太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對(duì)金澤水庫及松浦大橋取水口水質(zhì)影響研究

彭焱梅，曹菊萍，周宏偉，姚 俊，李昊洋，陳華鑫，陸沈鈞

（1.太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海200434；2.上海東南工程咨詢有限責(zé)任公司，上海200434）

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)供水水庫上下游聯(lián)合調(diào)度具有很強(qiáng)的地域性環(huán)保科技需求。近年來水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度成為水文水資源領(lǐng)域重要的熱點(diǎn)問題之一，眾多學(xué)者在水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方面開展了若干探索［1-8］，并取得一定成果。劉水芹［9］等研究不同年型、太浦閘泵不同下泄流量組合對(duì)黃浦江上游水源地水質(zhì)影響關(guān)系，結(jié)果表明，在太浦閘流量相對(duì)較大情況下，黃浦江上游水源地水量明顯增加，約5～6 d 水質(zhì)明顯改善。陳煉鋼［10，11］等構(gòu)建了淮河中游河網(wǎng)一維與二維嵌套、分塊組合的閘控大型河網(wǎng)水文-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型DHQM，研究提出了分期小流量慢速下泄污染水體為最佳的水量水質(zhì)聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度方案。戴晶晶［12］等通過對(duì)太浦河沿線水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析，設(shè)計(jì)太浦閘水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，發(fā)現(xiàn)太浦閘采用水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方式可提高金澤水源地取水安全保障程度。王磊之［13］等擬定聯(lián)合調(diào)度方案，采用蟻群優(yōu)選算法對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)選，得出太浦閘根據(jù)太湖水位和金澤斷面水質(zhì)情況加大下泄流量，同時(shí)太浦河兩岸口門有序控制，可顯著提高金澤水源地關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率。

黃浦江上游水源地工程服務(wù)上海市西南青浦、松江、金山、閔行和奉賢五區(qū)，將五區(qū)原有分散取水口歸并于太浦河金澤水庫和松浦大橋取水口，于2016年底建成并完成了切換通水，形成金澤水庫和松浦大橋兩點(diǎn)水源互為連通的供水模式。金澤水庫相對(duì)原黃浦江上游水源水質(zhì)有明顯改善，應(yīng)對(duì)水源突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)能力也有所提升，但目前金澤水庫安全運(yùn)行仍面臨一定挑戰(zhàn)。一是金澤水庫為典型人工淺水水庫，庫容調(diào)蓄時(shí)間短。金澤水庫建庫后水動(dòng)力條件由原有的自然河道開敞型水流變?yōu)槿斯ふ{(diào)控的半封閉型湖流流態(tài)，流速放緩，污染物降解和遷移轉(zhuǎn)化等條件隨之變化；由于庫區(qū)水力停留時(shí)間短（2～3 d），傳統(tǒng)水庫水質(zhì)凈化模式難以滿足金澤水庫運(yùn)行要求。二是太浦河沿線支流口門眾多，水質(zhì)受流域調(diào)度影響明顯。太浦河現(xiàn)有支河近百條，蘆墟以西7個(gè)口門與京杭運(yùn)河尚未實(shí)施控制，太浦河與兩岸水量交換頻繁，水質(zhì)受太浦閘開閉等流域調(diào)度影響明顯，河流水量、水質(zhì)具有波動(dòng)性。本文以金澤水庫供水安全保障為目標(biāo)，在太浦河工程現(xiàn)狀調(diào)度基礎(chǔ)上，提出太浦河工程流量分級(jí)調(diào)度方案、水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案，擬定太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案并定量分析其對(duì)金澤水庫及松浦大橋取水口來水水質(zhì)影響，可為進(jìn)一步提高區(qū)域原水供應(yīng)安全保障及風(fēng)險(xiǎn)防范提供技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象及范圍

本文研究對(duì)象為太浦河金澤水源地及其備用水源地黃浦江上游松浦大橋取水口，包括與之密切相關(guān)的太浦河及黃浦江上游沿線眾多水利工程。

黃浦江上游金澤水源地現(xiàn)狀供水規(guī)模351 萬m3/d，取水水源為太浦河；松浦大橋取水口位于黃浦江上游松浦大橋附近，為金澤水源地備用取水口。太浦河工程為治太十一項(xiàng)骨干工程之一，包括太浦河、太浦閘和太浦河泵站、兩岸眾多支流口門，兼具防洪、排澇、供水、航運(yùn)等多種功能。其中太浦閘位于太浦河出太湖處，設(shè)計(jì)流量為784 m3/s；太浦河泵站位于太浦河南岸，設(shè)計(jì)流量為300 m3/s。

太浦河來水主要受上游太湖來水、太浦河兩岸支流匯入以及下游潮水上溯等影響。本次研究范圍為太浦河～黃浦江上游沿線地區(qū)，包括太浦河北岸蘇州市、南岸嘉興市部分地區(qū)，以及上海市西南五區(qū)（金山區(qū)、奉賢區(qū)、青浦區(qū)、閔行區(qū)、松江區(qū)），見圖1。

圖1 研究對(duì)象及研究范圍示意圖Fig.1 The research object and sketch map of study area

2 研究方法

本研究采用太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型（后文簡(jiǎn)稱“水量水質(zhì)模型”），模擬分析太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對(duì)太浦河沿線區(qū)域、黃浦江上游金澤水庫及松浦大橋取水口水量水質(zhì)影響。水量水質(zhì)模型對(duì)太湖流域平原河網(wǎng)結(jié)構(gòu)及供-用-耗-排水過程進(jìn)行概化，是包括降雨徑流模型、廢水負(fù)荷模型、河網(wǎng)水量模型、太湖湖流模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型、太湖湖區(qū)水質(zhì)模型等6 個(gè)子模型的水文、水動(dòng)力學(xué)耦合模型［14］，見圖2。太湖流域模型開發(fā)應(yīng)用歷史長(zhǎng)，是研究太湖流域水文水環(huán)境問題的重要工具。

圖2 太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型邏輯關(guān)系Fig.2 Structure of Taihu Lake basin water quantity and quality model

為提高水量水質(zhì)模型模擬精度，本次研究在以往基礎(chǔ)上對(duì)重點(diǎn)研究范圍內(nèi)河網(wǎng)水系、水利工程及污染源進(jìn)行細(xì)化更新，更新后流域污染源較以往有明顯減少，重點(diǎn)研究范圍內(nèi)規(guī)模以上排污口COD、NH3-N 排放量分別為2.1、0.1 萬t/a，面源污染COD、NH3-N 排放量分別為7.04、0.45 萬t/a。在細(xì)化更新河網(wǎng)水系、水利工程及污染源基礎(chǔ)上，通過2013年流域水雨情資料，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。流域的降水、蒸發(fā)、潮位邊界條件采用實(shí)測(cè)資料，污染源、取排水口等水質(zhì)資料均以調(diào)查資料為基礎(chǔ)，水質(zhì)邊界條件包括西部山丘區(qū)入流、沿長(zhǎng)江和錢塘江各河道口門的水質(zhì)條件，模型計(jì)算采用邊界河道相應(yīng)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)作為其水質(zhì)邊界條件。結(jié)果表明，模型細(xì)化更新后基本能夠反映太浦河及沿線區(qū)域水流和水質(zhì)特征，太湖全年期計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位過程線趨勢(shì)一致，平均誤差3.6 cm，研究范圍內(nèi)水位代表站陳墓、嘉興水位過程擬合較好（圖3），全年期最高水位、最低水位誤差基本在5 cm 以內(nèi)，松浦大橋斷面凈泄水量相對(duì)誤差1.3%，COD、NH3-N 相對(duì)誤差在30%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比分別在50%、67%以上，相對(duì)誤差在50%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比分別在83%、92%以上，金澤、松浦大橋斷面COD、NH3-N 濃度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比見圖4。

圖3 太浦河兩岸陳墓、嘉興水位計(jì)算與實(shí)測(cè)水位過程Fig.3 Daily mean values of observed and simulated water level of Chenmu and Jiaxing station

圖4 金澤、松浦大橋斷面COD、NH3-N濃度實(shí)測(cè)模擬對(duì)比Fig.4 Observed and simulated concentration of COD、NH3-N at Jinze and Songpu bridge station

3 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案擬定

3.1 太浦河工程現(xiàn)狀調(diào)度

太湖調(diào)度控制線包括防洪控制線、引水控制線、低水位控制線。太湖水位高于防洪控制線時(shí)，執(zhí)行防洪調(diào)度；低于防洪控制線時(shí)，執(zhí)行水資源調(diào)度。防洪調(diào)度期，太浦河以泄洪為主；水資源調(diào)度期，太湖水位高于引水控制線時(shí)，太浦閘結(jié)合區(qū)域水資源及水環(huán)境改善需求，開展適時(shí)引排；太湖水位在2.8 m～引水控制線之間時(shí)，太浦閘原則上以不低于50 m3/s的流量向下游供水，太湖調(diào)度控制線見圖5。

3.1.1 太浦閘（泵）調(diào)度

本文統(tǒng)計(jì)了引江濟(jì)太以來2002-2017年太浦閘實(shí)際下泄水量（表1），以及《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》批復(fù)之后2011-2017年太浦閘實(shí)際下泄水量，從表1中可知，太浦閘下泄流量隨太湖水位升高而增大。從2002-2017年系列來看，當(dāng)太湖水位在2.8 m以下、2.8 m～引水控制線之間、引水控制線～防洪控制線之間時(shí)，太浦閘日均下泄流量分別為17.9、55.0、70.2 m3/s。2011-2017年系列太浦閘下泄流量較2002-2017年系列有明顯增大趨勢(shì)，太湖水位在2.8 m～引水控制線、引水控制線～防洪控 制線之間時(shí)，太浦閘日均下泄流量分別為64、89 m3/s。

表1 太湖水位與太浦閘下泄流量關(guān)系統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics for water level of the Taihu Lake and discharge of the Taipu sluice

3.1.2 兩岸口門調(diào)度

太浦河兩岸口門在太浦河向下游供水期間，視兩岸地區(qū)需水情況，實(shí)施相機(jī)調(diào)度，補(bǔ)充區(qū)域用水。太浦河工程北岸控制線在汛期太浦河水位高于區(qū)域水位時(shí)沿線口門關(guān)閉，非汛期則根據(jù)區(qū)域缺水情況適時(shí)引排；太浦河南岸主要口門在防洪調(diào)度期間太浦河水位高于內(nèi)河水位時(shí)口門關(guān)閉，在水資源調(diào)度期間口門基本保持敞開狀態(tài)。

3.2 太浦河工程調(diào)度方案設(shè)計(jì)

3.2.1 流量分級(jí)調(diào)度方案擬定及優(yōu)選

以2002-2017年、2011-2017年太湖水位與太浦閘下泄流量關(guān)系，以及“太湖流域洪水與水量調(diào)度方案”、《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》、《太湖流域水量分配方案》、《太湖抗旱水量應(yīng)急調(diào)度預(yù)案》等現(xiàn)行調(diào)度方案及相關(guān)規(guī)劃要求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)流量分級(jí)調(diào)度方案見表2。

表2 太浦閘流量分級(jí)調(diào)度試算方案Tab.2 The graded flow dispatching scheme of Taipu sluice

將三種不同調(diào)度方案cg0、cg-1、cg-2 帶入太湖流域模型進(jìn)行模擬分析，各方案太浦閘下泄水量、金澤斷面水質(zhì)、太湖及地區(qū)代表站水位、松浦大橋凈泄流量、金澤斷面來水組成（太浦閘來水、兩岸來水、下游潮水上溯）差別均不明顯，太浦河閘泵下泄流量偏大的cg-2 方案對(duì)改善太浦河水資源狀況效果并不理想，為與已批復(fù)調(diào)度方案和相關(guān)規(guī)劃更好銜接，同時(shí)考慮到太浦閘下泄流量50、80 m3/s出現(xiàn)頻次較高，故本次選取方案cg0為流量分級(jí)調(diào)度基礎(chǔ)方案。

3.2.2 水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案擬定及優(yōu)選

據(jù)了解，金澤水源湖及水廠對(duì)NH3-N 指標(biāo)去除率不高，為此，在流量分級(jí)調(diào)度基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)上，研究提出太浦河金澤斷面NH3-N 超過一定濃度限值后，太浦河閘泵增大下泄流量的金澤斷面水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案。據(jù)了解，金澤水庫取水閘NH3-N 指標(biāo)連續(xù)2 h 超過0.8 mg/L 時(shí)關(guān)閘，同時(shí)考慮到水廠出水要求及調(diào)度人員管理經(jīng)驗(yàn)，將金澤斷面NH3-N 濃度0.8、0.6 mg/L 作為太浦閘提前加大下泄量的標(biāo)準(zhǔn)限值。

以流量分級(jí)調(diào)度方案優(yōu)選成果為基礎(chǔ)，將太湖水位分為2.8 m 以下、2.8 m～防洪控制線兩個(gè)等級(jí)，當(dāng)NH3-N 濃度未超過標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，太浦河閘泵流量按流量分級(jí)調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)NH3-N 濃度超過一定標(biāo)準(zhǔn)后，太浦河閘泵流量在流量分級(jí)調(diào)度方案基礎(chǔ)上適當(dāng)加大，見表3。

表3 金澤斷面水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度試算方案Tab.3 The graded water quality dispatching scheme of Taipu sluice

經(jīng)模擬，方案sz80、sz100、sz120 太湖平均水位變幅在1 cm范圍內(nèi)；太浦閘全年下泄水量相差不大，分別為23.9、24.1、24.2億m3；金澤斷面冬季NH3-N 濃度超0.8 mg/L 天數(shù)分別為14、12、10 d，超0.6 mg/L 天數(shù)均為89 d；松浦大橋最小月凈泄流量滿足相關(guān)要求；金澤斷面來水組成無明顯變化。由于近年來太浦河兩岸地區(qū)污染源治理力度不斷增大，污染源排放量降低，特別是金澤水庫建成通水以來，為保障太浦河沿線供水安全，太浦閘加大下泄水量，金澤斷面NH3-N 濃度保持在較低水平，從而本次設(shè)計(jì)的金澤斷面NH3-N 濃度超過特定限值后，各方案在金澤水質(zhì)、太浦閘下泄水量、太湖水位、松浦大橋最小月凈泄流量、金澤斷面來水組成等指標(biāo)上變化并不明顯。

考慮到方案sz80 太浦閘全年下泄水量較小，但金澤斷面NH3-N 濃度超0.8 mg/L 天數(shù)最多；方案sz120 金澤斷面NH3-N濃度超0.8 mg/L天數(shù)最少，但太浦閘全年下泄水量偏大；而方案sz100 太浦閘全年下泄水量適中，金澤斷面水質(zhì)相對(duì)較好，且與太浦閘實(shí)況調(diào)度吻合度較高，故本次當(dāng)金澤斷面NH3-N 濃度超過一定標(biāo)準(zhǔn)限值之后，太湖水位在2.8 m～防洪控制線之間時(shí)，選擇太浦閘下泄流量為100 m3/s的方案進(jìn)行后續(xù)模擬分析。

4 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對(duì)水源地來水的改善效果分析

根據(jù)太浦河工程流量分級(jí)調(diào)度方案及水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案優(yōu)選成果，本文共設(shè)計(jì)3 種（1 種常規(guī)流量分級(jí)調(diào)度方案、2種水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案）方案，選擇太湖流域枯水年典型年（P=90%、1971年）進(jìn)行水量水質(zhì)模擬，以評(píng)估太浦河工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度對(duì)金澤水庫及松浦大橋取水口水質(zhì)影響，見表4。

表4 本文擬定的3種太浦河工程調(diào)度方案Tab.4 Three operation schemes of Taipu sluice given by this paper

模擬結(jié)果表明，與常規(guī)流量分級(jí)調(diào)度方案cg0相比，水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案sz0.8、方案sz0.6 太浦河出湖水量分別增加0.64、6.05 億m3，增幅分別為2.7%、25.8%，冬季增幅分別為10.9%、84.2%。方案sz0.8 較常規(guī)流量分級(jí)調(diào)度方案太湖、金澤、松浦大橋水位無明顯變化，方案sz0.6 金澤斷面平均水位升高1cm，太湖、松浦大橋水位無明顯變化，具體見表5～7。

表5 不同調(diào)度方案太湖、金澤、松浦大橋斷面水位 mTab.5 Simulation results of water level in sections of Taihu、Jinze and Songpu Bridges in different scheduling schemes

對(duì)金澤斷面來說，方案cg0 全年期NH3-N 平均濃度為0.53 mg/L，冬季NH3-N平均濃度為0.73 mg/L，全年期、冬季NH3-N濃度超0.8 mg/L 天數(shù)分別為21、17 d，連續(xù)超0.8 mg/L 最長(zhǎng)天數(shù)均為10 d。方案sz0.8 由于兩岸地區(qū)匯入太浦河水量減少，全年期、冬季NH3-N 超過0.8 mg/L 的天數(shù)分別減少為14、12 d，連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)均減少為6 d；方案sz0.6 全年期、冬季NH3-N 超過0.8 mg/L 的天數(shù)進(jìn)一步減少為7 d，連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)均為6 d。各方案全年期、冬季氨氮超過0.6 mg/L 天數(shù)無明顯變化。方案cg0 全年期、冬季COD 平均濃度均未超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，方案sz0.8、方案sz0.6較方案cg0 COD平均濃度略有較低。

對(duì)松浦大橋斷面來說，方案cg0全年期、冬季NH3-N平均濃度分別為0.86、1.08 mg/L，超Ⅲ類天數(shù)分別為143、75 d，COD 平均濃度未超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案sz0.8、方案sz0.6對(duì)NH3-N、COD平均濃度改善效果不明顯。

總的來說，隨著水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案太浦閘下泄流量的增大，兩岸地區(qū)入太浦河水量減少，金澤斷面水質(zhì)趨好，松浦大橋斷面水質(zhì)改善程度較小。

表6 不同調(diào)度方案太浦河進(jìn)出水量模擬成果 億m3Tab.6 Simulation results of inflow and outflow of Taipu River in different scheduling schemes

表7 不同調(diào)度方案金澤斷面NH3-N、COD模擬成果Tab.7 Simulation results of NH3-N and COD in sections of Jinze in different scheduling schemes

5 結(jié) 論

根據(jù)2002-2017年太浦閘實(shí)況調(diào)度及“太湖流域洪水與水量調(diào)度方案”等相關(guān)調(diào)度方案、規(guī)劃對(duì)太浦閘的調(diào)度要求，擬定了3 種太浦閘流量分級(jí)調(diào)度方案；根據(jù)金澤水源地常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料及水廠出水要求等，擬定了3種水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案；通過太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)模型模擬分析，分別優(yōu)選確定了1 種流量分級(jí)調(diào)度方案及1 種水質(zhì)超標(biāo)分級(jí)調(diào)度方案。根據(jù)上述優(yōu)選成果，設(shè)計(jì)了1 個(gè)常規(guī)流量分級(jí)調(diào)度方案、2 個(gè)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，經(jīng)水量水質(zhì)模型在90%降雨頻率枯水典型年模擬研究，得出太浦閘采用水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方案，可改善金澤水源地水位條件及水質(zhì)指標(biāo)，減少關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)（NH3-N）超過0.8 mg/L 及連續(xù)超0.8 mg/L 天數(shù)，而松浦大橋備用取水口水質(zhì)指標(biāo)改善效果有限。 □

表8 不同調(diào)度方案松浦大橋斷面NH3-N、COD模擬成果Tab.8 Simulation results of NH3-N and COD in sections of Songpu Bridge in different scheduling schemes