引水调度改善太湖流域无锡市运东片区水环境方案研究

陆一维，逄 勇，周冉冉

(1. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室， 南京 210098; 2. 河海大学环境学院，南京 210098)

1 前 言

近年来，伴随着长三角城市工业的迅猛发展和城市化的快速推进，太湖流域水环境遭到严重破坏。污水治理能力的不足、水资源管理不当等原因更是导致该区域内水环境持续恶化，COD、氨氮和总磷等多项指标浓度超过控制目标[1]。虽然各级政府加大治污力度，污水排放逐年减少，但是污染物入河、入湖量仍然很大，水环境恶化趋势未能从根本上得到扭转。

调水工程作为改善水质的一种措施，在国内外均有不少成功的案例。1964年，日本从利根川和荒川引入清水，加强了隅田川河网水动力，一定程度上提升了河流的水质[2]。美国通过引调Mississippi河水到Pontchartrain湖，改善了Pontchartrain湖的水环境[3]。21世纪以来，为了改善太湖流域河网水环境，周围城市开展了众多不同规模的调水试验工程[4]。“引江济太”调水工程，改善了太湖及周边水系的富营养化等水环境问题，保证了太湖水源地的水质安全，也保证了下游城市的供水水质[5～8]。

无锡市运东片区河道流动性差、污染严重，大部分河道水质处于Ⅴ类以及劣Ⅴ类水平，水质达标率低[9]。为了改善区域水环境，无锡市拟优化区域水利工程调度。本文结合运东片区的水系现状、规划情况以及水利工程的布局，利用水环境数学模型模拟设定方案对骨干河道水环境的改善效果，从而提出合理有效的引调水实施方案，为区域水环境改善提供依据。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域

无锡市运东片区主要是指京杭大运河以东区域，包括：江阴市、梁溪区、锡山区、新吴区和惠山区，总面积1 814 km2。该区域北滨长江，南临运河，属于感潮平原河网地区，水系发达、水利工程密集、水文条件复杂、地势平坦，形成独具特色的江河湖连通水网络格局。

根据《2016年无锡市水资源公报》，全市主要水域162个水质监测断面中，水质综合评价为Ⅱ类的断面有8个，占总监测断面数的5.0%，评价为Ⅲ类的断面有19个，占12.0%，Ⅳ类和Ⅴ类分别占57.0%和12.7%，其余为劣Ⅴ类，占13.3%。研究区域水功能区达标率如下：江阴市61.5%，惠山区23.1%，锡山区27.3%，梁溪区0.0%，新吴区12.5%，主要超标因子为氨氮和总磷。研究区域内除江阴市外，其余片区达标率均较低，急需通过引调水来增强水体流动性，改善水环境。

2.2 研究方法

河网结构的错综复杂性是研究平原感潮河网问题的一大难题，需借助数学模型来模拟出河网的水动力以及水质的动态变化。本文通过收集的水文、污染源和水质等资料，结合区域防洪排涝的特征及水环境特性，构建运东片区河网水量水质模型。通过模型计算来模拟每个方案对运东片区水环境的改善效果，从而得出最优的引水调度方案。

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动力学模型的耦合，水动力方程采用动质量守恒圣维南方程组，方程组如下：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；Z为水位，m；Bw为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽，m；q为旁侧入流流量，入流为正，出流为负，m3/s；x为沿水流方向空间坐标，m；A为主槽过水断面面积，m2；t为时间坐标，s；u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；B为主流断面宽度，m；n为糙率；R为水力半径，m。

此方程采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分法进行求解。先求解各节点处的水位，然后将各节点水位回代求得各单一河道各微断面水位及流量[10]。

2.2.1.2 水质模型方程

无锡市运东片区河网水质模型水体中污染物对流扩散方程表述如下：

(2)

(3)

式(2)是河道方程，式(3)是河道叉点方程。式中A是河道面积，m2；C是水流输送的物质浓度，mg/L；t是时间，s；Q为流量，m3/s；x为沿水流方向空间坐标，m；Ex是纵向分散系数，m2/s；Sc是与输送物质浓度有关的衰减项，例如可写为Sc=KdAC；Kd是衰减因子，1/s；S是外部的源或汇项；I是与节点j相联接的河道编号；j是节点编号；Ω是河道叉点-节点的水面面积，m2；Z为水位，m。

时间项采用向前差分的方式，对流项则采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式进行离散求解[11-12]。

2.2.2 模型构建

2.2.2.1 计算范围的确定

结合无锡市运东片区防洪排涝的特征及水环境特性，本次选择一维非稳态模型对研究区域进行水量水质模拟分析[13-14]。

无锡市运东片区主要由白屈港、锡澄运河和梁溪河等骨干河道引水进行活水，因此确定这部分区域为本次研究的评价区域(图1蓝色包围的区域)。考虑到边界条件稳定性以及水系完整性等因素，确定计算边界为东至望虞河、西至澡港河—武进港、南至太湖、北至长江。边界内区域则为本次研究的计算区域(图1红色包围的区域)。

图1 模型计算区域及评价区域范围Fig.1 Distribution of model calculation area and evaluation area

2.2.2.2 河网概化

本次河网概化以计算范围内骨干河道为基础进行合理概化(图2)，评价区域部分加密至村级河道[15-16]。

图2 河道概化Fig.2 River generalization

2.2.2.3 污染源概化

污染源分为点源和面源。点源包括无锡市2016年污水厂和直排工业企业源。面源包括农村生活污染源、城镇生活污染源(直排部分)、畜禽养殖污染源、农田面源及地表径流污染源，可根据《2017年无锡统计年鉴》中人口、耕地面积及畜禽养殖等数据推算得出。点源根据污水厂和企业排污口的污水量和位置直接加入到河网中，面源根据流入的河道均匀分布概化到相应位置的河道中。

2.2.3 模型参数率定验证

模型边界条件选取2012年长江实测潮位、太湖实测水位以及2016年监测断面水质监测值。根据2016年无锡市水质评价结果，氨氮、总磷超标严重，故本次水质率定只考虑氨氮和总磷指标。

2.2.3.1 水动力率定验证结果

为保证模型参数的准确性，水动力率定验证综合了汛期和非汛期两种情况。选择2012年最大7日、2012年11月和12月实测降雨、潮位以及水位资料进行率定，选择2013年7月和2014年1月实测降雨、潮位以及水位资料进行验证。选取计算范围内有实测水位数据的无锡站、陈墅站、青旸站和甘露站水文数据进行率定验证。率定得到的主要参数如下：河道糙率的取值范围为0.015至0.02。率定验证结果显示各站水位的变化趋势基本合理，峰值较为接近，最大平均误差为6.1 cm，说明模型选取参数以及计算结果较为可靠。各水文站水位率定验证结果见表1。

表1 水位率定验证结果Tab.1 Verification results of water level calibration

2.2.3.2 水质率定验证结果

无锡市运东片区地处长江三角洲冲积平原武澄锡虞区内，根据《太湖流域水环境容量计算与“十三五”规划方案治理目标及污染控制总量分配研究专题报告》中武澄锡虞区河网水质模型率定参数，取运东片区主要水质指标降解系数如表2。

表2 模型水质参数取值Tab.2 Value of water quality parameters in model

根据模型计算结果，验证计算范围内2016年1～3月28个监测断面的水质平均值，验证结果显示各监测断面水质基本合理，误差在15%以内。模型计算结果整体上反映了运东片区的水质状况，表明模型水质参数选取可靠。

3 结果与分析

3.1 引水方案及调度规则

无锡市运东片区南滨运河，北接长江，运河水质常年为Ⅳ类或Ⅴ类水，水质较差，长江江阴段水质可达到Ⅱ～Ⅲ类水标准，水质较好。此外，长江(大通站)多年平均流量约2.83万m3/s，沿江有白屈港翻水站、新沟河翻水站等大规模闸站，水量充足，调度相对容易。将运东片区分为5个分区(锡澄运河以西片、锡澄运河以东片、运东大包围片、走马塘以西片、走马塘以东片)，以长江为水源地，结合已建、在建或拟建的沿江泵站，提出合理的引水方案，研究各方案对5个分区的水质效果。运东片区各调水分区以及引调水方案见图3，各引水方案及调度规则如下。

图3 运东片区调水分区以及引调水方案示意图Fig.3 Schematic map of water diversion area and scheme in the Yundong District

3.1.1 方案1：利用白屈港抽水站调水引流

在现状条件下，利用白屈港抽水站抽调长江水，对运东片实施调水，改善区域水环境，实际调水流量为80 m3/s。

调度运行规则：通过模型试算，白屈港东西侧控制闸门均打开时，两侧支流分流较大，只有较小流量能够进入运东大包围片区，对无锡市区改善效果较差。因此关闭白屈港西侧控制闸门，东线控制闸门适度开启，控制向东泄流量为45 m3/s左右，用于改善锡澄运河以东片区。其余流量通过新建张村立交地涵进入运东大包围片区。

3.1.2 方案2：利用白屈港抽水站以及锡澄运河抽水站同时调水引流

在白屈港调水80 m3/s基础上，利用规划新建的锡澄运河泵站抽调长江水60 m3/s，并通过东横河和应天河对白屈港进行补水30 m3/s，协助白屈港进行调水引流，此时白屈港调水总流量达到110 m3/s。

调度运行规则：锡澄运河引水60 m3/s，其中30 m3/s补给白屈港，其余通过南闸控制闸泄流，用于改善锡澄运河以西片区水环境。其余调度规则与方案1一致，此方案进入无锡市区清水流量更大，调水效果预期较好。

3.1.3 方案3：澄西片引水调度方案

澄西片距离锡澄运河和白屈港清水通道较远，调水效果效益较小。由于该区域临近长江，可充分发挥地理优势，利用长江潮位，引排江水，对澄西片单独进行畅流活水。在现状情况下可利用长江高潮位时开启桃花港上的新河闸和利港上的闸门，引入长江水，在长江低潮位时，开启芦埠港和申港上的沿江闸门自排污水(具体引排流量流速以长江潮位为基础，本次采用2012年11月和12月长江潮位资料)。引水期间西横河西闸和临近的常州境内的闸门均为关闭状态。

3.2 各方案效果分析

经过模型计算模拟各引水方案及调度规则水质变化情况，水质结果选取评价区域内29个断面持续调水10天后的氨氮浓度值。计算可得调水后的各片区达标率以及各断面水质类别，与现状进行对比，分析结果如下。

3.2.1 方案1调水方案效果分析

方案1白屈港调水流量为80 m3/s，澄东片分流47.7 m3/s，进入大包围25.7 m3/s。方案1调水条件下持续调水10天后，运东大包围片区和走马塘以东片区各监测断面水质改善效果较好，锡澄运河以东片区、走马塘以西片区和锡澄运河以西片区各断面水质改善效果一般。运东片区总体达标率从31.0%提升至37.9%，各分区达标率情况见表3。

方案1条件下调水后5个片区29个断面中，水质类别为Ⅱ类的有1个，占比3.5%；Ⅲ类的有7个，占比24.1%；Ⅳ类的有6个，占比20.7%；Ⅴ类的有12个，占比41.4%，劣Ⅴ类的有3个，占比10.3%，水质类别占比情况见表4。

表3 方案1各片区监测断面水质(氨氮)达标率情况Tab.3 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections in Scheme 1 (%)

表4 现状及方案1水质类别占比情况对比Tab.4 Comparison of water quality categories between Scheme 1 and current situation

3.2.2 方案2调水方案效果分析

方案2在白屈港调水80.0 m3/s基础上，锡澄运河抽水站抽引60.0 m3/s，通过东横河和应天河对白屈港进行补水30.0 m3/s，协助白屈港进行调水引流，其余通过南闸控制闸泄流，对锡澄运河以西片进行畅流活水。白屈港路线总调水110.0 m3/s，澄东片分流50.5 m3/s，进入大包围60.0 m3/s。

由于从锡澄运河补水30.0 m3/s，明显增加了进入大包围的流量，持续调水稳定情况下，进入大包围有60.0 m3/s。同时通过南闸控制闸泄流的30.0 m3/s，对锡澄运河以及锡澄运河以西地区的水环境有一定的改善效果。方案2条件下持续调水10天后，运东大包围片区和走马塘以西片区各断面水质改善效果好，锡澄运河以东片区和走马塘以东片区各断面水质改善效果较好，锡澄运河以西片区(包括锡澄运河)各断面水质改善效果一般。运东片区总体达标率从31.0%提升至55.2%，各分区达标率情况见表5。

表5 方案2各片区监测断面水质(氨氮)达标率情况Tab.5 Water quality (Ammonia Nitrogen) qualification rate of monitoring sections between Scheme 2 (%)

方案2条件下调水后5个片区29个断面中，水质类别为Ⅱ类水的有2个，占比6.9%；Ⅲ类的有8个，占比27.6%；Ⅳ类的有11个，占比37.9%；Ⅴ类的有8个，占比27.6%，无劣Ⅴ类断面，水质类别占比情况见表6。

表6 现状及方案2水质类别占比情况对比Tab.6 Comparison of water quality categories between Scheme 2 and current situation

3.2.3 方案3调水方案效果分析

方案3利用长江潮位的变化，自引长江水，对锡澄运河以西片区西部澄西片水环境的改善有一定效果，此方案的具体引排数据与长江潮位有关，并不固定。方案3条件下持续调水10天后，锡澄运河以西片区各断面水质改善效果较好，断面达标率从现状14.3%提升到71.4%。此方案结合方案2同时调水可整体改善运东片区水质，总体达标率从现状31.0%提升至65.5%。

方案3条件下调水后锡澄运河以西片区7个断面中，水质类别为Ⅲ类水的有3个，占比42.9%；水质类别为Ⅳ类水的有2个，占比28.6%；水质类别为Ⅴ类水的有2个，占比28.6%，水质类别占比情况见表7。

表7 现状及方案3水质类别占比情况对比Tab.7 Comparison of water quality categories between Scheme 3 and current situation

4 结 论

本文通过构建无锡市运东片区水环境数学模型模拟3种引调水方案对水环境的改善效果，得到以下结论：

方案1白屈港调水方案与方案2白屈港和锡澄运河同时调水方案比较，方案2各断面水质更好，各片区断面达标率也更高，总体达标率从31.0%提升至55.2%。方案2中澄西片区(锡澄运河以西片区西部区域)调水受益较小，水质难以改善，方案3澄西片调水方案一定程度改善了澄西片区水环境。因此最终确定方案2结合方案3一同调水，即可更好地改善运东片区整体水环境，总体达标率从现状31.0%提升至65.5%。