析[6]。本文采用相關系數進行研究。

2.1?皮爾遜相關系數

皮爾遜相關系數描述了2個定距變量間聯系的緊密程度，用于度量2個變量?X和Y之間的相關（線性相關），樣本的相關系數用r表示，總體相關系數用ρ?表示。

若?r>0，表明2個變量是正相關，即一個變量的值越大，另一個變量的值也會越大;若r<0，表明2個變量是負相關，即一個變量的值越大，另一個變量的值反而會越小。r?值介于-1與1之間，絕對值越大表明相關性越強。

一般定義為：?0.8<|r|≤1.0，極強相關;0.6<|r|≤0.8?，強相關;0.4<|r|≤0.6，中等程度相關;0.2?<|r|≤0.4，弱相關;0.0≤|r|≤0.2，?極弱相關或無相關。

在實際分析中，相關系數大都是利用樣本數據計算的，因而帶有一定的隨機性，因此也需要對相關關系的顯著性進行檢驗，即判斷樣本相關系數?r是否來自于ρ≠0 的總體，可以采用t檢驗或者F檢驗，此時的零假設和備擇假設分別為H0∶ρ=0，HA∶ρ≠0[7] 。

t檢驗統計量t=r/Sr，df=n-2，Sr=1-r2n-2稱為相關系數的標準誤差。下文相關關系計算采用t?檢驗。

2.2?相關性分析軟件

采用SPSS（Statistical Package for Social Science）軟件進行分析。SPSS是由美國 SPSS公司自20世紀80年代初開發的大型統計學軟件包。它集數據整理、分析過程、結果輸出等功能于一身，使用Windows的窗口方式展示各種管理數據和分析方法的功能，清晰、直觀，易學易用，涵蓋面廣[8]。

SPSS將自動計算Pearson相關系數，?t檢驗的統計量和對應的概率P值。當P<0.05?時，拒絕零假設，說明兩變量之間存在著顯著的線性相關關系;當P≥0.05?時?，接受零假設，表明兩變量間不存在線性相關關系。

2.3?分析樣本

為了同時滿足試驗調度和分析研究區域水環境改善效果的要求，結合地方水利部門現有的水量水質監測點，合理增設站點，從總體上掌握有序流動的規律及污染物分布特征，共布設了監測斷面站點47個（見圖2）。

非汛期（3月）共計監測了47個斷面，從3月9日到3月23日，水量為每天連續監測，水質為隔天監測，因此本輪共有8 d的水質水量同步數據。其中，沿江口門無法測得準確流速，部分斷面一直關閘，并扣除湖泊等斷面，實際參與流速-水質相關分析的為35個斷面8 d的流速水質同步數據。

汛期（5，6月）每月分別連續10 d進行水量水質同步監測。本次斷面布設綜合考慮監測要求并借鑒非汛期的分析成果，選取更能滿足分析需要的站點，以沿江口門、河網重要斷面為主，在47個斷面基礎上將監測斷面精簡為23個，按非汛期的原則進行扣除后，汛期實際參與流速-水質相關分析的為14個斷面20 d的流速水質同步數據。

根據非汛期和汛期監測期間區域內呈現的水流狀態及水環境變化狀況，水體被認為符合項目初定的有序流動狀態，因此將汛期和非汛期的流速水質同步數據結合，進行水體有序流動流速-水質的響應機制探索。最后，共計14個斷面（非汛期、汛期都參與監測）的28組樣本以及21個斷面（僅非汛期參與監測）的8組樣本進行流速-水質相關性計算分析。

14個斷面為永昌涇、吳家港、聯湖橋、界涇、七浦塘橋、元和塘常相交界、鹽鐵塘常太交界、界江、青陽港、吳淞江、大直港橋、牛長涇、大朱砂橋、窯港橋。樣本日期：3.9～3.21?（隔天），5.9～5.18（連續），6.8～6.17（連續）。

21個斷面為西三環湖橋、車輪橋、永昌涇入湖口、白兔涇、巴城工農橋、陸涇出湖口、西港河橋、周塘河橋、元和塘南段、南園橋、新豐新星橋、婁江大橋、西河大橋、通城河橋、石頭塘長橋、斜塘河、蘆墟大橋、科林大橋、千燈浦閘、周莊大橋、白石磯大橋。樣本日期為3.9～3.21（隔天）。

3?相關性結果與分析

選取溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮和總磷4個基礎水質指標，其中前3項為常用水質評價標準中的重要指標，總磷指標是考慮陽澄淀泖區受長江來水（長江水中總磷偏高）的影響。對每組樣本分別進行流速-溶解氧、流速-高錳酸鹽指數、流速-氨氮和流速-總磷的相關關系計算。

對于溶解氧指標，數值越大表明水質越好，因此流速-溶解氧相關系數為正時，表明流速越大，溶解氧指標越大，水質改善越好。對于高錳酸鹽指數、氨氮和總磷3項指標，數值越大表明水質越差，當流速-高錳酸鹽指數、流速-氨氮和流速-總磷的相關關系為正時，表明流速越大，各項指標值越大，水質惡化。因此當該3項相關系數為負時，表明隨著流速的增大，水質有改善。

SPSS軟件的計算結果顯示，35個斷面中有26個斷面的流速與4個水質指標相關關系均接受零假設[9]，即流速與各水質指標都不存在線性相關關系。另9個斷面的流速與部分水質指標存在相關關系（見表1）。僅25.7%的斷面顯示出相關關系，主要由于水質受許多因素綜合影響的結果，例如流速之類的某個單一因素改變會對其產生影響，但要產生直接的相關關系較難。另外，本次陽澄淀泖區的調水試驗實施時間短，水質水量同步數據有限，監測期間幾次受到降雨影響，一定程度上影響了參與分析樣本的代表性。

下文將嘗試從顯示出相關關系的水質指標、監測斷面和區域分布等角度去分析探索，結合實際的水流格局和水環境現狀去發現規律。

3.1?水質指標分析

流速的變化能直接引起河湖水體自凈、稀釋、降解能力的改變，水體流通程度的改變也會使得斷面受來水影響的程度有所變化[10]，因此當流速發生變化時，部分斷面的水質情況也會隨之發生變化。下面從水質指標的角度，分析本次試驗各個指標與流速相關性的程度和差異。

流速與溶解氧有相關關系的斷面共5個，其中界涇河入湖口流速-溶解氧呈中等負相關關系，花橋吳淞江大橋流速-溶解氧呈強負相關關系，即流速越大，溶解氧越小;永昌涇閘、界江大橋和西三環湖橋的流速-溶解氧呈極強正相關關系，即流速越大，溶解氧越大，水質越改善。根據本次調水試驗顯示的監測結果，90%以上的斷面達到了溶解氧與流速對應的調度控制要求，這也恰能體現水體流動加快時溶解氧指標更易得到有效改善。

流速與高錳酸鹽指數有相關關系的斷面共4個，其中3個呈負相關關系，即隨著流速增大高錳酸鹽指數有所改善，分別為鹽鐵塘常太交界和花橋吳淞江大橋，呈中等強度負相關，西三環湖橋呈極強相關;1個呈正相關關系，為斜塘河橋，呈極強正相關性，即高錳酸鹽指數隨著流速的增大呈惡化趨勢。

流速與氨氮有相關關系的斷面有4個，其中3個是負相關關系，即流速越大，氨氮有所改善。3個斷面分別為永昌涇閘和窯港橋，呈中等強度負相關;西三環湖橋呈極強負相關。1個呈正相關關系，為大直港橋，呈中等強度正相關。

4個水質指標中，總磷與流速的相關性最小，參與分析的35個斷面中僅有永昌涇閘的流速-總磷呈中等強度相關關系。因此，可以認為本次試驗中流速與總磷的相關性很小。

綜合以上對4個主要水質指標的分析，可以看出流速與溶解氧的相關性最大，其次是高錳酸鹽指數和氨氮，與總磷的相關性很小。

3.2?監測斷面分析

表1的9個斷面中，永昌涇閘和西三環湖橋4個水質指標中均有3個指標與流速存在相關關系，并且各指標隨著流速的增大都呈改善變化。西三環湖橋的溶解氧、高錳酸鹽指數和氨氮與流速都呈極強相關性，表明流速增大時，斷面水質有明顯的改善。西三環湖橋為望虞河東岸的引水口門，當流速增大時，引望虞河的水量增大，隨著望虞河優質水源的匯入，斷面的水質得到明顯改善。

永昌涇閘的溶解氧、氨氮和總磷與流速均呈中等強度相關性，表明流速提高時，水質有相應的改善。永昌涇閘多數時候引望虞河水，因此總體看當流速增大時，水質有所改善。由于永昌涇閘與望虞河之間有漕湖，當開閘引水時，還需經過漕湖的調蓄再出水，水流到達該斷面時水質受到了漕湖水質的影響，且其流向有時為入望虞河，當流速增大時，該斷面的水質情況受流向和漕湖水質情況綜合影響，不一定都表現出改善趨勢，因此永昌涇閘各相關系數不如西三環湖橋的大，流速與各水質指標僅呈中等強度相關性。

花橋吳淞江大橋有2個指標與流速存在相關關系，分別為溶解氧和高錳酸鹽指數，其中流速-溶解氧呈強負相關，流速增大，溶解氧惡化;流速-高錳酸鹽指數呈中等強度負相關，流速增大，高錳酸鹽指數改善。僅當流速增大時，水質不一定會改善，因為水質情況同時受很多因素影響，例如溶解氧指標與溫度和壓力也有很大的關系，因此認為水質的改善與流速之間不是單一的雙向關系。

界涇河入湖口多為入陽澄湖，從流速-溶解氧為負相關來看，當流速增大時溶解氧變差，這可能受界涇河來水水質的影響。

鹽鐵塘常太交界的流速-高錳酸鹽指數為中等強度負相關。當該斷面流速增大時，高錳酸鹽指數變小，有序流動試驗期間，該斷面大多數流向向南，主要為白茆塘來水，因此流速提高時，水體本身的自凈能力增強，同時伴有優質的來水匯入，高錳酸鹽指數得到改善。

界江大橋的流速-溶解氧為極強正相關，當流速增大時，溶解氧指標有明顯改善。試驗期間，界江大橋流向都為向南，流速增大時，水體流動性好，溶解氧指標得到有效改善，由于婁江來水對其水質有直接影響，因此其他水質指標與流速之間沒有反映出顯著的相關關系。

大直港橋的流速-氨氮為中等強度正相關，當流速增大時，氨氮指標變大，呈惡化趨勢。試驗期間，大直港橋流向向南，直接受吳淞江來水的影響，由于吳淞江的水質一直較差，當流速增大時，更多來自吳淞江的水流匯入，引起斷面水質的惡化。

窯港橋的流速-氨氮為中等強度負相關，當流速增大時，氨氮指標值減小，呈改善變化。調水試驗期間，窯港橋水流向南，受三白蕩來水的影響很大，三白蕩的水質較好，因此當流速增大時，三白蕩來水增加，水體流動性增強，水體的氨氮指標可能因此有改善。

斜塘河橋的流速-高錳酸鹽指數為強正相關關系，表明當流速增大時，高錳酸鹽指數也變大，該指標呈惡化趨勢。由于斜塘河橋僅在非汛期（3月）進行了8 d的監測，汛期未進行監測，所以只有相應的8組樣本參與了相關關系計算，且8 d中有5 d水體滯流，流速為0，因此認為該斷面參與分析的樣本數太少，且代表性不強，計算出的相關系數可參考性不強。

綜合以上分析，發現西三環湖橋和永昌涇閘流速與水質存在較大的相關性，并且流速增加，水質改善，其中西三環湖橋的相關性更強。其他7個斷面的流速僅與一兩個水質指標存在相關關系，且僅為中等強度相關。

通過分析各個斷面的實際情況，發現水質的改善在流速增大的基礎上，很大程度取決于來水的水質情況，但即使在流速增大，來水水質較好的情況下，不少斷面也僅有個別水質指標改善，很難實現整體水質改善的理想狀況。由此可見，流速與水質之間的關系比較復雜，很難存在單一的響應關系。

3.3?區域分布分析

結合圖1分析表1中各斷面的地理位置，發現可以參與相關性分析的斷面主要分布在望虞河東岸口門、陽澄西湖入湖河道、省際邊界河道和區域內骨干匯水河道。

西三環湖橋和永昌涇閘分別為望虞河東岸的口門，平時以引水為主，來水的水質情況最好，當流速提高時，斷面的過水量增大、水體流動性更好，因此這兩個斷面的流速與大部分水質都表現出比較強的相關性，并且水質隨流速增大而改善。

界涇河入湖口位于陽澄西湖的入湖河道，分析發現其流速-溶解氧呈負相關關系，流速增大，溶解氧降低，原因可能是水體流動帶動更多的不利因素進入水體，反而導致水體的水質指標呈現惡化趨勢。

花橋吳淞江大橋位于省際邊界河道，且吳淞江現在主要為一條排污通道，水質一直較差。上文的分析中指出該斷面當流速增大時，高錳酸鹽指數有所改善，溶解氧有所惡化，其流速與水質指標表現出復雜不一的關系，由于其水體本身的污染負荷較大，流速增大對水質的綜合改善作用有待進一步的研究。

其他斷面位于區域內的骨干匯水河道，其中界江大橋和斜塘河橋流速與水質指標的相關系數大于0.8?，呈極強相關。從這兩個斷面的流速變化上看，監測期間大部分時間處于滯流狀態，因此當水體流動起來時，某些水質指標出現明顯的改善。剩余3個斷面分別僅有1個水質指標與流速呈相關關系，并且相關系數都小于0.6，考慮有序流動試驗監測的時間和天數有限，每組斷面的樣本數有限，計算結果具有一定的片面性和隨機性，因此針對這些斷面認為流速與水質的相關關系不大。

因此從區域上看，望虞河東岸口門的流速與水質指標間的相關性明顯好于區域內骨干河道。對于沿程污染物匯入較多或者自身污染負荷較大的河道，流速與水質之間的關系最為復雜，水質情況可能更多地受污染物含量的影響，流速改變所起的作用顯得相對微弱。陽澄淀泖區尤其是淀泖區的腹部河網距離引清口門較遠，河網交織錯雜，引清水源的影響逐層削弱，即使流速增大，若河道沿程有不確定的污染源匯入，水質反而可能惡化。

4?結 論

（1） 從指標的角度來看，本次陽澄淀泖區有序流動試驗期間流速-溶解氧的相關性最強，其次是高錳酸鹽指數和氨氮，與總磷的相關性很小，即通過適當調度，加快水體流動，溶解氧指標最容易得到改善。從區域分布來看，望虞河東岸口門的流速與水質指標間的相關性明顯好于區域內骨干河道。

（2） 從斷面來看，引水口門的流速與水質各指標相關性較強，流速提高，水質改善明顯，并且距離引水來源更近的口門改善效果更明顯;本身滯流較多的河道，當水體有序流動時，水質的改善效果也更為明顯;若河道自身水質較差，沿程污染物匯入較多，當水體流速增大時，水質變化情況較為復雜，具體的相關關系及變化規律有待更深入的研究。

（3） 參與分析的斷面中僅25.7%的斷面流速與部分水質指標存在相關關系，主要集中在引水口門以及原本滯流頻繁的斷面，表明即使在河網水體有序流動格局下，流速之類的某個單一因素改變能夠一定程度上改變水環境，但與水質產生直接的相關關系很難，主要由于水質是在諸多因素綜合影響下表征出的指標結果。

（4） 考慮到河網水環境改善是一項系統工程，本課題研究中，通過科學調度實現河網水體的有序流動只是系統環節中一項相對迅速、有效的輔助措施，而區域內水環境改善的根本在于污染源的控制與治理[11]。

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引用本文：楊文晶，楊金艷，蔡曉鈺，白瑞泉，姜?宇.基于有序流動的陽澄淀泖區流速水質相關性分析[J].人民長江，2019，50（1）：29-34.

Correlation analysis on flow velocity and water quality basedon orderly flow of river network in Yangcheng-Dianmao area， Taihu Lake

YANG Wenjing，YANG Jinyan，CAI Xiaoyu，BAI Ruiquan，JIANG Yu

（Suzhou Sub-bureau of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau， Suzhou 215011， China）

Abstract：Yangcheng-Dianmao area is a plain river network area. The orderly flow of rivers and lakes under proper diversion and drainage scheduling is of great significance for flood rational storage， water resources regulation and aquatic environment improvement. Based on the data of flow velocity and water quality measured during regulation experiment in Yangcheng-Dianmao area， this paper uses SPSS software to calculate the relationship between important water quality indicators and flow rate that most directly reflect the orderly flow of water， and further analyze the response mechanism of flow velocity and water quality of the rivers and the lakes under orderly flowing. It is found that the flow rate-dissolved oxygen has the strongest correlation; The flow velocities at water diversion entrances and in the frequently non-flowing rivers are more correlated with the water quality indicators， and the water quality improvement is more significant; The engineering regulation measures can only change water environment in some extent but is hard to generate a direct correlation with water quality. This research can provide technical support for evaluating the actual effect of orderly flowing in rivers and lakes on the environment improvement， and has a positive meaning to improve the water environment under the comprehensive flow regulation of the study area.

Key words：?orderly flowing; flow rate and water quality; Yangcheng-Dianmao District; plain river network area