入太湖污染物通量削减目标下水工程调控优化探究

秦灏 柳子豪 姚杰夫 唐仁 吴小靖

摘要：入湖污染物通量削减，一直是太湖水环境治理工作的重点。新孟河作为现状唯一一条可以直接连接长江与太湖流域上游区域腹部的流域性重要河道，前期工作發现，在新孟河工程实施后，随着引长江清水进入太湖，湖西区主要入湖河道的水质得到明显改善，但总体入太湖的污染物通量也进一步增加。在新孟河工程即将常态化运行的背景下，针对工程运行后湖西区入湖污染物通量仍可能进一步增加的难点问题，通过灵活调整工程调度，合理部署区域产水出路，计划增加沿江口门排水机会，利用新孟河向长江排水，以拉动腹部地区水质差的本地产水由东入太湖转而北排长江，从而有效削减入太湖污染物通量。结果表明：通过优化新孟河工程现状调度，典型平水年（p=50%）时可以通过新孟河排江水量新增4.68亿m³，湖西区入湖氨氮通量较现状调度方案削减184 t/a、总磷入湖通量削减35.5 t/a，说明优化后的水工程调度方案是利用水利工程调度实现入湖污染物通量削减的可行性措施。相关研究成果可为太湖水环境治理工作提供新的思路。

关 键 词：污染物通量；水利工程调度；新孟河；太湖

中图法分类号：TV213.4

文献标志码：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，一直是太湖水环境治理的重点和难点^［1-2］。以总磷为例，2010年以来入太湖磷通量年均2 224 t，出湖磷通量年均638 t^［3］；而太湖总磷容量仅为（420±100）t，磷滞留量高达1 265 t/a^［4］。污染物是随水流汇入湖泊^［5-6］，因此通过限制入湖水量来控制污染物输入，是进行湖泊水环境治理的有效办法^［7-8］。在太湖水环境治理工作中，通过严格管控太湖北部武澄锡虞区沿湖口门，限制区域内水质差的本地产水进入太湖，该分区入湖污染物通量得到极大削减，太湖北部的梅梁湖、贡湖等湖区水环境也相应改善^［9］。

长期以来，湖西区一直是入太湖污染物通量的主要输入区域。以总磷为例，2008年以来，湖西区年均入湖总磷通量达1 730 t/a，占入太湖总磷通量的78.1%。在《太湖流域水环境综合治理总体方案（2021～2035年）》（以下简称《太湖水环境治理总体方案》）中，将湖西区所在的江苏省上游地区作为入湖污染物防控的重点区域^［10］。但由于湖西区主要入湖河道均未实施工程控制，因此通过控制湖西区入湖水量来削减入湖污染物通量就变得十分困难。

新孟河延伸拓浚工程是《太湖水环境治理总体方案》中部署的“提高水环境容量（纳污能力）引排工程”重点实施项目，工程开拓了原新孟河过京杭运河，延伸至洮、滆湖地区^［11］，是湖西区现状唯一一条可以直接连接长江与太湖流域上游区域腹部的流域性重要河道。本文在新孟河工程即将常态化运行背景下，针对湖西区入湖污染物通量居高不下的流域水环境治理难点问题，灵活调整新孟河工程调度，通过增加新孟河沿江口门排水机会，拉动腹部洮、滆地区水质差的本地产水由东入太湖转而北排长江，从而有效削减湖西区入太湖污染物通量。相关研究成果可以为太湖水环境治理工作提供新的思路，对于进一步发挥水利工程综合效益、挖掘区域乃至流域水环境治理潜力具有重要的理论研究意义。

1 研究区概况

湖西区位于太湖流域西北部，属于太湖上游地区，总面积7 671 km²。区域内水系发达，根据地形特点分为北部运河水系、中部洮滆水系和南部南河水系。北部运河水系分布在运河以北地区，向北直接汇入长江；中部洮滆水系和南部南河水系分布在运河以南地区，向东汇入太湖。其中，中部洮滆水系位于湖西腹部地区，主要承接西部茅山及金坛、丹阳一带丘陵、高地来水，在汇入洮湖后经由北干河、湟里河、夏溪河等横向连接河道进入滆湖，最后汇入太湖（图1）。沿线区域工、农业发达，现状河道水质相对较差。

新孟河北起长江，向南过京杭运河后，延伸至北干河，全长116.47 km。新孟河连通长江处建有界牌水利枢纽，配置80 m宽闸门和设计流量为300 m³/s的双向引排泵站，具备动力引排水能力。新孟河延伸拓浚工程建设河段除拓浚延伸新孟河之外，同时包括拓浚北干河，以连接长荡湖和滆湖；拓浚太滆运河、漕桥河，畅通工程引水入太湖的通道。2023年7月，工程通过投入使用验收。

新孟河延伸拓浚工程具有改善水环境、提高防洪排涝和水资源配置能力等综合功能和效益。其中，工程引水任务为平水年（2000年型）增加湖西区引江入湖水量25.2亿m³；排水规划任务为遇100 a一遇1991年型洪水，造峰期北排长江洪水7.5亿～7.9亿m³。根据工程初步设计，当太湖水位位于防洪调度区，滆湖水位高于4.2 m时，界牌水利枢纽开闸排水；当滆湖水位超过4.6 m时，界牌水利枢纽开泵排水。当太湖水位处于适时调度区，滆湖水位高于4.2 m时，界牌水利枢纽开闸排水；而当滆湖水位低于3.7 m时，界牌水利枢纽开闸引水。目前，工程尚未进入常态化运行阶段，2022年10～12月，江苏省水利厅组织实施“新孟河抗旱调水试运行”试验，调水试验期间，通过引长江清水有效增加了湖西区特别是洮、滆两湖水资源量，缓解了地区旱情，太湖水资源量也得到补充。

在前期工作中，对新孟河及其一级支流沿线片区污染源情况进行搜集整理和调查，重点关注新孟河沿线流经的11个乡镇，涉及常州市新北区、武进区和金坛市^［12-13］，作为本文构建区域水质模型的重要支撑资料。其中，点源污染上，包括直排工业、污水厂等；面源污染上，包括生活直排、农业种植和城市建成区地表径流等。结果表明，新孟河及其一级支流沿线COD、氨氮、总氮、总磷污染物入河量分别为3 043.6，285.1，674.5，41.4 t，其中面源污染占比要大于点源污染。在不设控的运河以南地区，主要污染物入河通量明显高于运河以北地区（表1）。

2 水量水质模型构建

为定量化分析新孟河工程实施前、后湖西区入湖污染物通量及主要入湖河道水质变化情况，选用MIKE 11模型进行湖西区水量水质模型构建工作。MIKE 11模型在水环境治理工作中应用广泛，是适用于太湖流域平原河网地区一维非恒定流稳定计算的有效手段^［14-15］。本次研究应用降雨径流模型（NAM）、水动力模块（HD）与水质模块（AD），结合长期实测资料，对湖西区入太湖水量、污染物通量等参数进行模拟计算分析。

2.1 典型年选择

在《太湖流域水资源综合规划》^［16］等相关规划中，明确在遭遇流域平水年（2000年型）时，通过新孟河工程实施增加湖西区入太湖水量25.2亿m³的引水任务要求。在本文中，对应选择2000年型作为典型平水年型开展计算分析。

在2000年，太湖流域全年面雨量为1 074.2 mm，保证率为52%；湖西区全年降雨保证率为55%。流域、湖西区保证率基本一致，都接近于50%，可以作为P=50%的典型平水年雨型进行模型计算。

2.2 水系概化与模型边界选择

2.2.1 水系概化

根据湖西区水系分布、汇水范围及河道特征，对区域中骨干河道进行河网概化（图2）。

2.2.2 模型边界选择

（1）产汇流计算。根据湖西区32个雨量站点分布划分泰森多边形，划分出的每个多边形作为流域平均降雨量计算单元。采用气象站点典型平水年（2000年）降雨蒸发数据进行产汇流计算，计算结果作为河网中的侧向入流。

（2）水动力边界。模型共设置23处水动力外部边界。其中，沿长江潮位边界选择连江骨干河道典型平水年（2000年）实测潮位资料；主要入太湖河道、与武澄锡虞区内河连接河道选择典型平水年（2000年）实测水位或流量资料；湖西区沿江主要水利工程均设置闸控运行条件。

（3）水质边界。水质边界采用2020年水动力外部边界对应点位的国、省考断面月际尺度实测水质（氨氮、总磷）资料。

（4）区域污染负荷输入。文中所使用的湖西區污染负荷数据，与太湖上游镇江、常州、无锡三市“十四五”太湖综合治理规划中统计数据一致。其中，点源包括直排工业源、城市生活源与农村生活源，面源包括未接管生活源、城市面源、畜禽养殖源、水产养殖源与农业种植源，各污染源占比见表2。同时，将湖西区划分为28个控制单元，在模型中点面源污染负荷均按照各汇水范围内河道侧向入流流量均分，并以侧向入流污染物浓度的形式进入河道。

2.3 模型率定与验证

2.3.1 水量模型率定与验证

（1）水量模型参数率定。选择2000年1～6月金坛、溧阳站、王母观日水位数据，进行HD模型参数率定。主要率定参数为河床糙率，糙率率定值为0.033。NAM模型参数依据HD模型模拟结果以及区域经验值选取。

（2）水量模型验证误差。选择2000年7～12月金坛、王母观、溧阳站日水位数据进行模型验证。结果表明，各站水位模拟与实测值之间平均相对误差均在±5%以内（图3），说明模拟拟合在可接受区间范围，本次建立的区域水动力模型具有较好的计算精度。

2.3.2 水质率定与验证

选择2020年1～6月东潘桥、辛丰镇、静堂大桥断面水质数据进行水质参数率定。污染物衰减系数根据文献［17］取固定经验值，氨氮衰减系数率定值为0.13/d，总磷衰减系数率定值为0.008/d。利用2020年7～12月对应断面水质数据进行模型验证（图4～5）。结果表明，东潘桥断面氨氮平均绝对相对误差为-14.6%，总磷平均绝对相对误差为14.7%；辛丰镇断面氨氮平均绝对相对误差为21.3%，总磷平均绝对相对误差为11.1%；静堂大桥断面氨氮平均绝对相对误差为12.1%，总磷平均绝对相对误差为10.6%。说明构建的模型具有较好的计算精度，可以满足本次工作计算要求。

3 现状入湖污染物通量特征分析

3.1 实测资料分析

实测资料数据来源于江苏省水文水资源勘测局，资料年限为1986～2020年。

3.1.1 湖西区入湖水量

湖西区多年平均入湖水量为51.4亿m³，占环太湖入湖总水量的56.4%。以太湖水环境综合治理启动的2007年为时间节点，在2007～2020年期间，湖西区年均入湖水量为71.8亿m³，较1986～2006年期间增加34.0亿m³，增幅达到90.2%（图6）。湖西区在入湖水量中占比也相应增加，在2007～2020年期间，湖西区占总入湖水量的63.0%，较1986～2006年期间增加16.4%，是环太湖入湖水量增加的主要来源。

3.1.2 湖西区入湖水质

自2008年太湖启动水环境治理工作以来，湖西区主要入湖河道水质改善明显。其中，新孟河工程拓浚的太滆运河、漕桥河，在2008～2020年期间主要水质指标（高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷）均出现降低趋势。以总磷为例，太滆运河总磷浓度从0.339 mg/L（2008年）降低至0.290 mg/L（2020年），漕桥河总磷浓度从0.340 mg/L（2008年）降低至0.208 mg/L（2020年）（图7）。其中，在2012年以后，主要水质指标的变化趋于稳定。

3.1.3 湖西区入湖污染物通量

从湖西区入湖污染物通量变化来看，与水质相对应，入湖污染物通量也表现出整体减少的趋势。以总磷为例，从2008年的1 779 t/a，降低至2020年的1 537 t/a（图8）。

3.2 工程实施前、后入湖污染物通量变化分析

参照新孟河工程初步设计中工程调度原则，对典型平水年（2000年型）时新孟河工程实施前、后湖西区入湖水量、主要入湖河道水质及入湖污染物通量等参数进行模拟计算，重点关注氨氮、总磷水质指标。一方面分析工程实施对流域水环境可能产生的影响，另一方面也为下一步进行工程调度的优化调整明确基础背景。

3.2.1 新孟河工程实施前

（1）水量。在典型平水年时，新孟河工程实施前，现状工程调度下，湖西区入太湖水量为55.26亿m³。其中洮滆水系入湖水量为26.86亿m³，其主要入湖河道为太滆南运河、太滆运河、漕桥河，入湖水量分别为9.95亿m³和5.56亿m³（太滆运河与漕桥河汇流）。该时期，通过新孟河引江水量为2.87亿m³，通过新孟河排江水量仅为0.18亿m³。

（2）水质。在典型平水年时，新孟河工程实施前，从主要入湖河道的水质年均值变化来看，入湖河道平均氨氮浓度为0.427 mg/L；平均总磷浓度为0.140 mg/L。具体入湖河道来看，在氨氮指标上，太滆运河、漕桥河汇合后的分水桥断面氨氮浓度为0.550 mg/L，太滆南运河为0.312 mg/L，东湛渎港为0.611 mg/L，南河为0.414 mg/L。在总磷指标上，分水桥断面总磷浓度为0.173 mg/L，太滆南运河为0.230 mg/L，东湛渎港为0.114 mg/L，南河为0.136 mg/L。湖西区主要入湖河道水质指标情况见图9。

（3）入湖污染物通量。在典型平水年时，新孟河工程实施前，湖西区氨氮入湖通量为2 135 t/a，总磷入湖通量为840 t/a，计算结果与相关研究中对该年型下湖西区入湖总磷通量的估算值（893 t/a）基本一致^［18］。具体从入湖河道来看，在氨氮指标上，太滆运河、漕桥河汇合后的分水桥断面氨氮入湖通量为285 t/a，太滆南运河为297 t/a，东湛渎港为166 t/a，南河为1 083 t/a。在总磷指标上，分水桥断面总磷入湖通量为98 t/a，太滆南运河为230 t/a，东湛渎港为32 t/a，南河為378 t/a。湖西区主要入湖河道污染物入湖通量情况见图10。

3.2.2 新孟河工程实施后

（1）水量。在典型平水年时，新孟河工程实施后，湖西区入太湖水量为88.11亿m³，较工程实施前湖西区新增入湖水量32.85亿m³。其中，洮滆水系入湖水量为56.86亿m³，主要入湖河道为太滆运河、漕桥河、太滆南运河。新孟河工程拓浚的河线太滆运河、漕桥河汇流后入太湖水量为35.32亿m³，较工程实施前增加29.76亿m³，是湖西区新增入湖水量的主要通道。该时期，通过新孟河引江水量为45.28亿m³，通过新孟河排江水量仅为0.02亿m³，工程运行以引水为主。

（2）水质。在典型平水年时，新孟河工程实施后，主要入湖河道的水质均出现明显改善，从年均值变化来看，入湖河道平均氨氮浓度为0.326 mg/L；平均总磷浓度为0.101 mg/L。具体从入湖河道来看，作为新孟河引水入太湖的重要通道，太滆运河、漕桥河水质改善最为明显。在太滆运河、漕桥河汇合后的分水桥断面上，氨氮、总磷浓度分别从工程实施前的0.550 mg/L和0.173 mg/L，降低至工程实施后的0.351 mg/L和0.125 mg/L。湖西区主要入湖河道水质指标情况见图11。

（3）入湖污染物通量。相应于水质的明显改善，在典型平水年时，新孟河工程实施后，随着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现增加。其中，湖西区氨氮入湖通量增加至2 343 t/a，总磷入湖通量增加至1 042 t/a。具体从入湖河道来看，由于湖西区新增入湖水量主要是通过太滆运河、漕桥河进入太湖，这两条河道的污染物入湖通量增幅明显。在太滆运河、漕桥河汇合后的分水桥断面上，氨氮、总磷入湖通量分别从工程实施前的285 t/a和98 t/a，增加至工程实施后的1 025 t/a和427 t/a。湖西区主要入湖河道入太湖污染物通量情况见图12。

4 以入湖污染物通量削减为目标的工程调度优化

4.1 调度优化思路及方案

4.1.1 优化思路

入湖污染物通量的变化，与入湖河道水质及入湖水量有直接联系。实测资料表明，在湖西区入湖水量整体增加背景下，入湖河道水质也趋于稳定，因此从进一步改善水质的角度来实现入湖污染物通量较大幅度的削减就十分困难。从新孟河工程的实施效果来看，工程实施后，湖西区入湖水量显著增加，主要入湖河道水质也得到明显改善，但同时湖西区入湖污染物通量也出现了进一步增加的情况，这可能会对太湖水环境造成负面影响。结合新孟河沿江口门的引排情况进行分析，在平水年，界牌水利枢纽以引水为主，排江水量十分有限。这是由于在工程现状调度中，界牌水利枢纽进行排水调度的启用水位相对较高，难以通过增加排水来减少该时期湖西区入太湖水量。

在本次研究中，针对界牌水利枢纽现状调度原则，考虑增加新孟河沿江口门的排水机会，利用新孟河拉动湖西区腹部水质差的本地产水由东入太湖转而北排长江，从而达到有效削减入湖污染物通量的目的。

4.1.2 方案设计

在本次方案设计中，以满足新孟河工程引水任务为前提，同时考虑太湖、滆湖等湖泊最低水位保障要求。在工程运行调度水位的确定上，一方面考虑合理增加新孟河沿江口门排水机会；另一方面考虑在排水调度时尽可能地使用水闸进行排水，以节省工程运行成本。经模型模拟比选后，最终确定坊前站（滆湖）水位达到3.5 m时作为界牌水利枢纽调整后的排水调度水位。具体调度方式见表3。

4.2 效果分析

（1）水量。在界牌水利枢纽调度方案调整后，典型平水年（2000年型）时，通过新孟河引江水量为32.55亿m³，湖西区入太湖水量为80.84亿m³，相较工程实施前新增入太湖水量达25.58亿m³，满足流域水资源规划中对工程引水的任务要求^［16］。该时期，太湖年内平均水位3.27 m，最低水位3.01 m，满足太湖最低生态水位要求（2.65 m）^［19］；滆湖年内平均水位3.44 m，最低水位3.15 m，满足滆湖最低生态水位要求（2.67 m）^［20］。

调度方案调整后，在年内1月份和6月份，界牌水利枢纽执行排水调度（图13），在排水运行时，新孟河运南段东西两侧支流（鹤溪河、夏溪河、湟里河、北干河）水流方向均转为向新孟河汇入，新孟河流向也转为自南向北进入长江，有效拉动了洮滆腹部地区的本地产水向北排入长江。年内湖西区通过新孟河北排长江水量为4.79亿m³，较工程实施前新增排江水量4.61亿m³；同时相较于现状调度方案，减少湖西区入太湖水量7.27亿m³，降幅约8.3%。

（2）水质。在优化调度方案实行下，湖西区入湖河道水质明显改善。典型平水年时，新孟河工程实施后，在年均值变化上，入湖河道平均氨氮浓度为0.309 mg/L，平均总磷浓度为0.120 mg/L。相较于现状调度方案，优化方案下入湖河道氨氮浓度进一步降低，总磷浓度则略微升高。湖西区主要入湖河道水质指标情况见图14。

（3）入湖污染物通量。典型平水年时，相较于现状调度方案，随着腹部地区水质差的本地产水通过新孟河向北增加排江，湖西区入湖污染物通量也明显减少。在优化调度方案实行下，湖西区氨氮入湖通量减少至2 159 t/a，较现状方案削减184 t/a；总磷入湖通量减少至1 006 t/a，较现状方案削减35.5 t/a。

从太滆运河、漕桥河入湖污染物通量变化来看，优化调度方案下，在太滆运河、漕桥河汇合后的分水桥断面上，氨氮、总磷入湖通量分别从现状调度实行下的1 025 t/a和427 t/a，削减至907 t/a和367 t/a。湖西区主要入湖河道入太湖污染物通量情况见图15。

5 结论与建议

5.1 结 论

（1）在新孟河工程实施后，典型平水年（2000年）时，通过新孟河引水，湖西区入湖水量显著增加，主要入湖河道水质明显改善，但同时湖西区入湖污染物通量也存在一定增幅。

（2） 通过对界牌水利枢纽调度规则进行优化调整，降低工程排水启用条件，利用新孟河拉动湖西区腹部水质差的本地产水由东入太湖转而北排长江，可以在典型平水年时增加工程北排长江水量4.61亿m³，湖西区入湖氨氮通量较现状调度方案削减184 t/a，总磷通量削减35.5 t/a，该方案是通过灵活调度水利工程实现入湖污染物通量削减的有效措施。

5.2 建 议

通过水利工程优化调度来促使本地水质较差的产水由入湖转为排江，可以在一定程度上削减入湖污染负荷，进而有利于改善湖泊水环境。但作为以“控源截污”为主线的太湖流域水环境综合治理工作中，水利工程的优化调控仅可以作为一种辅助手段。对于流域上游地区的水环境治理，建议持续推进城镇生活污水和雨洪排口的规范化整治，同时多模式开展农村生活污水治理设施建设，通过源头充分减量、过程精准控制、末端截蓄治并举的系统治理思路^［21-22］，消除旱天非雨出流，控制雨天溢流污染，进一步削减点面源污染，提高入湖河道水环境质量，实现从源头上有效削减入太湖污染负荷。

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（编辑：刘 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