入太湖污染物通量削減目標下水工程調控優化探究

秦灝 柳子豪 姚杰夫 唐仁 吳小靖

摘要：入湖污染物通量削減，一直是太湖水環境治理工作的重點。新孟河作為現狀唯一一條可以直接連接長江與太湖流域上游區域腹部的流域性重要河道，前期工作發現，在新孟河工程實施后，隨著引長江清水進入太湖，湖西區主要入湖河道的水質得到明顯改善，但總體入太湖的污染物通量也進一步增加。在新孟河工程即將常態化運行的背景下，針對工程運行后湖西區入湖污染物通量仍可能進一步增加的難點問題，通過靈活調整工程調度，合理部署區域產水出路，計劃增加沿江口門排水機會，利用新孟河向長江排水，以拉動腹部地區水質差的本地產水由東入太湖轉而北排長江，從而有效削減入太湖污染物通量。結果表明：通過優化新孟河工程現狀調度，典型平水年（p=50%）時可以通過新孟河排江水量新增4.68億m³，湖西區入湖氨氮通量較現狀調度方案削減184 t/a、總磷入湖通量削減35.5 t/a，說明優化后的水工程調度方案是利用水利工程調度實現入湖污染物通量削減的可行性措施。相關研究成果可為太湖水環境治理工作提供新的思路。

關 鍵 詞：污染物通量；水利工程調度；新孟河；太湖

中圖法分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.010

0 引 言

入湖污染物通量居高不下，一直是太湖水環境治理的重點和難點^［1-2］。以總磷為例，2010年以來入太湖磷通量年均2 224 t，出湖磷通量年均638 t^［3］；而太湖總磷容量僅為（420±100）t，磷滯留量高達1 265 t/a^［4］。污染物是隨水流匯入湖泊^［5-6］，因此通過限制入湖水量來控制污染物輸入，是進行湖泊水環境治理的有效辦法^［7-8］。在太湖水環境治理工作中，通過嚴格管控太湖北部武澄錫虞區沿湖口門，限制區域內水質差的本地產水進入太湖，該分區入湖污染物通量得到極大削減，太湖北部的梅梁湖、貢湖等湖區水環境也相應改善^［9］。

長期以來，湖西區一直是入太湖污染物通量的主要輸入區域。以總磷為例，2008年以來，湖西區年均入湖總磷通量達1 730 t/a，占入太湖總磷通量的78.1%。在《太湖流域水環境綜合治理總體方案（2021～2035年）》（以下簡稱《太湖水環境治理總體方案》）中，將湖西區所在的江蘇省上游地區作為入湖污染物防控的重點區域^［10］。但由于湖西區主要入湖河道均未實施工程控制，因此通過控制湖西區入湖水量來削減入湖污染物通量就變得十分困難。

新孟河延伸拓浚工程是《太湖水環境治理總體方案》中部署的“提高水環境容量（納污能力）引排工程”重點實施項目，工程開拓了原新孟河過京杭運河，延伸至洮、滆湖地區^［11］，是湖西區現狀唯一一條可以直接連接長江與太湖流域上游區域腹部的流域性重要河道。本文在新孟河工程即將常態化運行背景下，針對湖西區入湖污染物通量居高不下的流域水環境治理難點問題，靈活調整新孟河工程調度，通過增加新孟河沿江口門排水機會，拉動腹部洮、滆地區水質差的本地產水由東入太湖轉而北排長江，從而有效削減湖西區入太湖污染物通量。相關研究成果可以為太湖水環境治理工作提供新的思路，對于進一步發揮水利工程綜合效益、挖掘區域乃至流域水環境治理潛力具有重要的理論研究意義。

1 研究區概況

湖西區位于太湖流域西北部，屬于太湖上游地區，總面積7 671 km²。區域內水系發達，根據地形特點分為北部運河水系、中部洮滆水系和南部南河水系。北部運河水系分布在運河以北地區，向北直接匯入長江；中部洮滆水系和南部南河水系分布在運河以南地區，向東匯入太湖。其中，中部洮滆水系位于湖西腹部地區，主要承接西部茅山及金壇、丹陽一帶丘陵、高地來水，在匯入洮湖后經由北干河、湟里河、夏溪河等橫向連接河道進入滆湖，最后匯入太湖（圖1）。沿線區域工、農業發達，現狀河道水質相對較差。

新孟河北起長江，向南過京杭運河后，延伸至北干河，全長116.47 km。新孟河連通長江處建有界牌水利樞紐，配置80 m寬閘門和設計流量為300 m³/s的雙向引排泵站，具備動力引排水能力。新孟河延伸拓浚工程建設河段除拓浚延伸新孟河之外，同時包括拓浚北干河，以連接長蕩湖和滆湖；拓浚太滆運河、漕橋河，暢通工程引水入太湖的通道。2023年7月，工程通過投入使用驗收。

新孟河延伸拓浚工程具有改善水環境、提高防洪排澇和水資源配置能力等綜合功能和效益。其中，工程引水任務為平水年（2000年型）增加湖西區引江入湖水量25.2億m³；排水規劃任務為遇100 a一遇1991年型洪水，造峰期北排長江洪水7.5億～7.9億m³。根據工程初步設計，當太湖水位位于防洪調度區，滆湖水位高于4.2 m時，界牌水利樞紐開閘排水；當滆湖水位超過4.6 m時，界牌水利樞紐開泵排水。當太湖水位處于適時調度區，滆湖水位高于4.2 m時，界牌水利樞紐開閘排水；而當滆湖水位低于3.7 m時，界牌水利樞紐開閘引水。目前，工程尚未進入常態化運行階段，2022年10～12月，江蘇省水利廳組織實施“新孟河抗旱調水試運行”試驗，調水試驗期間，通過引長江清水有效增加了湖西區特別是洮、滆兩湖水資源量，緩解了地區旱情，太湖水資源量也得到補充。

在前期工作中，對新孟河及其一級支流沿線片區污染源情況進行搜集整理和調查，重點關注新孟河沿線流經的11個鄉鎮，涉及常州市新北區、武進區和金壇市^［12-13］，作為本文構建區域水質模型的重要支撐資料。其中，點源污染上，包括直排工業、污水廠等；面源污染上，包括生活直排、農業種植和城市建成區地表徑流等。結果表明，新孟河及其一級支流沿線COD、氨氮、總氮、總磷污染物入河量分別為3 043.6，285.1，674.5，41.4 t，其中面源污染占比要大于點源污染。在不設控的運河以南地區，主要污染物入河通量明顯高于運河以北地區（表1）。

2 水量水質模型構建

為定量化分析新孟河工程實施前、后湖西區入湖污染物通量及主要入湖河道水質變化情況，選用MIKE 11模型進行湖西區水量水質模型構建工作。MIKE 11模型在水環境治理工作中應用廣泛，是適用于太湖流域平原河網地區一維非恒定流穩定計算的有效手段^［14-15］。本次研究應用降雨徑流模型（NAM）、水動力模塊（HD）與水質模塊（AD），結合長期實測資料，對湖西區入太湖水量、污染物通量等參數進行模擬計算分析。

2.1 典型年選擇

在《太湖流域水資源綜合規劃》^［16］等相關規劃中，明確在遭遇流域平水年（2000年型）時，通過新孟河工程實施增加湖西區入太湖水量25.2億m³的引水任務要求。在本文中，對應選擇2000年型作為典型平水年型開展計算分析。

在2000年，太湖流域全年面雨量為1 074.2 mm，保證率為52%；湖西區全年降雨保證率為55%。流域、湖西區保證率基本一致，都接近于50%，可以作為P=50%的典型平水年雨型進行模型計算。

2.2 水系概化與模型邊界選擇

2.2.1 水系概化

根據湖西區水系分布、匯水范圍及河道特征，對區域中骨干河道進行河網概化（圖2）。

2.2.2 模型邊界選擇

（1）產匯流計算。根據湖西區32個雨量站點分布劃分泰森多邊形，劃分出的每個多邊形作為流域平均降雨量計算單元。采用氣象站點典型平水年（2000年）降雨蒸發數據進行產匯流計算，計算結果作為河網中的側向入流。

（2）水動力邊界。模型共設置23處水動力外部邊界。其中，沿長江潮位邊界選擇連江骨干河道典型平水年（2000年）實測潮位資料；主要入太湖河道、與武澄錫虞區內河連接河道選擇典型平水年（2000年）實測水位或流量資料；湖西區沿江主要水利工程均設置閘控運行條件。

（3）水質邊界。水質邊界采用2020年水動力外部邊界對應點位的國、省考斷面月際尺度實測水質（氨氮、總磷）資料。

（4）區域污染負荷輸入。文中所使用的湖西區污染負荷數據，與太湖上游鎮江、常州、無錫三市“十四五”太湖綜合治理規劃中統計數據一致。其中，點源包括直排工業源、城市生活源與農村生活源，面源包括未接管生活源、城市面源、畜禽養殖源、水產養殖源與農業種植源，各污染源占比見表2。同時，將湖西區劃分為28個控制單元，在模型中點面源污染負荷均按照各匯水范圍內河道側向入流流量均分，并以側向入流污染物濃度的形式進入河道。

2.3 模型率定與驗證

2.3.1 水量模型率定與驗證

（1）水量模型參數率定。選擇2000年1～6月金壇、溧陽站、王母觀日水位數據，進行HD模型參數率定。主要率定參數為河床糙率，糙率率定值為0.033。NAM模型參數依據HD模型模擬結果以及區域經驗值選取。

（2）水量模型驗證誤差。選擇2000年7～12月金壇、王母觀、溧陽站日水位數據進行模型驗證。結果表明，各站水位模擬與實測值之間平均相對誤差均在±5%以內（圖3），說明模擬擬合在可接受區間范圍，本次建立的區域水動力模型具有較好的計算精度。

2.3.2 水質率定與驗證

選擇2020年1～6月東潘橋、辛豐鎮、靜堂大橋斷面水質數據進行水質參數率定。污染物衰減系數根據文獻［17］取固定經驗值，氨氮衰減系數率定值為0.13/d，總磷衰減系數率定值為0.008/d。利用2020年7～12月對應斷面水質數據進行模型驗證（圖4～5）。結果表明，東潘橋斷面氨氮平均絕對相對誤差為-14.6%，總磷平均絕對相對誤差為14.7%；辛豐鎮斷面氨氮平均絕對相對誤差為21.3%，總磷平均絕對相對誤差為11.1%；靜堂大橋斷面氨氮平均絕對相對誤差為12.1%，總磷平均絕對相對誤差為10.6%。說明構建的模型具有較好的計算精度，可以滿足本次工作計算要求。

3 現狀入湖污染物通量特征分析

3.1 實測資料分析

實測資料數據來源于江蘇省水文水資源勘測局，資料年限為1986～2020年。

3.1.1 湖西區入湖水量

湖西區多年平均入湖水量為51.4億m³，占環太湖入湖總水量的56.4%。以太湖水環境綜合治理啟動的2007年為時間節點，在2007～2020年期間，湖西區年均入湖水量為71.8億m³，較1986～2006年期間增加34.0億m³，增幅達到90.2%（圖6）。湖西區在入湖水量中占比也相應增加，在2007～2020年期間，湖西區占總入湖水量的63.0%，較1986～2006年期間增加16.4%，是環太湖入湖水量增加的主要來源。

3.1.2 湖西區入湖水質

自2008年太湖啟動水環境治理工作以來，湖西區主要入湖河道水質改善明顯。其中，新孟河工程拓浚的太滆運河、漕橋河，在2008～2020年期間主要水質指標（高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷）均出現降低趨勢。以總磷為例，太滆運河總磷濃度從0.339 mg/L（2008年）降低至0.290 mg/L（2020年），漕橋河總磷濃度從0.340 mg/L（2008年）降低至0.208 mg/L（2020年）（圖7）。其中，在2012年以后，主要水質指標的變化趨于穩定。

3.1.3 湖西區入湖污染物通量

從湖西區入湖污染物通量變化來看，與水質相對應，入湖污染物通量也表現出整體減少的趨勢。以總磷為例，從2008年的1 779 t/a，降低至2020年的1 537 t/a（圖8）。

3.2 工程實施前、后入湖污染物通量變化分析

參照新孟河工程初步設計中工程調度原則，對典型平水年（2000年型）時新孟河工程實施前、后湖西區入湖水量、主要入湖河道水質及入湖污染物通量等參數進行模擬計算，重點關注氨氮、總磷水質指標。一方面分析工程實施對流域水環境可能產生的影響，另一方面也為下一步進行工程調度的優化調整明確基礎背景。

3.2.1 新孟河工程實施前

（1）水量。在典型平水年時，新孟河工程實施前，現狀工程調度下，湖西區入太湖水量為55.26億m³。其中洮滆水系入湖水量為26.86億m³，其主要入湖河道為太滆南運河、太滆運河、漕橋河，入湖水量分別為9.95億m³和5.56億m³（太滆運河與漕橋河匯流）。該時期，通過新孟河引江水量為2.87億m³，通過新孟河排江水量僅為0.18億m³。

（2）水質。在典型平水年時，新孟河工程實施前，從主要入湖河道的水質年均值變化來看，入湖河道平均氨氮濃度為0.427 mg/L；平均總磷濃度為0.140 mg/L。具體入湖河道來看，在氨氮指標上，太滆運河、漕橋河匯合后的分水橋斷面氨氮濃度為0.550 mg/L，太滆南運河為0.312 mg/L，東湛瀆港為0.611 mg/L，南河為0.414 mg/L。在總磷指標上，分水橋斷面總磷濃度為0.173 mg/L，太滆南運河為0.230 mg/L，東湛瀆港為0.114 mg/L，南河為0.136 mg/L。湖西區主要入湖河道水質指標情況見圖9。

（3）入湖污染物通量。在典型平水年時，新孟河工程實施前，湖西區氨氮入湖通量為2 135 t/a，總磷入湖通量為840 t/a，計算結果與相關研究中對該年型下湖西區入湖總磷通量的估算值（893 t/a）基本一致^［18］。具體從入湖河道來看，在氨氮指標上，太滆運河、漕橋河匯合后的分水橋斷面氨氮入湖通量為285 t/a，太滆南運河為297 t/a，東湛瀆港為166 t/a，南河為1 083 t/a。在總磷指標上，分水橋斷面總磷入湖通量為98 t/a，太滆南運河為230 t/a，東湛瀆港為32 t/a，南河為378 t/a。湖西區主要入湖河道污染物入湖通量情況見圖10。

3.2.2 新孟河工程實施后

（1）水量。在典型平水年時，新孟河工程實施后，湖西區入太湖水量為88.11億m³，較工程實施前湖西區新增入湖水量32.85億m³。其中，洮滆水系入湖水量為56.86億m³，主要入湖河道為太滆運河、漕橋河、太滆南運河。新孟河工程拓浚的河線太滆運河、漕橋河匯流后入太湖水量為35.32億m³，較工程實施前增加29.76億m³，是湖西區新增入湖水量的主要通道。該時期，通過新孟河引江水量為45.28億m³，通過新孟河排江水量僅為0.02億m³，工程運行以引水為主。

（2）水質。在典型平水年時，新孟河工程實施后，主要入湖河道的水質均出現明顯改善，從年均值變化來看，入湖河道平均氨氮濃度為0.326 mg/L；平均總磷濃度為0.101 mg/L。具體從入湖河道來看，作為新孟河引水入太湖的重要通道，太滆運河、漕橋河水質改善最為明顯。在太滆運河、漕橋河匯合后的分水橋斷面上，氨氮、總磷濃度分別從工程實施前的0.550 mg/L和0.173 mg/L，降低至工程實施后的0.351 mg/L和0.125 mg/L。湖西區主要入湖河道水質指標情況見圖11。

（3）入湖污染物通量。相應于水質的明顯改善，在典型平水年時，新孟河工程實施后，隨著入湖水量的大幅增加，主要入湖河道的污染物入湖通量也出現增加。其中，湖西區氨氮入湖通量增加至2 343 t/a，總磷入湖通量增加至1 042 t/a。具體從入湖河道來看，由于湖西區新增入湖水量主要是通過太滆運河、漕橋河進入太湖，這兩條河道的污染物入湖通量增幅明顯。在太滆運河、漕橋河匯合后的分水橋斷面上，氨氮、總磷入湖通量分別從工程實施前的285 t/a和98 t/a，增加至工程實施后的1 025 t/a和427 t/a。湖西區主要入湖河道入太湖污染物通量情況見圖12。

4 以入湖污染物通量削減為目標的工程調度優化

4.1 調度優化思路及方案

4.1.1 優化思路

入湖污染物通量的變化，與入湖河道水質及入湖水量有直接聯系。實測資料表明，在湖西區入湖水量整體增加背景下，入湖河道水質也趨于穩定，因此從進一步改善水質的角度來實現入湖污染物通量較大幅度的削減就十分困難。從新孟河工程的實施效果來看，工程實施后，湖西區入湖水量顯著增加，主要入湖河道水質也得到明顯改善，但同時湖西區入湖污染物通量也出現了進一步增加的情況，這可能會對太湖水環境造成負面影響。結合新孟河沿江口門的引排情況進行分析，在平水年，界牌水利樞紐以引水為主，排江水量十分有限。這是由于在工程現狀調度中，界牌水利樞紐進行排水調度的啟用水位相對較高，難以通過增加排水來減少該時期湖西區入太湖水量。

在本次研究中，針對界牌水利樞紐現狀調度原則，考慮增加新孟河沿江口門的排水機會，利用新孟河拉動湖西區腹部水質差的本地產水由東入太湖轉而北排長江，從而達到有效削減入湖污染物通量的目的。

4.1.2 方案設計

在本次方案設計中，以滿足新孟河工程引水任務為前提，同時考慮太湖、滆湖等湖泊最低水位保障要求。在工程運行調度水位的確定上，一方面考慮合理增加新孟河沿江口門排水機會；另一方面考慮在排水調度時盡可能地使用水閘進行排水，以節省工程運行成本。經模型模擬比選后，最終確定坊前站（滆湖）水位達到3.5 m時作為界牌水利樞紐調整后的排水調度水位。具體調度方式見表3。

4.2 效果分析

（1）水量。在界牌水利樞紐調度方案調整后，典型平水年（2000年型）時，通過新孟河引江水量為32.55億m³，湖西區入太湖水量為80.84億m³，相較工程實施前新增入太湖水量達25.58億m³，滿足流域水資源規劃中對工程引水的任務要求^［16］。該時期，太湖年內平均水位3.27 m，最低水位3.01 m，滿足太湖最低生態水位要求（2.65 m）^［19］；滆湖年內平均水位3.44 m，最低水位3.15 m，滿足滆湖最低生態水位要求（2.67 m）^［20］。

調度方案調整后，在年內1月份和6月份，界牌水利樞紐執行排水調度（圖13），在排水運行時，新孟河運南段東西兩側支流（鶴溪河、夏溪河、湟里河、北干河）水流方向均轉為向新孟河匯入，新孟河流向也轉為自南向北進入長江，有效拉動了洮滆腹部地區的本地產水向北排入長江。年內湖西區通過新孟河北排長江水量為4.79億m³，較工程實施前新增排江水量4.61億m³；同時相較于現狀調度方案，減少湖西區入太湖水量7.27億m³，降幅約8.3%。

（2）水質。在優化調度方案實行下，湖西區入湖河道水質明顯改善。典型平水年時，新孟河工程實施后，在年均值變化上，入湖河道平均氨氮濃度為0.309 mg/L，平均總磷濃度為0.120 mg/L。相較于現狀調度方案，優化方案下入湖河道氨氮濃度進一步降低，總磷濃度則略微升高。湖西區主要入湖河道水質指標情況見圖14。

（3）入湖污染物通量。典型平水年時，相較于現狀調度方案，隨著腹部地區水質差的本地產水通過新孟河向北增加排江，湖西區入湖污染物通量也明顯減少。在優化調度方案實行下，湖西區氨氮入湖通量減少至2 159 t/a，較現狀方案削減184 t/a；總磷入湖通量減少至1 006 t/a，較現狀方案削減35.5 t/a。

從太滆運河、漕橋河入湖污染物通量變化來看，優化調度方案下，在太滆運河、漕橋河匯合后的分水橋斷面上，氨氮、總磷入湖通量分別從現狀調度實行下的1 025 t/a和427 t/a，削減至907 t/a和367 t/a。湖西區主要入湖河道入太湖污染物通量情況見圖15。

5 結論與建議

5.1 結 論

（1）在新孟河工程實施后，典型平水年（2000年）時，通過新孟河引水，湖西區入湖水量顯著增加，主要入湖河道水質明顯改善，但同時湖西區入湖污染物通量也存在一定增幅。

（2） 通過對界牌水利樞紐調度規則進行優化調整，降低工程排水啟用條件，利用新孟河拉動湖西區腹部水質差的本地產水由東入太湖轉而北排長江，可以在典型平水年時增加工程北排長江水量4.61億m³，湖西區入湖氨氮通量較現狀調度方案削減184 t/a，總磷通量削減35.5 t/a，該方案是通過靈活調度水利工程實現入湖污染物通量削減的有效措施。

5.2 建 議

通過水利工程優化調度來促使本地水質較差的產水由入湖轉為排江，可以在一定程度上削減入湖污染負荷，進而有利于改善湖泊水環境。但作為以“控源截污”為主線的太湖流域水環境綜合治理工作中，水利工程的優化調控僅可以作為一種輔助手段。對于流域上游地區的水環境治理，建議持續推進城鎮生活污水和雨洪排口的規范化整治，同時多模式開展農村生活污水治理設施建設，通過源頭充分減量、過程精準控制、末端截蓄治并舉的系統治理思路^［21-22］，消除旱天非雨出流，控制雨天溢流污染，進一步削減點面源污染，提高入湖河道水環境質量，實現從源頭上有效削減入太湖污染負荷。

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（編輯：劉 媛）

Optimization of water engineering regulation aiming to reduce pollutant flux into Taihu Lake

QIN Hao¹，LIU Zihao¹，YAO Jiefu²，TANG Ren¹，WU Xiaojing¹

（1.Jiangsu Taihu Water Conservancy Planning and Design Institute Co.，Ld.，Suzhou 215006，China；2.Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing，210023，China）

Abstract：The reduction of pollutants flux into lake is the focus of water environment improvement in Taihu Lake.The Xinmeng River Project is the only important river channel that can directly connect the Changjiang River and the inner area of the upper reaches of Taihu Lake Basin.Previous work has found that since the implementation of the project，with the flow diverted from the Changjiang River into Taihu Lake，the water quality of the rivers into the Huxi hydraulic region has been significantly improved，but the overall pollutant flux into Taihu Lake has also further increased.Aiming at this problem after the normal operation of Xinmeng River project，we are about to adjust the projects′ dispatch flexibly and arrange water flowing route reasonably，in which we will increase the drainage outlets along the Changjiang River.In detail，we utilize the Xinmeng River to drain the lake water to the Changjiang River so as to promote the hinterland poor quality water to be drained to the Changjaing River，so the pollutant flux into the Taihu Lake will be effectively reduced.The results show that by optimizing the current scheduling of the Xinmeng River project，the amount of water discharged from the Xinmeng River can be increased by 468 million m³in the typical normal year （p=50%）.Compared with the current scheduling scheme，the ammonia nitrogen flux into the Huxi area is reduced by 184 t/a，and the total phosphorus flux into the lake is reduced by 35.5 t/a.It shows that the optimized water project scheduling scheme is a feasible measure to reduce the pollutant flux into the lake by using the water project scheduling.The relevant research results can provide new ideas for the water environment treatment of Taihu Lake.

Key words：pollution flux；water conservancy project regulation；Xinmeng River；Taihu Lake