朱友銀，陳建標(biāo)，夏 栩，肖玉兵

(江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇南通 226000)

近年來，隨著南通市水環(huán)境治理力度的加大、水污染綜合治理措施的逐步落實(shí)，該市主要水域水質(zhì)惡化的趨勢得到初步遏制，但內(nèi)域河流特別是部分城鎮(zhèn)和區(qū)域性河流的污染依然嚴(yán)重。根據(jù)2010 年南通市水利局和南通水文分局對全市182 個水功能區(qū)中的35 個重點(diǎn)功能區(qū)的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，內(nèi)河26 個重點(diǎn)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率僅為3.2%。

水環(huán)境的惡化嚴(yán)重制約了南通市生態(tài)城市的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，筆者根據(jù)南通沿海地區(qū)特定的自然條件和生產(chǎn)方式，探討引江蓄排改善內(nèi)河水質(zhì)的可行方案具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 水環(huán)境質(zhì)量下降的主要成因

近年來，在傳統(tǒng)工業(yè)污染排放逐步得到遏制的情況下，內(nèi)河水環(huán)境仍然沒有得到明顯改善［1］。南通市河道水環(huán)境質(zhì)量下降的原因，每個區(qū)域、每條河流不盡一致，但大體可以分為以下幾種類型。

a. 南通沿海地區(qū)主要為墾區(qū)，土壤中含有大量鹽分，廣大農(nóng)村地區(qū)大量使用的化肥、農(nóng)藥部分殘留于土壤中，在雨淋、灌排后，進(jìn)入內(nèi)河水體;隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，飼料殘?jiān)?、排泄物等隨意排棄于河道，進(jìn)一步加劇了河道水體的污染;村鎮(zhèn)級河道淤積堵塞，生活垃圾隨意傾倒，使河道水體滯流，水環(huán)境容量進(jìn)一步萎縮。

b. 隨著城市化的推進(jìn)，城鎮(zhèn)地區(qū)人口集中，生活廢水排放量日益增加;同時在城市建設(shè)過程中，河道出現(xiàn)縮窄、斷頭等現(xiàn)象，城市水面相對減少;加之城鎮(zhèn)河道相對封閉，在沒有外來水源補(bǔ)充的情況下，由于蒸發(fā)耗水等作用，環(huán)境容量越來越小。因河道自凈能力差，廢水進(jìn)入河道后使周邊水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步下降。

c. 水利工程調(diào)度方式陳舊，沿江、沿海水體滯流。由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，通啟沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)用水大幅減少;通啟運(yùn)河沿線企業(yè)大量占用岸線，原堤岸遭到破壞;使沿江通啟地區(qū)引排水大幅減少，通啟沿江地區(qū)水系基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，入河污染源長期滯留在固定水域，環(huán)境容量急劇萎縮。另外，沿海地區(qū)由于擋潮閘外遷，沖淤保港排水減少，沿海排水頻次減少，導(dǎo)致沿海水體長期滯流。

2 引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境

2.1 原理

2.1.1 引水對水環(huán)境的修復(fù)

一般河道環(huán)境容量(納污能力)核定公式［2-3］為

式中:W 為河道環(huán)境容量;Q 為河流流量;C 為計(jì)算區(qū)域水質(zhì)目標(biāo)濃度;C0為計(jì)算水域上游來水水質(zhì)濃度;K 為水質(zhì)降解系數(shù);V 為斷面流速。

由式(1)可見，待修復(fù)水域水環(huán)境容量主要取決于引江江水的水質(zhì)、流量及流速。水域水環(huán)境容量越大，該水域水質(zhì)相對越好。

引水使優(yōu)質(zhì)水體進(jìn)入內(nèi)河，水體得到置換，水源得到保證。通過引江調(diào)水可以啟動內(nèi)河水流，使水體在流動中增氧自凈。引水同時為后續(xù)排水提供水源和動力水頭。

2.1.2 排水對水環(huán)境的修復(fù)

排水使河道廢水進(jìn)入環(huán)境容量相對較大的江海水域，為引水置換提供庫容。同時，排水產(chǎn)生了水流流速，使水體納污能力增大。

在水質(zhì)降解系數(shù)和長江上游來水水質(zhì)濃度相對穩(wěn)定的條件下，引江調(diào)水對水環(huán)境的修復(fù)主要取決于引排水流速和流量。因此，通過頻繁的引江排水能夠有效提高內(nèi)河水域環(huán)境容量，達(dá)到修復(fù)水環(huán)境的目的。

2.2 模型建立及其參數(shù)的率定、驗(yàn)證

a. 建立典型區(qū)域水量、水質(zhì)綜合調(diào)度模型，量化引江調(diào)水。通過河網(wǎng)概化，突破了河道單一、水流方向單一的狀態(tài)，在河網(wǎng)交錯、流向不定、非穩(wěn)定流地區(qū)建立水量、水質(zhì)節(jié)點(diǎn)線性方程組演算模型，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的定性調(diào)度向定量調(diào)度的轉(zhuǎn)變。

一維河道非恒定水流運(yùn)動的Saint-Venant 方程為

式中:t 為時間;x 為橫向距離;u 為斷面平均流速;n為糙率;A 為過水?dāng)嗝婷娣e;B 為主流斷面寬度;R為水力半徑。

河網(wǎng)交錯、流向不定、非穩(wěn)定流地區(qū)引排水水質(zhì)變化模型為

式中:Ex為縱向分散系數(shù);S 為污染源項(xiàng)。

通過節(jié)點(diǎn)線性方程組模型演算可以計(jì)算任意時段引排水不同組合情況下的相鄰行政區(qū)域斷面的水位、流量及某一時段進(jìn)出該區(qū)域的水量;通過水質(zhì)模型演算，可以計(jì)算任意斷面水質(zhì)參數(shù)的變化過程。

b. 模型參數(shù)由2008 年6 月相關(guān)水文、水質(zhì)同步監(jiān)測資料進(jìn)行率定、驗(yàn)證。通過2010 年和2011年引江調(diào)水水量、水質(zhì)同步監(jiān)測資料驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好，主要參數(shù)和結(jié)果誤差約為10%，最大相對誤差不超過18%。

2.3 有利條件

a. 長江為南通地區(qū)提供了充沛的水量和優(yōu)質(zhì)的水源，為引水提供了可靠的保證。南通地處長江口感潮河段，上承大通來水，大通站多年平均徑流量為2.88 萬m3/s，多年監(jiān)測資料顯示，長江南通段水質(zhì)符合GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ～Ⅲ類地表水要求。

b. 潮汐為引排水提供了天然動力。長江南通段為長江近河口段，受海洋潮汐影響，該江段為不規(guī)則半日潮，呈周期性變化，農(nóng)歷每月月初和月半為潮汛期。長江的潮汐特性為引水和排水提供了基本的水動力條件，形成自引、自排的引江調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)，如調(diào)節(jié)得當(dāng)可達(dá)到改善水環(huán)境的目的。

c. 現(xiàn)有河網(wǎng)相互貫通。南通市濱江臨海，內(nèi)河水網(wǎng)密布，水系貫通，尤其是通呂運(yùn)河、通啟運(yùn)河等骨干河道不僅相互貫通，而且直接通江達(dá)海。

d. 引排控制工程較多。多年來，在沿江、沿海建造了70 座涵閘，其中具有引水功能的涵閘29 座，工程設(shè)計(jì)最大引水能力40 多億m3/a;70 座涵閘都具有排水功能，設(shè)計(jì)最大排水能力達(dá)5 000 m3/s。這些已有河道和水工建筑物工程為引江調(diào)水的實(shí)施提供了較為有力的基礎(chǔ)保障。

2.4 制約條件

a. 現(xiàn)有的引水調(diào)蓄能力有限。依靠潮汐動力引水，水源受制于上游來水、潮汐、工程規(guī)模等條件，引水能力有限;南通市為平原河網(wǎng)地區(qū)，主要依靠河道庫容蓄水，近年河道淤積量大，在滿足生態(tài)及正常生產(chǎn)、生活用水需求的前提下，機(jī)動庫容小。

b. 河道可調(diào)度水位幅度有限。①南通市企業(yè)取水口、排水口一般設(shè)于內(nèi)河沿線，高程固定，排水后水位不能低于正常取水口高程，否則影響企業(yè)正常取水。②南通城區(qū)及長江沿線地區(qū)，地勢較低，同時河道沿線密布大量企業(yè)、居民區(qū)，河道引水過多，超過沿線控制水位，會影響沿線正常生產(chǎn)和居民生活。③南通市內(nèi)河大多為通航航道，為了保證河道正常通航，河道排水必須保證一定的通航水位。

c. 局部污染源轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。水體的流動使滯留于固定水域的廢水得到稀釋和消解，并向長江、黃海排放。途經(jīng)相鄰地區(qū)，使相鄰地區(qū)水源水質(zhì)下降。為此必須合理調(diào)度水流線路，保證清水取水區(qū)域不受污染。

d. 引排線路單一，低水系區(qū)域環(huán)境容量不堪客水壓力。南通沿江地區(qū)成陸有先后，地面高程差距較大。南通市區(qū)傳統(tǒng)采用高水系向低水系排水調(diào)度模式，可調(diào)度水源有限;同時低水區(qū)域水體在承擔(dān)內(nèi)部環(huán)境壓力的同時，還需接納過境廢水的壓力，使低水區(qū)域環(huán)境容量下降。

2.5 優(yōu)化水利工程運(yùn)行，提高水源保證能力

a. 科學(xué)定位水利工程調(diào)度目標(biāo)，由防汛抗旱安全單一目標(biāo)向水資源、水環(huán)境安全多目標(biāo)轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)水利工程調(diào)度為確保防洪、排澇目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，以及為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供水源，以內(nèi)河水位作為控制目標(biāo)和引排的依據(jù)。隨著生產(chǎn)、生活方式轉(zhuǎn)變，需要通過水利工程運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)水利工程調(diào)度目標(biāo)多元化［3-5］。近期，引江調(diào)水修復(fù)方案要求沿江、沿海涵閘以內(nèi)河水位、水質(zhì)狀況多重目標(biāo)作為控制依據(jù)。在保證內(nèi)河取水、通航的同時，保證內(nèi)河水體一定的流速和置換頻次，以增加水體自凈能力和水環(huán)境容量。

b. 優(yōu)化水利工程調(diào)度的主要方式。①逐步恢復(fù)沿江地區(qū)通啟區(qū)域引排水涵閘的設(shè)計(jì)能力，改變沿江涵閘引排水頻次較少的現(xiàn)狀，增加沿江涵閘的排水頻次，啟動水流，使內(nèi)河水體有效置換。②利用高水系引水能力補(bǔ)充低水系水源，多方位增加低水系水環(huán)境容量。沿江通啟地區(qū)北臨高水系通呂運(yùn)河，該河道水源相對充沛、水質(zhì)較好，在通啟水系引水能力有限的情況下，通過沿通呂運(yùn)河提水站、節(jié)制閘向南部低水系補(bǔ)充水源，啟動水流，起到稀釋、降解的作用，同時為低水系內(nèi)河水體外排長江提供動力水頭和水源。③南通市區(qū)(包括主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、港閘區(qū))沿江涵閘，改變過去只排不引的運(yùn)行方式，漲潮期全力引水，落潮期全力排水，保證城區(qū)河道水體貫通、城區(qū)雨水及生活廢水能夠及時外排。④高水系地區(qū)，沿海在冬、春季充分排水，預(yù)排沿海各級河道Cl-超標(biāo)水體，同時將內(nèi)河接納的農(nóng)田廢水和生活廢水外排入海。高水系地區(qū)內(nèi)河雨后大量接納農(nóng)田廢水，各級河道水質(zhì)明顯下降，通過沿海全力排水，將農(nóng)田廢水直接排海。加大沿江大型骨干涵閘引水力度和頻次，保證內(nèi)地和沿海地區(qū)的排水水源。

c. 中、遠(yuǎn)期通過工程措施，增加沿海引水蓄水能力。近期通過優(yōu)化水利工程調(diào)度，可以有效恢復(fù)大部分區(qū)域河道引排水能力，使水環(huán)境容量得到大幅提升。但南通市沿海開發(fā)對水資源和水環(huán)境容量的需求將會有較大增長，通過現(xiàn)有工程優(yōu)化調(diào)度不能完全滿足需求，需要結(jié)合各項(xiàng)水利專業(yè)規(guī)劃的實(shí)施，在南通沿江增建提水泵站，沿海建設(shè)如東、啟東等平原水庫。疏浚各級河道，增加引水能力和河道蓄水能力，則全市引排水量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將近期增加4 億～5 億m3，中期將增加8 億～10 億m3。

3 引江調(diào)水實(shí)踐取得的預(yù)期效果

在引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境研究的基礎(chǔ)上，制定了“引江調(diào)水規(guī)劃方案”，通過2010 年和2011 年2 a的實(shí)施，取得了預(yù)期效果。

3.1 2010 年改善情況

2010 年沿江、沿海各級相關(guān)部門引排水力度大幅度增加，引江調(diào)水方案通過近一年的實(shí)施，取得了明顯的效果。特別是通過“引江排咸”，保障了沿海農(nóng)業(yè)灌溉水源;改善了內(nèi)河水廠的水質(zhì)。如皋、海安、通州大部、南通市區(qū)主要骨干河道已經(jīng)消除了劣Ⅴ類水質(zhì)。一、二級河道水質(zhì)改善比較明顯，三級以下河道水質(zhì)污染有所遏制。其中，一級河道Ⅲ類水?dāng)嗝鏀?shù)量增加20.0%以上;消除了Ⅴ類和劣Ⅴ類水?dāng)嗝?二級河道Ⅲ類水?dāng)嗝鏀?shù)量增加33.0%，Ⅳ類水?dāng)嗝鏀?shù)量減少33.3%，劣Ⅴ類水?dāng)嗝鏀?shù)量下降8.4%。

引排前三級河道主要為Ⅴ類、劣Ⅴ類水體，通過引江調(diào)水，Ⅴ類、劣Ⅴ類水?dāng)嗝鏀?shù)量相應(yīng)減少約29% ～43%，Ⅳ類水?dāng)嗝嬗兴黾印?/p>

通過引江調(diào)水主要水廠取水口水質(zhì)明顯改善。其中呂四水廠水質(zhì)2010 年7 月份為Ⅴ類，至11 月份已恢復(fù)至Ⅲ類，磨頭水廠、搬經(jīng)水廠水質(zhì)8 月份為劣Ⅴ類，10 月份恢復(fù)至Ⅲ類。

3.2 2011 年改善情況

2011 年通過“引江調(diào)水規(guī)劃方案”的實(shí)施，南通市一、二級河道、主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、港閘區(qū)等熱點(diǎn)區(qū)域水質(zhì)明顯改善。全市水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率逐步提高，2011 年平均達(dá)標(biāo)率達(dá)到41.2%，達(dá)標(biāo)功能區(qū)達(dá)到了75 個，較2009 年的56 個和2010 年的68 個達(dá)標(biāo)功能區(qū)，分別上升了33.9%和10.3%。

3.3 水源保證效益

通過引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境，新增長江優(yōu)質(zhì)水源4.1 億m3/a，其中高水系地區(qū)新增約2.4 億m3/a，水質(zhì)型缺水的態(tài)勢得到遏制。特別是通過沿海排水，沿江引水置換，使沿海水質(zhì)得到明顯改善。沿海區(qū)域可用水源顯著增加。內(nèi)河水廠取水口取水得到保障，農(nóng)業(yè)用水高峰期缺水現(xiàn)象得到緩解。沿海地區(qū)沿海開發(fā)所需用水保障能力得到提高。

3.4 社會效益

引江調(diào)水工作是南通市政府確定的為民辦實(shí)事項(xiàng)目，南通市政府十分重視“引江調(diào)水規(guī)劃方案”的實(shí)施。該方案實(shí)施兩年來取得了良好的社會反響。中國建設(shè)報(bào)、網(wǎng)易網(wǎng)站、長江水利網(wǎng)站、江蘇水利網(wǎng)站、南通網(wǎng)站等知名媒體、網(wǎng)站紛紛報(bào)道。

配合“四位一體”、“五城同創(chuàng)”等活動，較好改善了生態(tài)環(huán)境和城鄉(xiāng)容貌，沿河居民、企業(yè)交口稱贊，紛紛表示政府做了一件大好事。社會各界對水利部門牽頭實(shí)施的引江調(diào)水工作給予充分肯定和支持。

4 引江調(diào)水對南通近海水環(huán)境的影響

a. 春季排咸的目的是轉(zhuǎn)移含Cl-較高水體。每年春季，沿海河道水體中接納了大量土壤中的Cl-等物質(zhì)，不能用于農(nóng)業(yè)灌溉，通過引江調(diào)水將原來河道中咸度較高水體進(jìn)行置換排海。因其主要污染物為Cl-，排海后對近海水環(huán)境不會產(chǎn)生影響。

b. 引江調(diào)水使排海污染物總量下降。引江調(diào)水使內(nèi)河水體產(chǎn)生較大的流速，在水體流動的過程中，由于流動過程中的補(bǔ)氧作用，水體中有機(jī)污染物得到較好的降解，特別是NH3-N、COD 等指標(biāo)在水體流動過程中降低明顯。根據(jù)2008 年夏季監(jiān)測資料分析降解系數(shù)發(fā)現(xiàn)，水體中有機(jī)污染的降解按距排海口距離不等，降解比例在10% ～50%之間。

c. 引江調(diào)水使排海廢水濃度降低。在引排過程中，一方面污染物逐步降解;另一方面，引水增加了水體總量，內(nèi)河污染物濃度在引水過程中得到稀釋，排海廢水濃度降低，單位時段內(nèi)對沿海水體的污染強(qiáng)度下降。

d. 引江調(diào)水使廢水排海有序可控。在沒有制定引江調(diào)水方案前，一般在內(nèi)河水體水質(zhì)惡化時，不得不采取沿海排水的方案。容易對沿海水域產(chǎn)生污染，有時還會產(chǎn)生糾紛。制定引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境方案后，采取主動的預(yù)排措施，使排海廢水控制在下游地區(qū)可接受的濃度和時段內(nèi)。同時根據(jù)下游潮汐特點(diǎn)，充分利用近海地區(qū)較大的水環(huán)境容量，使排海的廢水能夠得到迅速稀釋。

5 結(jié) 語

引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境是水利工作內(nèi)涵的延伸和拓展，是在鞏固防汛抗旱和排澇等傳統(tǒng)水利成就、保證生產(chǎn)生活生態(tài)用水安全基礎(chǔ)上，向資源水利、生態(tài)水利轉(zhuǎn)變所作的新探索，為南通市的沿海開發(fā)提供了必要的水資源保障和水環(huán)境容量，是南通建設(shè)生態(tài)城市、保持經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。在南通沿海開發(fā)大背景下，利用天然的潮汐動力條件和現(xiàn)有水利工程條件，獨(dú)立探索，建立模擬數(shù)學(xué)模型，分區(qū)制定調(diào)度方案，在實(shí)踐中取得了較好效果。

南通為平原河網(wǎng)地區(qū)，水系條件復(fù)雜，社會生產(chǎn)生活對水資源和水環(huán)境的需求將不斷變化和提高，引江調(diào)水修復(fù)水環(huán)境的探索將在實(shí)踐過程中進(jìn)一步優(yōu)化和深入。

［1］汪恕誠. 水環(huán)境承載能力分析與調(diào)控［J］. 中國水利，2001 (11 ):9-12. (WANG Shucheng. Analysis and regulation of water environmental carrying capacity［J］.China Water Resources，2001(11):9-12.(in Chinese))

［2］張錫輝.水環(huán)境修復(fù)工程學(xué)原理與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［3］肖林，潘安君，李為民.小河道水環(huán)境修復(fù)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］陳紅衛(wèi). 加快江蘇沿海水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的對策研究［J］.人民長江，2009，40(24):82-84. (CHEN Hongwei.Study on the countermeasures of quickening the construction of water conservancy infrastructure in coastal area of Jiangsu Province［J］. Yangtze River，2009，40(24):82-84.(in Chinese))

［5］李大勇，王濟(jì)干，董增川.引江調(diào)水改善太湖貢湖灣的水環(huán)境效應(yīng)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30(5):132-138.(LI Dayong，WANG Jigan，DONG Zengchuan. Study on waterenvironmental effects of Gonghu bay water transfer from Yangtze River［J］. Journal of Hydroelectric Engineering，2011，30(5):132-138.(in Chinese))