許益新，王文才，曾偉峰，李一平，賴秋英，殷小海，章雙雙

(1. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.張家港市水資源監(jiān)測站，江蘇 張家港 215560；3.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化率快速提高，而城鎮(zhèn)污水收集處理基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)卻落后于城市建設(shè)的步伐，導(dǎo)致大量生活污水及工業(yè)廢水進(jìn)入城市河道，水污染問題日趨嚴(yán)重，近年來在東部平原河網(wǎng)地區(qū)尤為突出[1-3]?？卦唇匚凼歉纳瞥鞘泻恿魉|(zhì)的根本措施，但在實際治理過程中存在較大的難度。

科學(xué)有效的引調(diào)水是實現(xiàn)江河湖庫水系連通、改善城市內(nèi)河水環(huán)境的重要舉措，目前引水對于城市內(nèi)河水環(huán)境改善效果的研究多集中于引水水量和引水水質(zhì)[4-7]，陳振濤等[8]利用水質(zhì)改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)綜合分析了引水水量和水質(zhì)對河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，得出引水水質(zhì)是影響改善效果的關(guān)鍵因素；盧衛(wèi)等[9]運(yùn)用MIKE11模型分析了引調(diào)水水量、歷時及引水模式對水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明階段性引調(diào)水的效率優(yōu)于連續(xù)性引調(diào)水；童朝鋒等[10]通過外秦淮河一維河網(wǎng)模型分析了引水方式、引水規(guī)模和閘控方式對水質(zhì)的影響，結(jié)果表明不同調(diào)水方案條件下，只要滿足引水水量，可以顯著提高外秦淮河的水質(zhì)。

對于引水水源為長江的河網(wǎng)地區(qū)，來水水質(zhì)變化幅度較小，引水改善城市內(nèi)河水環(huán)境質(zhì)量主要受到沿江水利樞紐和內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度的影響。筆者通過構(gòu)建張家港市中部水系河網(wǎng)模型，選取沿江水利樞紐和內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度方式為研究對象，探究其對城區(qū)主要內(nèi)河水質(zhì)改善效果的影響，以期為平原河網(wǎng)地區(qū)水系優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支持與建議。

1 研究區(qū)域概況

張家港市地處長江三角洲發(fā)達(dá)地區(qū)，屬太湖流域澄錫虞水系，境內(nèi)河網(wǎng)密布，沿江水利樞紐和內(nèi)河節(jié)制閘眾多，其中中部水系沿江水利樞紐主要為朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐，內(nèi)河節(jié)制閘主要為東橫河水利樞紐、東橫河西節(jié)制閘和新沙河南端控制工程，中心城區(qū)水系主要為東橫河、環(huán)城河、新沙河、谷瀆港、華塘河等(圖1)。從張家港市2014年水質(zhì)例行監(jiān)測資料來看，全市Ⅴ類及劣Ⅴ類水體達(dá)到50%，主要污染物質(zhì)為NH3-N，其中城區(qū)水質(zhì)超標(biāo)河道主要為范港河、紀(jì)澄河以及新沙河、華塘河等南部河道。為改善張家港市的水環(huán)境狀況，從張家港市緊鄰長江的優(yōu)勢出發(fā)，引長江的清潔水源，經(jīng)由朝東圩港和一干河至城區(qū)水系，通過東橫河、谷瀆港和新市河對城區(qū)水系進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。

圖1 張家港市中部水系、引水流向水質(zhì)檢驗點位置

2 模型構(gòu)建及評價方法

2.1 模型的建立

采用MIKE11的HD和AD模塊建立張家港市河網(wǎng)水動力和水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，HD模塊基本原理為圣維南方程[11]，采用“雙掃”法進(jìn)行數(shù)值計算，采用六點中心隱式差分格式；AD模塊是以HD生成的水動力條件為基礎(chǔ)，采用對流擴(kuò)散方程[12]進(jìn)行計算。

根據(jù)概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力兩個方面必須與實際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致的基本原則[13]，根據(jù)張家港市河網(wǎng)水文特征，以朝東圩港、一干河、東橫河、新市河、新沙河為骨干河道，結(jié)合谷瀆港、范港河、紀(jì)澄河等鎮(zhèn)級河道以及沿江水利樞紐、內(nèi)河節(jié)制閘進(jìn)行概化。

模型上邊界為朝東圩港、一干河與長江交匯處，為進(jìn)水口，采用流量邊界，流量資料來自于朝東圩港老閘和一干河老閘自動監(jiān)測站頻率為1 min的數(shù)據(jù)，模型下邊界主要為太字圩港、二干河與長江交匯處以及新沙河、二干河南端邊界，為出水口，均采用水位邊界控制。

圖2 張家港市河網(wǎng)模型流量邊界 圖3 重點監(jiān)測斷面流量率定結(jié)果

2.2 模型的率定

以2016年1月11—12日張家港市野外原型調(diào)水試驗數(shù)據(jù)為實測值對模型參數(shù)進(jìn)行率定。原型調(diào)水從長江開閘放水，經(jīng)朝東圩港和一干河進(jìn)入中心城區(qū)水系，共設(shè)有16個水文監(jiān)測斷面和17個水質(zhì)監(jiān)測斷面，其中水文自動監(jiān)測站點11個，水文手動監(jiān)測站點5個，水質(zhì)監(jiān)測斷面均為手動監(jiān)測。結(jié)果表明：計算值與實測值擬合較好，監(jiān)測點流量相對誤差平均為20.3%，水質(zhì)相對誤差均在30%以內(nèi)，符合計算要求；張家港市現(xiàn)狀河道糙率在0.01～0.04之間，NH3-N降解系數(shù)為0.03～0.08 d-1。通過模型率定，建立的張家港市河網(wǎng)模型能較好地反映中部水系日常引水工況下水動力水質(zhì)變化情況，可作為方案計算的有效工具。模型邊界條件見圖2，重點監(jiān)測斷面流量、水質(zhì)率定結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖4 重點監(jiān)測斷面水質(zhì)率定結(jié)果

2.3 調(diào)水引流改善水環(huán)境質(zhì)量評價方法

為了定量分析調(diào)水引流對城市內(nèi)河水環(huán)境質(zhì)量的改善效果，根據(jù)張家港市中部水系現(xiàn)狀水質(zhì)超標(biāo)因子，選取NH3-N為評價因子，根據(jù)水質(zhì)濃度改善率評價河道水質(zhì)改善程度，水質(zhì)濃度改善率計算公式如下：

(1)

式中：R為水質(zhì)濃度改善率；C0為引水前水質(zhì)濃度；Ci為引水后第i時刻的水質(zhì)濃度。R值反映引水前后水質(zhì)濃度改善的程度，正值表示水質(zhì)濃度下降，負(fù)值表示水質(zhì)濃度上升。

3 優(yōu)化調(diào)控方案

影響平原河網(wǎng)地區(qū)城市內(nèi)河生態(tài)引水效果的主要因素有：沿江水利樞紐調(diào)度方式、內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度方式、引水水質(zhì)、引水水量、引水布局和工程實施難度等。本文結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，從沿江水利樞紐和內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度方式兩方面展開分析，制定相應(yīng)的計算方案評估引水對城市內(nèi)河水質(zhì)的改善效果。

3.1 不同沿江水利樞紐調(diào)度方式效果評估

根據(jù)張家港市自動監(jiān)測站頻率為1 min的數(shù)據(jù)，分析得到現(xiàn)狀引水情況為：朝東圩港水利樞紐一天引水兩潮，其中一潮引水平均時長為2.79 h，引水時段平均流量為55.72 m3/s，二潮引水平均時長為3.35 h，引水時段平均流量為75.33 m3/s；一干河水利樞紐一天引水一潮，引水平均時長為2.45 h，引水時段平均流量為40.04 m3/s。沿江水利樞紐不同的調(diào)度方式主要體現(xiàn)在引水天數(shù)和水利樞紐組合方案不同兩個方面。

3.1.1 沿江水利樞紐不同引水天數(shù)效果評估

為研究引水天數(shù)對城市內(nèi)河水質(zhì)的改善效果，采用朝東圩港水利樞紐單獨(dú)引水工況，分別計算引水天數(shù)為1～9 d過程中城市內(nèi)河NH3-N濃度改善率的變化情況，結(jié)果表明：增加引水天數(shù)對改善河道水質(zhì)有顯著作用，河道水質(zhì)的改善程度與河道現(xiàn)狀濃度和引水時段內(nèi)通過的流量密切相關(guān)，河道現(xiàn)狀濃度較高且引水時段內(nèi)通過流量大的河道水質(zhì)改善最為明顯，河道現(xiàn)狀濃度低且引水時段內(nèi)通過流量小的河道水質(zhì)改善程度較弱(圖5)。以東橫河與環(huán)城河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率為例，二者現(xiàn)狀濃度和引水時段內(nèi)通過的流量基本相近，故兩者的濃度改善率也基本相近；同樣以谷瀆港和華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率為例，兩者引水時段內(nèi)通過的流量基本相近，但華塘河的NH3-N現(xiàn)狀質(zhì)量濃度高于谷瀆港，使得華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率明顯高于谷瀆港。

朝東圩港單獨(dú)引水工況下，東橫河與華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率隨引水天數(shù)的增加而增大，當(dāng)引水天數(shù)從1 d增加至5 d時，東橫河與華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率分別從0.7%和6.5%提升至23.8%和37.0%，日均提升幅度分別達(dá)到5.8%和7.6%，而當(dāng)引水天數(shù)從5 d增加至9 d時，東橫河與華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率分別從23.8%和37.0%提升至30.2%和43.6%，日均提升幅度僅為1.6%和1.7%，表明引水初期來自長江的清潔水源對東橫河和華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善程度較強(qiáng)，但隨著引水天數(shù)的增加，河道NH3-N質(zhì)量濃度逐漸降低，使得引水對其NH3-N質(zhì)量濃度改善作用逐漸減弱。與東橫河與華塘河不同，新沙河、谷瀆港與環(huán)城河的NH3-N質(zhì)量濃度隨著引水天數(shù)的增加則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)引水天數(shù)達(dá)到6 d時，來自長江的清潔水源才對其NH3-N質(zhì)量濃度產(chǎn)生改善效果，即朝東圩港單獨(dú)引水工況下，引水天數(shù)至少達(dá)到6 d，城區(qū)主要河道的NH3-N質(zhì)量濃度才都有改善效果，具體見圖5。

(a) 東橫河、華塘河

(b) 新沙河、谷瀆港、環(huán)城河

3.1.2 沿江水利樞紐不同組合方式效果評估

沿江水利樞紐組合方案主要考慮朝東圩港水利樞紐單獨(dú)運(yùn)行、一干河水利樞紐單獨(dú)運(yùn)行以及朝東圩港和一干河水利樞紐聯(lián)合運(yùn)行3種工況，結(jié)果表明：朝東圩港單獨(dú)引水主要對東橫河、環(huán)城河和華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度產(chǎn)生明顯的改善作用，而一干河單獨(dú)引水主要對東橫河和谷瀆港的NH3-N質(zhì)量濃度改善率有較大的提升(圖6)，主要是由于來自朝東圩港的長江清潔水源以補(bǔ)給東橫河、環(huán)城河等西部河流為主，而來自一干河的長江清潔水源則以補(bǔ)給東橫河、新市河、谷瀆港等東部河流為主。所以，當(dāng)同時開啟朝東圩港老閘與一干河老閘進(jìn)行引水時，張家港市城區(qū)河道NH3-N質(zhì)量濃度改善率較單獨(dú)運(yùn)行工況均有較大的提升，其中東橫河、新沙河和谷瀆港的NH3-N質(zhì)量濃度改善率分別從朝東圩港單獨(dú)引水工況的30.2%、11.7%和12.5%提高至45.0%、20.3%和24.6%，水質(zhì)改善效果顯著。此外，朝東圩港與一干河聯(lián)合引水工況下，當(dāng)引水天數(shù)達(dá)到5 d時，城區(qū)主要河道的NH3-N質(zhì)量濃度均有改善(表1)。

表1 聯(lián)合引水工況下主要河道NH3-N質(zhì)量濃度改善率

圖6 水利樞紐不同組合方案與主要河道ρ(NH3-N)改善率關(guān)系

3.2 不同內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度方式效果評估

由于張家港市內(nèi)河處于朝東圩港和一干河的下游，引水期間城市內(nèi)河水質(zhì)改善效果受到上游河道本底濃度和沿線排污口的影響，故決定引水初期開啟內(nèi)河節(jié)制閘將上游污水排出，而后關(guān)閉內(nèi)河節(jié)制閘以更好地改善城市內(nèi)河水質(zhì)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，研究東橫河水利樞紐與東橫河西節(jié)制閘不同調(diào)度方式對城區(qū)主要河道水質(zhì)的改善效果，引水工況采用上述推薦的朝東圩港與一干河水利樞紐聯(lián)合引水方案，引水天數(shù)為5 d，模擬東橫河水利樞紐與東橫河西節(jié)制閘在不同排水時長方案下對城區(qū)主要河道NH3-N質(zhì)量濃度改善率的影響，結(jié)果表明：內(nèi)河節(jié)制閘不同的調(diào)度方式對城區(qū)主要河道NH3-N質(zhì)量濃度改善率的影響有一定的差異(圖7)。東橫河水利樞紐單獨(dú)調(diào)度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)排水時長達(dá)到4 h，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率達(dá)到峰值；而東橫河西節(jié)制閘單獨(dú)調(diào)度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率呈現(xiàn)波動的狀態(tài)，當(dāng)排水時長為1 h，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率達(dá)到峰值。當(dāng)東橫河水利樞紐與東橫河西節(jié)制閘聯(lián)合調(diào)度時，各排水時長下主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率較單獨(dú)運(yùn)行工況均有一定的提升，且當(dāng)排水時長達(dá)到5 h，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率達(dá)到峰值。

內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度工況對不同河道的NH3-N質(zhì)量濃度改善率也不同，以新沙河和華塘河為例(圖8)，新沙河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率隨著內(nèi)河節(jié)制閘排水時長的增加而增大，表明東橫河水利樞紐與東橫河西節(jié)制閘的開啟有助于排出上游污水，對河道水質(zhì)改善起到促進(jìn)作用；而華塘河的NH3-N質(zhì)量濃度改善率則隨著排水時長的增加而逐漸減小，主要是由于華塘河本底濃度值較大，其NH3-N質(zhì)量濃度改善率主要與上游來水水量有關(guān)，與上游來水水質(zhì)關(guān)系較小，閘門的開啟使得通過華塘河的水量減少，故其NH3-N質(zhì)量濃度改善率隨著閘門排水時長的增加而降低。

(a) 東橫河水利樞紐

(b) 東橫河西節(jié)制閘

(c) 聯(lián)合運(yùn)行

(a) 新沙河

(b) 華塘河

4 結(jié) 論

a. 張家港市中部水系水質(zhì)的改善程度與河道現(xiàn)狀濃度和引水時段內(nèi)通過的水量密切相關(guān)，河道現(xiàn)狀濃度高且引水時段內(nèi)通過的水量大的河道水質(zhì)改善最為明顯。整體而言增加引水天數(shù)對改善城市內(nèi)河水質(zhì)有顯著作用，但隨著引水天數(shù)的增加，NH3-N質(zhì)量濃度改善率日均提升幅度逐漸降低。

b. 比較3種沿江水利樞紐調(diào)度工況，由于水利樞紐的位置關(guān)系，朝東圩港單獨(dú)引水主要對東橫河、環(huán)城河和華塘河等靠西的河道的NH3-N質(zhì)量濃度產(chǎn)生明顯的改善作用，而一干河單獨(dú)引水主要對東橫河和谷瀆港等靠東的河道的NH3-N質(zhì)量濃度改善率有較大的提升。此外，沿江水利樞紐聯(lián)合運(yùn)行工況下城市內(nèi)河NH3-N質(zhì)量濃度改善率較單獨(dú)運(yùn)行工況有較大的提升。城市內(nèi)河調(diào)水引流工作應(yīng)注重多水源聯(lián)合調(diào)度，且調(diào)度天數(shù)不宜過長。

c. 引水初期研究區(qū)域內(nèi)主要內(nèi)河節(jié)制閘排水有利于提高內(nèi)河水質(zhì)的改善效果。東橫河水利樞紐單獨(dú)調(diào)度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，排水4 h為其改善效果最佳工況，而東橫河西節(jié)制閘單獨(dú)調(diào)度工況下，隨著排水時長的增加，主要河道NH3-N質(zhì)量濃度總改善率呈現(xiàn)波動的狀態(tài)，排水1 h為其改善效果最佳工況。兩內(nèi)河節(jié)制閘聯(lián)合排水時，河道水質(zhì)改善效果比單一節(jié)制閘排水更好，排水5 h為其改善效果最佳工況。內(nèi)河節(jié)制閘調(diào)度工況對改善城市內(nèi)河水質(zhì)起到一定的促進(jìn)作用，實際調(diào)水引流工作中可作為一種輔助措施。

[1]黃顯峰,鄭延科,方國華,等.平原河網(wǎng)地區(qū)河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究與實踐[J].水資源保護(hù),2017,33(5):170-176.(HUANG Xianfeng，ZHENG Yanke，F(xiàn)ANG Guohua,et al.Research and practices of river ecological restoration technology applied in plain river network area[J].Water Resources Protection，2017,33(5):170-176.(in Chinese))

[2]魏志遠(yuǎn),王婷,徐凱,等.平原河網(wǎng)水體氮污染對氮循環(huán)菌的影響[J].湖泊科學(xué)，2016,28(4):812-817.(WEI Zhiyuan，WANG Ting，XU Kai，et al.Effects of aquatic nitrogen pollution on the nitrogen cycling bacteria in plain river network[J].Lake Sciences，2016,28(4):812-817.(in Chinese))

[3]周琦,逄勇,羅慧萍.鎮(zhèn)江長江征潤州水源地綜合風(fēng)險評價[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,44(2):108-114.(ZHOU Qi,PANG Yong,LUO Huiping.Comprehensive risk assessment of Zhengrunzhou water source area in Zhenjiang City[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences),2016,44(2):108-114.(in Chinese))

[4]高程程,陳長太,唐迎洲.上海市青松水利片引清調(diào)水方案研究[J].水電能源科學(xué)，2012,30(2):115-119.(GAO Chengcheng，CHEN Changtai，TANG Yingzhou.Research on water scheduling program of Qingsong water conservancy zone in Shanghai City[J].Water Resources and Power，2012,30(2):115-119.(in Chinese))

[5]賈海峰,楊聰,張玉虎，等.城鎮(zhèn)河網(wǎng)水環(huán)境模擬及水質(zhì)改善情景方案[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,53(5):665-672.(JIA Haifeng，YANG Cong，ZHANG Yuhu，et al.Simulation of a water quality improvement for urban river networks[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2013,53(05):665-672.(in Chinese))

[6]陳昌軍,張衛(wèi)飛.平原河網(wǎng)區(qū)城市引水工程水質(zhì)改善預(yù)測研究[J].人民長江，2012,43(13):88-90.(CHEN Changjun，ZHANG Weifei.Prediction research on water quality improvement through water diversion project for a city in plain river network area[J].Yangtze River，2012,43(13):88-90.(in Chinese))

[7]陳建標(biāo),錢小娟,朱友銀,等.南通市引江調(diào)水對河網(wǎng)水環(huán)境改善效果的模擬[J].水資源保護(hù)，2014,30(1):38-42.(CHEN Jianbiao，QIAN Xiaojuan，ZHU Youyin，et al.Simulation of improvement of water environment in river network of Nantong City by water diversion from Yangtze River[J].Water Resource Protection，2014,30(1):38-42.(in Chinese))

[8]陳振濤,滑磊,金倩楠.引水改善城市河網(wǎng)水質(zhì)效果評估研究[J].長江科學(xué)院院報，2015,32(7):45-51.(CHEN Zhentao，HUA Lei，JIN Qiannan.Assessing the efficicy of water diversion to improve water quality in city river network[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2015,32(7):45-51.(in Chinese))

[9]盧衛(wèi),應(yīng)聰惠.引調(diào)水改善河流水質(zhì)的效果分析[J].人民長江，2014(18):37-39.(LU Wei，YING Conghui.Effects analysis of river water quality improvement by water diversion[J].Yangtze River，2014(18):37-39.(in Chinese))

[10]童朝鋒,岳亮亮,郝嘉凌，等.南京市外秦淮河水質(zhì)模擬及引調(diào)水效果[J].水資源保護(hù),2012,28(6):49-54.(TONG Chaofeng，YUE Liangliang，HAO Jialing，et al.Water quality simulation and water diversion effect analysis of external Qinhuai River in Nanjing[J].Water Resource Protection，2012,28(6):49-54.(in Chinese))

[11]趙鳳偉.MIKE11HD模型在下遼河平原河網(wǎng)模擬計算中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014(8):33-35.(ZHAO Fengwei.Application of Mike11 HD on hydrodynamic modeling of waterways in Xialiaohe River Plain[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy，2014(8):33-35.(in Chinese))

[12]逄勇，王瑤瑤，胡綺玉.浙江溫黃平原典型河流水質(zhì)改善方案研究[J].水資源保護(hù)，2016,32(2):100-105.(PANG Yong，WANG Yaoyao，HU Qiyu.Research on water quality improvement scheme for a typical river in Wenhuang Plain in Zhejiang Province[J].Water Resource Protection，2016,32(2):100-105.(in Chinese))

[13]楊松彬，董志勇.河網(wǎng)概化密度對平原河網(wǎng)水動力模型的影響研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007,35(5):567-570.(YANG Songbin，DONG Zhiyong.Study on the influence of river network generalized density to hydrodynamic model for plain river system[J].Journal of Zhejiang University of Technology，2007,35(5):567-570.(in Chinese))