陸一維，逄 勇，周冉冉

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

1 前 言

近年來，伴隨著長三角城市工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市化的快速推進，太湖流域水環(huán)境遭到嚴重破壞。污水治理能力的不足、水資源管理不當?shù)仍蚋菍е略搮^(qū)域內水環(huán)境持續(xù)惡化，COD、氨氮和總磷等多項指標濃度超過控制目標[1]。雖然各級政府加大治污力度，污水排放逐年減少，但是污染物入河、入湖量仍然很大，水環(huán)境惡化趨勢未能從根本上得到扭轉。

調水工程作為改善水質的一種措施，在國內外均有不少成功的案例。1964年，日本從利根川和荒川引入清水，加強了隅田川河網(wǎng)水動力，一定程度上提升了河流的水質[2]。美國通過引調Mississippi河水到Pontchartrain湖，改善了Pontchartrain湖的水環(huán)境[3]。21世紀以來，為了改善太湖流域河網(wǎng)水環(huán)境，周圍城市開展了眾多不同規(guī)模的調水試驗工程[4]?！耙瓭闭{水工程，改善了太湖及周邊水系的富營養(yǎng)化等水環(huán)境問題，保證了太湖水源地的水質安全，也保證了下游城市的供水水質[5～8]。

無錫市運東片區(qū)河道流動性差、污染嚴重，大部分河道水質處于Ⅴ類以及劣Ⅴ類水平，水質達標率低[9]。為了改善區(qū)域水環(huán)境，無錫市擬優(yōu)化區(qū)域水利工程調度。本文結合運東片區(qū)的水系現(xiàn)狀、規(guī)劃情況以及水利工程的布局，利用水環(huán)境數(shù)學模型模擬設定方案對骨干河道水環(huán)境的改善效果，從而提出合理有效的引調水實施方案，為區(qū)域水環(huán)境改善提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

無錫市運東片區(qū)主要是指京杭大運河以東區(qū)域，包括：江陰市、梁溪區(qū)、錫山區(qū)、新吳區(qū)和惠山區(qū)，總面積1 814 km2。該區(qū)域北濱長江，南臨運河，屬于感潮平原河網(wǎng)地區(qū)，水系發(fā)達、水利工程密集、水文條件復雜、地勢平坦，形成獨具特色的江河湖連通水網(wǎng)絡格局。

根據(jù)《2016年無錫市水資源公報》，全市主要水域162個水質監(jiān)測斷面中，水質綜合評價為Ⅱ類的斷面有8個，占總監(jiān)測斷面數(shù)的5.0%，評價為Ⅲ類的斷面有19個，占12.0%，Ⅳ類和Ⅴ類分別占57.0%和12.7%，其余為劣Ⅴ類，占13.3%。研究區(qū)域水功能區(qū)達標率如下：江陰市61.5%，惠山區(qū)23.1%，錫山區(qū)27.3%，梁溪區(qū)0.0%，新吳區(qū)12.5%，主要超標因子為氨氮和總磷。研究區(qū)域內除江陰市外，其余片區(qū)達標率均較低，急需通過引調水來增強水體流動性，改善水環(huán)境。

2.2 研究方法

河網(wǎng)結構的錯綜復雜性是研究平原感潮河網(wǎng)問題的一大難題，需借助數(shù)學模型來模擬出河網(wǎng)的水動力以及水質的動態(tài)變化。本文通過收集的水文、污染源和水質等資料，結合區(qū)域防洪排澇的特征及水環(huán)境特性，構建運東片區(qū)河網(wǎng)水量水質模型。通過模型計算來模擬每個方案對運東片區(qū)水環(huán)境的改善效果，從而得出最優(yōu)的引水調度方案。

2.2.1 模型基本原理

2.2.1.1 水量模型方程

水量模型是水文模型和水動力學模型的耦合，水動力方程采用動質量守恒圣維南方程組，方程組如下：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；Z為水位，m；Bw為調蓄寬度，指包括灘地在內的全部河寬，m；q為旁側入流流量，入流為正，出流為負，m3/s；x為沿水流方向空間坐標，m；A為主槽過水斷面面積，m2；t為時間坐標，s；u為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；B為主流斷面寬度，m；n為糙率；R為水力半徑，m。

此方程采用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分法進行求解。先求解各節(jié)點處的水位，然后將各節(jié)點水位回代求得各單一河道各微斷面水位及流量[10]。

2.2.1.2 水質模型方程

無錫市運東片區(qū)河網(wǎng)水質模型水體中污染物對流擴散方程表述如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程，式(3)是河道叉點方程。式中A是河道面積，m2；C是水流輸送的物質濃度，mg/L；t是時間，s；Q為流量，m3/s；x為沿水流方向空間坐標，m；Ex是縱向分散系數(shù)，m2/s；Sc是與輸送物質濃度有關的衰減項，例如可寫為Sc=KdAC；Kd是衰減因子，1/s；S是外部的源或匯項；I是與節(jié)點j相聯(lián)接的河道編號；j是節(jié)點編號；Ω是河道叉點-節(jié)點的水面面積，m2；Z為水位，m。

時間項采用向前差分的方式，對流項則采用上風格式求解，擴散項采用中心差分格式進行離散求解[11-12]。

2.2.2 模型構建

2.2.2.1 計算范圍的確定

結合無錫市運東片區(qū)防洪排澇的特征及水環(huán)境特性，本次選擇一維非穩(wěn)態(tài)模型對研究區(qū)域進行水量水質模擬分析[13-14]。

無錫市運東片區(qū)主要由白屈港、錫澄運河和梁溪河等骨干河道引水進行活水，因此確定這部分區(qū)域為本次研究的評價區(qū)域(圖1藍色包圍的區(qū)域)?？紤]到邊界條件穩(wěn)定性以及水系完整性等因素，確定計算邊界為東至望虞河、西至澡港河—武進港、南至太湖、北至長江。邊界內區(qū)域則為本次研究的計算區(qū)域(圖1紅色包圍的區(qū)域)。

圖1 模型計算區(qū)域及評價區(qū)域范圍Fig.1 Distribution of model calculation area and evaluation area

2.2.2.2 河網(wǎng)概化

本次河網(wǎng)概化以計算范圍內骨干河道為基礎進行合理概化(圖2)，評價區(qū)域部分加密至村級河道[15-16]。

圖2 河道概化Fig.2 River generalization

2.2.2.3 污染源概化

污染源分為點源和面源。點源包括無錫市2016年污水廠和直排工業(yè)企業(yè)源。面源包括農(nóng)村生活污染源、城鎮(zhèn)生活污染源(直排部分)、畜禽養(yǎng)殖污染源、農(nóng)田面源及地表徑流污染源，可根據(jù)《2017年無錫統(tǒng)計年鑒》中人口、耕地面積及畜禽養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)推算得出。點源根據(jù)污水廠和企業(yè)排污口的污水量和位置直接加入到河網(wǎng)中，面源根據(jù)流入的河道均勻分布概化到相應位置的河道中。

2.2.3 模型參數(shù)率定驗證

模型邊界條件選取2012年長江實測潮位、太湖實測水位以及2016年監(jiān)測斷面水質監(jiān)測值。根據(jù)2016年無錫市水質評價結果，氨氮、總磷超標嚴重，故本次水質率定只考慮氨氮和總磷指標。

2.2.3.1 水動力率定驗證結果

為保證模型參數(shù)的準確性，水動力率定驗證綜合了汛期和非汛期兩種情況。選擇2012年最大7日、2012年11月和12月實測降雨、潮位以及水位資料進行率定，選擇2013年7月和2014年1月實測降雨、潮位以及水位資料進行驗證。選取計算范圍內有實測水位數(shù)據(jù)的無錫站、陳墅站、青旸站和甘露站水文數(shù)據(jù)進行率定驗證。率定得到的主要參數(shù)如下：河道糙率的取值范圍為0.015至0.02。率定驗證結果顯示各站水位的變化趨勢基本合理，峰值較為接近，最大平均誤差為6.1 cm，說明模型選取參數(shù)以及計算結果較為可靠。各水文站水位率定驗證結果見表1。

表1 水位率定驗證結果Tab.1 Verification results of water level calibration

2.2.3.2 水質率定驗證結果

無錫市運東片區(qū)地處長江三角洲沖積平原武澄錫虞區(qū)內，根據(jù)《太湖流域水環(huán)境容量計算與“十三五”規(guī)劃方案治理目標及污染控制總量分配研究專題報告》中武澄錫虞區(qū)河網(wǎng)水質模型率定參數(shù)，取運東片區(qū)主要水質指標降解系數(shù)如表2。

表2 模型水質參數(shù)取值Tab.2 Value of water quality parameters in model

根據(jù)模型計算結果，驗證計算范圍內2016年1～3月28個監(jiān)測斷面的水質平均值，驗證結果顯示各監(jiān)測斷面水質基本合理，誤差在15%以內。模型計算結果整體上反映了運東片區(qū)的水質狀況，表明模型水質參數(shù)選取可靠。

3 結果與分析

3.1 引水方案及調度規(guī)則

無錫市運東片區(qū)南濱運河，北接長江，運河水質常年為Ⅳ類或Ⅴ類水，水質較差，長江江陰段水質可達到Ⅱ～Ⅲ類水標準，水質較好。此外，長江(大通站)多年平均流量約2.83萬m3/s，沿江有白屈港翻水站、新溝河翻水站等大規(guī)模閘站，水量充足，調度相對容易。將運東片區(qū)分為5個分區(qū)(錫澄運河以西片、錫澄運河以東片、運東大包圍片、走馬塘以西片、走馬塘以東片)，以長江為水源地，結合已建、在建或擬建的沿江泵站，提出合理的引水方案，研究各方案對5個分區(qū)的水質效果。運東片區(qū)各調水分區(qū)以及引調水方案見圖3，各引水方案及調度規(guī)則如下。

圖3 運東片區(qū)調水分區(qū)以及引調水方案示意圖Fig.3 Schematic map of water diversion area and scheme in the Yundong District

3.1.1 方案1：利用白屈港抽水站調水引流

在現(xiàn)狀條件下，利用白屈港抽水站抽調長江水，對運東片實施調水，改善區(qū)域水環(huán)境，實際調水流量為80 m3/s。

調度運行規(guī)則：通過模型試算，白屈港東西側控制閘門均打開時，兩側支流分流較大，只有較小流量能夠進入運東大包圍片區(qū)，對無錫市區(qū)改善效果較差。因此關閉白屈港西側控制閘門，東線控制閘門適度開啟，控制向東泄流量為45 m3/s左右，用于改善錫澄運河以東片區(qū)。其余流量通過新建張村立交地涵進入運東大包圍片區(qū)。

3.1.2 方案2：利用白屈港抽水站以及錫澄運河抽水站同時調水引流

在白屈港調水80 m3/s基礎上，利用規(guī)劃新建的錫澄運河泵站抽調長江水60 m3/s，并通過東橫河和應天河對白屈港進行補水30 m3/s，協(xié)助白屈港進行調水引流，此時白屈港調水總流量達到110 m3/s。

調度運行規(guī)則：錫澄運河引水60 m3/s，其中30 m3/s補給白屈港，其余通過南閘控制閘泄流，用于改善錫澄運河以西片區(qū)水環(huán)境。其余調度規(guī)則與方案1一致，此方案進入無錫市區(qū)清水流量更大，調水效果預期較好。

3.1.3 方案3：澄西片引水調度方案

澄西片距離錫澄運河和白屈港清水通道較遠，調水效果效益較小。由于該區(qū)域臨近長江，可充分發(fā)揮地理優(yōu)勢，利用長江潮位，引排江水，對澄西片單獨進行暢流活水。在現(xiàn)狀情況下可利用長江高潮位時開啟桃花港上的新河閘和利港上的閘門，引入長江水，在長江低潮位時，開啟蘆埠港和申港上的沿江閘門自排污水(具體引排流量流速以長江潮位為基礎，本次采用2012年11月和12月長江潮位資料)。引水期間西橫河西閘和臨近的常州境內的閘門均為關閉狀態(tài)。

3.2 各方案效果分析

經(jīng)過模型計算模擬各引水方案及調度規(guī)則水質變化情況，水質結果選取評價區(qū)域內29個斷面持續(xù)調水10天后的氨氮濃度值。計算可得調水后的各片區(qū)達標率以及各斷面水質類別，與現(xiàn)狀進行對比，分析結果如下。

3.2.1 方案1調水方案效果分析

方案1白屈港調水流量為80 m3/s，澄東片分流47.7 m3/s，進入大包圍25.7 m3/s。方案1調水條件下持續(xù)調水10天后，運東大包圍片區(qū)和走馬塘以東片區(qū)各監(jiān)測斷面水質改善效果較好，錫澄運河以東片區(qū)、走馬塘以西片區(qū)和錫澄運河以西片區(qū)各斷面水質改善效果一般。運東片區(qū)總體達標率從31.0%提升至37.9%，各分區(qū)達標率情況見表3。

方案1條件下調水后5個片區(qū)29個斷面中，水質類別為Ⅱ類的有1個，占比3.5%；Ⅲ類的有7個，占比24.1%；Ⅳ類的有6個，占比20.7%；Ⅴ類的有12個，占比41.4%，劣Ⅴ類的有3個，占比10.3%，水質類別占比情況見表4。

表3 方案1各片區(qū)監(jiān)測斷面水質(氨氮)達標率情況Tab.3 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections in Scheme 1 (%)

表4 現(xiàn)狀及方案1水質類別占比情況對比Tab.4 Comparison of water quality categories between Scheme 1 and current situation

3.2.2 方案2調水方案效果分析

方案2在白屈港調水80.0 m3/s基礎上，錫澄運河抽水站抽引60.0 m3/s，通過東橫河和應天河對白屈港進行補水30.0 m3/s，協(xié)助白屈港進行調水引流，其余通過南閘控制閘泄流，對錫澄運河以西片進行暢流活水。白屈港路線總調水110.0 m3/s，澄東片分流50.5 m3/s，進入大包圍60.0 m3/s。

由于從錫澄運河補水30.0 m3/s，明顯增加了進入大包圍的流量，持續(xù)調水穩(wěn)定情況下，進入大包圍有60.0 m3/s。同時通過南閘控制閘泄流的30.0 m3/s，對錫澄運河以及錫澄運河以西地區(qū)的水環(huán)境有一定的改善效果。方案2條件下持續(xù)調水10天后，運東大包圍片區(qū)和走馬塘以西片區(qū)各斷面水質改善效果好，錫澄運河以東片區(qū)和走馬塘以東片區(qū)各斷面水質改善效果較好，錫澄運河以西片區(qū)(包括錫澄運河)各斷面水質改善效果一般。運東片區(qū)總體達標率從31.0%提升至55.2%，各分區(qū)達標率情況見表5。

表5 方案2各片區(qū)監(jiān)測斷面水質(氨氮)達標率情況Tab.5 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections between Scheme 2 (%)

方案2條件下調水后5個片區(qū)29個斷面中，水質類別為Ⅱ類水的有2個，占比6.9%；Ⅲ類的有8個，占比27.6%；Ⅳ類的有11個，占比37.9%；Ⅴ類的有8個，占比27.6%，無劣Ⅴ類斷面，水質類別占比情況見表6。

表6 現(xiàn)狀及方案2水質類別占比情況對比Tab.6 Comparison of water quality categories between Scheme 2 and current situation

3.2.3 方案3調水方案效果分析

方案3利用長江潮位的變化，自引長江水，對錫澄運河以西片區(qū)西部澄西片水環(huán)境的改善有一定效果，此方案的具體引排數(shù)據(jù)與長江潮位有關，并不固定。方案3條件下持續(xù)調水10天后，錫澄運河以西片區(qū)各斷面水質改善效果較好，斷面達標率從現(xiàn)狀14.3%提升到71.4%。此方案結合方案2同時調水可整體改善運東片區(qū)水質，總體達標率從現(xiàn)狀31.0%提升至65.5%。

方案3條件下調水后錫澄運河以西片區(qū)7個斷面中，水質類別為Ⅲ類水的有3個，占比42.9%；水質類別為Ⅳ類水的有2個，占比28.6%；水質類別為Ⅴ類水的有2個，占比28.6%，水質類別占比情況見表7。

表7 現(xiàn)狀及方案3水質類別占比情況對比Tab.7 Comparison of water quality categories between Scheme 3 and current situation

4 結 論

本文通過構建無錫市運東片區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型模擬3種引調水方案對水環(huán)境的改善效果，得到以下結論：

方案1白屈港調水方案與方案2白屈港和錫澄運河同時調水方案比較，方案2各斷面水質更好，各片區(qū)斷面達標率也更高，總體達標率從31.0%提升至55.2%。方案2中澄西片區(qū)(錫澄運河以西片區(qū)西部區(qū)域)調水受益較小，水質難以改善，方案3澄西片調水方案一定程度改善了澄西片區(qū)水環(huán)境。因此最終確定方案2結合方案3一同調水，即可更好地改善運東片區(qū)整體水環(huán)境，總體達標率從現(xiàn)狀31.0%提升至65.5%。