走馬塘排水對望虞河引水水質的影響

胡祉冰，逄 勇，胥瑞晨，汪靜嫻

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

自2002年“引江濟太”工程實施至今[1]，在區域供水、排澇等方面取得了重要成效，但由于長期以來長江總磷指標劣于太湖東部沿岸區[2]，且望虞河沿線支流大量氮、磷污染物隨引水進入湖體，該工程對太湖水質及水生態的改善作用頗有爭議[3-5]。太湖作為上海、蘇州等地優質水源地，區域用水需求的快速增長導致“引江濟太”規模擴大勢在必行，走馬塘作為“引江濟太”水源地上游最主要的規劃排水河道，其排水水量、水質對望虞河引江水源地水質有直接影響。

在對走馬塘排水對長江下游水源地影響的相關研究方面，紀洪燕[6]采用指數法分析了走馬塘排水后在長江的污染帶長度，但未能反映污染物隨長江潮位遷移規律；王超等[7]基于EFDC模型模擬了走馬塘排水對“引江濟太”水源地水質的影響，但其主要模擬污染物為CODMn，且未考慮到望虞河擴建工程建設后區域水情變化；杜德軍等[8]建立了長江物理模型模擬得到望虞河引水樞紐移至鐵黃沙后，走馬塘排水造成望虞河引水樞紐處CODMn和氨氮濃度明顯上升。但河工模型并不能很好反映污染物降解的生化過程，存在一定局限性，且以往研究并未考慮到望虞河擴建方案。

本文基于建立的長江江蘇段二維水環境數學模型，研究了走馬塘不同排水情況對望虞河擴建工程前后引水TP質量濃度的影響，并提出減緩對望虞河引水樞紐處水質影響的調度及污染控制措施，以期減輕“引江濟太”工程擴建后帶來的環境影響，確保望虞河入湖斷面TP質量濃度滿足管理要求。

1 研究區概況

望虞河(120°24′9″E～120°49′41″E，31°26′42″N～31°46′55″N)為長江中下游平原連接長江與太湖的一條骨干引排水通道(圖1)，近年來其對太湖水資源的補充作用愈發明顯[9]。為改善望虞河入湖水質，擬于望虞河西岸支流口門處設閘，西岸支流通過望虞河西北側走馬塘(120°24′48″E～120°49′58″E，31°27′55″N～31°50′54″N)入長江，以減少“引江濟太”過程中氮、磷等污染物入湖量[10-12]。

(a) 研究區域

望虞河現狀引水樞紐位于福山水道內側，距離走馬塘排水口沿長江岸線12.3 km，為解決望虞河河口處泥沙淤積帶來的河口萎縮問題，望虞河擴建方案擬將望虞河引水樞紐外移至鐵黃沙[13](圖1(b))，移建后望虞河引水樞紐位于走馬塘排水口下游沿長江岸線5.5 km處，走馬塘排水勢必對望虞河引水口水質造成更顯著影響。

2 研究方法

2.1 二維水動力控制方程

模擬基于二維水環境數學模型，笛卡爾坐標系下的二維水動力控制方程是不可壓縮流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續方程(式(1))和動量方程(式(2)(3))[14]：

(1)

(2)

(3)

2.2 二維水質控制方程

污染物擴散考慮二維平面擴散過程，水質控制方程采用污染物對流擴散基本方程[15]：

(4)

圖2 二維水環境數學模型計算范圍、地形及二維網格

(a) 南京站

2.3 模型建立及參數率定

水動力模型將長江馬鞍山至堡鎮段作為模擬區域，模型岸線及水下高程采用長江航道地形數據，采用非結構網格(三角形)對模擬區域進行離散，共劃分網格數42 991個，平均網格邊長250 m，模型計算二維網格如圖2所示。

模型率定選取2013年12月南京站、鎮江(二)站、營船港站、崇西閘站和大通站5個水文站監測資料，模型計算值與實測值對比見圖3。采用平均相對誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)和相關系數(R2)3個指標對實測值與計算值做誤差及相關性分析[16-17]，結果見表1，可見構建的模型各站點水動力計算值與實測值的RMSE較小，MRE小于5%，R2>0.95，模型可以較好地反映長江水動力過程。根據率定得到模擬區域河段主槽糙率的取值范圍為0.01～0.02，風拖曳系數為0.001～0.001 5。

2.4 計算方案設置

在長江水動力計算基礎上，采用二維水質控制方程計算走馬塘排水對“引江濟太”引水水質的影響，取90%水文保證率為模型計算邊界水文條件，初始水位取水文年鑒中水位平均值2.6 m，溫度 20 ℃，起始時刻流速設為0 m/s。

表1 水動力模型計算結果評價

由于污染物到達時間較短，僅考慮對流擴散過程，TP降解系數設為0，排水TP質量濃度取其水功能區標準質量濃度(地表水環境質量Ⅴ類，為 0.4 mg/L)。考慮到走馬塘目前尚未排水，計算方案采用其設計平均排水量持續排水(工況1)、現狀排水泵站最大排水量持續排水(工況2)、規劃排水泵站最大排水量持續排水(工況3)、規劃排水泵站最大排水量持續排水7 d后停止排水(工況4)、規劃排水泵站最大排水量持續排水7 d后停止排水且排水質量濃度改善為地表水環境質量Ⅳ類(工況5)，工況4、5用于分析望虞河間隔引水效果，具體計算方案設置見表2。

表2 計算方案設置

3 結果與分析

3.1 走馬塘排水對“引江濟太”水源水質的影響

圖4為望虞河引水樞紐處TP質量濃度增量隨走馬塘排水時間變化過程，可見走馬塘開始排水后TP質量濃度增量隨長江潮汐周期性波動。不同排水量的3種工況下望虞河現狀引水樞紐處TP質量濃度增量呈現先上升后穩定的趨勢，漲急時刻TP質量濃度增量達到峰值，走馬塘持續排水40 h后望虞河引水樞紐處水質開始明顯變差，持續排水80 h后水質趨于穩定，工況1、2、3 TP質量濃度最大增量分別為0.004 mg/L、0.006 mg/L和0.008 mg/L。規劃引水樞紐外移后，走馬塘排水持續18 h望虞河引水樞紐處TP質量濃度便開始明顯上升，落急時刻質量濃度增量達到峰值，工況1、2、3 TP質量濃度最大增量可達0.008 mg/L、0.012 mg/L和0.019 mg/L。

2017年望虞河引水樞紐處TP監測質量濃度為0.09 mg/L，根據工況1、2、3條件計算得到走馬塘排水對望虞河現狀引水樞紐處TP最大質量濃度增幅為4.5%、6.7%和9.0%，而望虞河規劃引水樞紐處受走馬塘排水水質影響明顯加劇，TP質量濃度增幅可達8.9%、13.5和21.3%。走馬塘排水后望虞河引水樞紐處TP質量濃度最大可達0.11 mg/L，雖然滿足望虞河TP質量濃度要求(0.2 mg/L)，但由于望虞河引水最終進入太湖，引水水源TP質量濃度將遠超出太湖TP質量濃度標準(0.05 mg/L)，且隨著日后望虞河引水規模的擴大，走馬塘排水勢必大幅增加望虞河引水的TP污染物通量，對太湖水質達標造成一定的影響[18-19]。

(a) 工況1

3.2 “引江濟太”水源水質改善措施

為減緩走馬塘排水對望虞河引水樞紐處的水質影響，選取最不利工況即走馬塘排水量最大時，研究望虞河引水樞紐處的水質改善措施。分別計算工況4和工況5情況下望虞河引水樞紐處水質變化。模型計算結果表明，走馬塘以地表水環境質量Ⅳ類標準排水相比Ⅴ類對規劃望虞河引水樞紐處TP質量濃度有一定的改善作用，但平均改善率不足5%，而望虞河間隔引水對望虞河規劃引水樞紐處TP質量濃度的降低效果更為明顯。

圖5為望虞河引水樞紐處TP質量濃度增量隨走馬塘停止排水后間隔時間(走馬塘停止排水到望虞河開始引水所需時間)變化過程，表3為望虞河引水水質改善所需間隔時間。結合區域地形(圖1)，工況4走馬塘排水停止后望虞河引水樞紐處不同TP質量濃度增幅下所需間隔時間如下：①若望虞河引水樞紐處TP質量濃度增幅小于10%，現狀引水樞紐處和規劃引水樞紐處需分別在走馬塘停止排水 9 h 和22 h后再引水，這是由于望虞河現狀引水樞紐位于福山水道內側，較外移后的規劃引水樞紐受到走馬塘排水水質直接影響更小；②若望虞河引水樞紐處TP質量濃度增幅小于5%，現狀引水樞紐處和規劃引水樞紐處分別需在走馬塘停止排水53 h和32 h后再引水，可能是因為現狀引水樞紐處由于走馬塘排水帶來的TP污染物隨長江漲落潮在福山水道內側難以擴散，而規劃引水樞紐處的污染物擴散條件較好，可隨長江水流輸移至下游區域，對望虞河規劃引水樞紐處TP質量濃度的影響隨停止排水時間變長而不斷減小；③若望虞河引水樞紐處TP質量濃度增幅小于1%，現狀引水樞紐處和規劃引水樞紐處需分別在走馬塘停止排水72 h和55 h后再引水。工況5走馬塘以地表水環境質量Ⅳ類排放，望虞河引水樞紐處TP質量濃度增量變化規律基本與工況4相似，日后若改善走馬塘排水TP質量濃度到地表水Ⅳ類，在停止排水48 h后，望虞河規劃引水樞紐處的TP質量濃度增幅小于1%，可保證望虞河引水水質基本不受影響。

圖5 走馬塘停止排水后望虞河引水樞紐處TP質量濃度增量變化

表3 望虞河引水水質改善所需間隔時間

4 結 論

a. 走馬塘排水對望虞河引水樞紐處水質有一定影響，尤其在望虞河引水樞紐外移后受到走馬塘排水水質影響加劇，TP質量濃度增幅最大可達21.3%。

b. 提高走馬塘排水水質要求可減小對望虞河引水樞紐處水質影響，但加強兩處樞紐的聯合調度管理，采取間隔引水的方式對降低望虞河TP質量濃度的效果更為明顯。

c. 為保障日后望虞河引水水質安全，需盡可能避免走馬塘大量排水期間引水，在要求走馬塘排水水質達到地表水環境質量Ⅳ類要求基礎上停止排水48 h后引水，可以基本控制望虞河引水樞紐處TP質量濃度增幅在1%以下。