陸志華，李勇濤，錢 旭，蔡 梅，李 敏

(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

太湖流域的水問(wèn)題突出表現(xiàn)為流域水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)型缺水明顯，提高水動(dòng)力條件是古老的水利調(diào)水工程衍生出的新型水環(huán)境改善措施[1]。南朝等[2]采用一維水量水質(zhì)模型對(duì)引沁入汾工程調(diào)水前后的水質(zhì)和水環(huán)境容量進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)引沁入汾跨流域調(diào)水工程使汾河下游段的COD和NH3-N水環(huán)境容量分別比調(diào)水前增大了30.50%和31.88%。謝興勇等[3]采用巢湖一維水質(zhì)模型模擬了引江濟(jì)巢工程對(duì)巢湖TN、TP和Chl-a指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，年調(diào)水量為9.57億m3時(shí)可使巢湖的TN和TP濃度下降約16%和19%，Chl-a濃度峰值從51.42 μg/L降至38.96 μg/L，對(duì)巢湖夏季藍(lán)藻暴發(fā)具有一定的緩解作用。王磊之等[4]構(gòu)建了反映防洪、供水、水環(huán)境需求的多目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了面向金澤水庫(kù)取水安全的太浦河多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度研究，研究表明與現(xiàn)狀調(diào)度方案相比，加大太浦閘泄流量可以顯著提高金澤水源地關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率。尚釗儀等[5]以昆山主城及周邊區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行微觀模擬驗(yàn)證和決策分析，提出活水暢流工程建設(shè)布局及調(diào)度方案，結(jié)果顯示通過(guò)現(xiàn)狀工程調(diào)度和規(guī)劃工程建設(shè)，圩內(nèi)河道平均流速達(dá)到0.057 m/s，圩內(nèi)河道可基本消除黑臭。太湖流域內(nèi)近年來(lái)也開(kāi)展了多次流域區(qū)域調(diào)水引流試驗(yàn)，2013年實(shí)施的太湖流域湖西區(qū)水量調(diào)度與水環(huán)境改善試驗(yàn)極大程度上改善了太湖的水資源補(bǔ)給和水環(huán)境狀況[6]。為充分發(fā)揮治太骨干工程的綜合效益，改善流域水環(huán)境，2002年太湖流域正式實(shí)施引江濟(jì)太調(diào)水工程。利用治太骨干工程體系將長(zhǎng)江清水引入太湖和河網(wǎng)，由于受水區(qū)水體流動(dòng)速度加快、水量增加，通過(guò)水體的稀釋和自凈能力提高，受水區(qū)水體水質(zhì)明顯改善[7]。

近年來(lái)太湖流域骨干水利工程體系不斷加快建設(shè)，新孟河延伸拓浚工程是提高流域水環(huán)境容量引排通道之一，也是國(guó)務(wù)院批復(fù)的《太湖流域防洪規(guī)劃》中提出的流域洪水北排長(zhǎng)江的主要防洪工程之一，《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》也將新孟河作為流域水資源配置的重要引水河道。目前，新孟河延伸拓浚工程正在實(shí)施中，預(yù)計(jì)2021年可以建成通水，實(shí)施后可加快太湖西北部湖區(qū)的水體流動(dòng)，促進(jìn)太湖湖體的水流循環(huán)，改善太湖、洮湖、滆湖特別是太湖西北部湖灣的水環(huán)境狀況。

現(xiàn)行的《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》中太湖流域?qū)嵤┮瓭?jì)太時(shí)，望亭水利樞紐需要根據(jù)望虞河水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)度，但是，目前流域骨干工程還未有參考太湖的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)度的研究與實(shí)踐。鑒于此，本文研究考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的流域骨干水利工程調(diào)度方案，以期為今后骨干工程調(diào)度方案的優(yōu)化、完善提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

太湖流域地處長(zhǎng)三角南翼，北抵長(zhǎng)江，東臨東海，南濱錢塘江，西以天目山、茅山等山區(qū)為界。流域?qū)俚湫偷钠皆泳W(wǎng)地區(qū)，水面面積達(dá)5 551 km2，水面率為15%；河道總長(zhǎng)約12萬(wàn)km，河道密度達(dá)3.3 km/km2。流域水系以太湖為中心，分上游水系和下游水系。上游水系主要為西部山丘區(qū)獨(dú)立水系；下游主要為平原河網(wǎng)水系。

望虞河是太湖主要通江河道之一，全長(zhǎng)60.8 km，沿線地形平坦，其西部為澄錫虞高地，東部為陽(yáng)澄區(qū)。新孟河工程北起長(zhǎng)江，自大夾江向南新開(kāi)河道至小河閘北1.58 km接老新孟河，沿老新孟河拓浚至京杭運(yùn)河，立交過(guò)京杭運(yùn)河后新開(kāi)河向南延伸至北干河，拓浚北干河連接洮滆湖，拓浚太滆運(yùn)河和漕橋河入太湖，工程全長(zhǎng)116.69 km。本研究主要依托望虞河工程和新孟河工程，在調(diào)度運(yùn)行中考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)度方案研究。望虞河工程和新孟河工程位置分布如圖1所示。

圖1 望虞河工程和新孟河延伸拓浚工程位置分布

2 研究方法

采用太湖流域平原河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[8](以下簡(jiǎn)稱太湖流域模型)定量分析考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的流域骨干工程調(diào)度方案對(duì)太湖水質(zhì)的影響。該模型在綜合分析太湖流域平原河網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文、水動(dòng)力學(xué)等原理，模擬流域平原河湖、河道汊口連接和各種控制建筑物及其調(diào)度運(yùn)行方式，對(duì)流域各類供、用、耗、排進(jìn)行合理概化，耦合一維河網(wǎng)和二維太湖，模擬流域平原河網(wǎng)地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)，對(duì)河湖水量、水質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，并采用一體化集成模式，將模型核心技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)及信息處理技術(shù)在系統(tǒng)底層進(jìn)行集成，形成適合于太湖流域河網(wǎng)水量水質(zhì)計(jì)算的系統(tǒng)平臺(tái)。太湖流域模型包括降雨徑流模型、河網(wǎng)水量模型、污染負(fù)荷模型、河網(wǎng)水質(zhì)模型、太湖湖流模型和太湖湖區(qū)水質(zhì)模型共6個(gè)子模型。6個(gè)子模型并非孤立的，大部分子模型間是相互嵌套、有機(jī)耦合的，各子模型相互間的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖2。其中，河網(wǎng)水量模型包括湖、蕩等零維模型和河網(wǎng)一維模型，河網(wǎng)一維非恒定流動(dòng)基本方程組為圣維南方程組；河網(wǎng)水質(zhì)模型與水量模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進(jìn)行數(shù)值離散。模型主要邊界包括外江、海潮位邊界、環(huán)太湖水位邊界、山丘區(qū)入流流量邊界以及其他流量邊界。

圖2 太湖流域模型結(jié)構(gòu)

1991年大洪水之后，太湖流域先后實(shí)施并完成了望虞河、太浦河、環(huán)湖大堤、杭嘉湖南排后續(xù)、湖西引排、武澄錫引排、東西苕溪防洪、杭嘉湖北排通道、紅旗塘、擴(kuò)大攔路港泖河及斜塘、黃浦江上游干流防洪等一輪治太11項(xiàng)骨干工程建設(shè)。本研究綜合流域二輪治太規(guī)劃工程推進(jìn)與實(shí)施進(jìn)展以及區(qū)域骨干工程建設(shè)情況，研究工況為在一輪治太工程基礎(chǔ)上考慮以下工程：已建成的走馬塘拓浚延伸工程、已開(kāi)工建設(shè)的新溝河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程、太嘉河工程、杭嘉湖地區(qū)環(huán)湖河道整治工程、擴(kuò)大杭嘉湖南排工程、平湖塘延伸拓浚工程、苕溪清水入湖河道整治工程、望虞河西岸控制工程等流域性治理骨干工程；已建成的蘇州市七浦塘拓浚整治工程、西塘河引水工程、常熟市海洋涇引排綜合整治工程等區(qū)域性治理骨干工程；楊林塘、京杭運(yùn)河“四改三”等航道整治工程；蘇州、無(wú)錫、常州、嘉興、湖州等城市大包圍工程。上述工程均在太湖流域模型中進(jìn)行了更新概化。

表1 2002—2015年太湖主要水質(zhì)指標(biāo)

表2 2012—2014年太湖水源地水質(zhì)指標(biāo)

研究依據(jù)《太湖流域水資源綜合規(guī)劃》和《太湖流域水量分配方案》，采用降水頻率典型年法，在流域及區(qū)域1951年以來(lái)的降雨資料系列分析基礎(chǔ)上，在流域豐平枯水文典型年中選擇平水年(P=50%)1990年進(jìn)行模擬分析。

3 太湖水質(zhì)改善需求及關(guān)鍵因子分析

表1為2002—2015年太湖主要水質(zhì)指標(biāo)。由表1可見(jiàn)，太湖水體中CODMn基本為Ⅲ類、NH3-N基本為Ⅱ類，可以滿足《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》(2013年修編)中2015年目標(biāo)要求。但是，TP近年來(lái)一直為Ⅳ類，近10多年該指標(biāo)改善不明顯，與2015年目標(biāo)尚有較大差距。TN質(zhì)量濃度在2002—2010年較高，一直為劣Ⅴ類，導(dǎo)致太湖水體一直屬于劣Ⅴ類；2011—2015年，TN略有改善，已達(dá)到了2015年水質(zhì)目標(biāo)，但仍為Ⅴ類，制約了太湖總體水質(zhì)狀況類別。因此，從太湖水質(zhì)狀況來(lái)看，CODMn和NH3-N隨著流域污染治理與調(diào)水引流等措施的實(shí)施呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，太湖水質(zhì)最需要改善的是TN和TP。表2為2012—2014年太湖水源地水質(zhì)指標(biāo)平均濃度及等級(jí)。由表2可見(jiàn)，太湖貢湖水源地主要表現(xiàn)為TP、TN質(zhì)量濃度超標(biāo)，湖東水源地主要表現(xiàn)為TN質(zhì)量濃度超標(biāo)，從太湖水源地水質(zhì)狀況來(lái)看，最需要改善的指標(biāo)也是TP和TN。因此，本研究認(rèn)為TP和TN為太湖水質(zhì)改善的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

圖3為2007—2014年太湖TP和TN平均質(zhì)量濃度年內(nèi)變化趨勢(shì)。由圖3可見(jiàn)，TP質(zhì)量濃度變化上半年相對(duì)平穩(wěn)，8月前后為全年最高，后逐月下降，基本維持在Ⅳ類。TN上半年均處于劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，最高值集中出現(xiàn)在3—4月，7—11月逐月下降至Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其中9—10月質(zhì)量濃度最低，11月—次年3月質(zhì)量濃度又呈上升趨勢(shì)，這表明太湖水體TN質(zhì)量濃度與水溫、水量呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)研究，這種現(xiàn)象與TN的污染排放特征及水體氮的反硝化作用流失有關(guān)系[9]。春季是氮肥大量使用的季節(jié)，而此期間往往是枯水期，溫度也較低，同時(shí)細(xì)菌活性低，湖泊中反硝化過(guò)程等脫氮過(guò)程慢，形成了高氮、低水位的特征，此時(shí)水體氮的質(zhì)量濃度特別高；而夏季隨著施肥量的下降以及強(qiáng)降雨的稀釋作用，同時(shí)湖體細(xì)菌活性旺盛，反硝化脫氮作用強(qiáng)烈，形成了高水位、低氮賦存量的特征。因此，太湖在2—5月最需要改善TN指標(biāo)，8—10月最需要改善TP指標(biāo)。

(a)TP

(b)TN

4 考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的骨干工程調(diào)度方案

4.1 調(diào)度方案設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明通過(guò)水利工程調(diào)度等措施可以在短時(shí)期內(nèi)改善氮、磷指標(biāo)[10]。根據(jù)《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》，太湖水位調(diào)度線包括防洪控制線、引水控制線，實(shí)行分時(shí)段分級(jí)調(diào)度，太湖防洪控制水位在3.1～3.5 m，太湖引水控制水位在3.0～3.3 m，當(dāng)太湖水位處于引水控制線和防洪控制線之間時(shí)，流域骨干河道視流域和區(qū)域水雨情和水環(huán)境狀況適時(shí)引排。因此，本研究將太湖水位處于引水控制線和防洪控制線之間的區(qū)間作為骨干工程增加考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)度方案研究的執(zhí)行區(qū)間(圖4)，本次優(yōu)化方案在太湖水位處于該范圍內(nèi)執(zhí)行。為使望虞河工程、新孟河延伸拓浚工程發(fā)揮綜合效益，本研究考慮在望虞河常熟樞紐、望亭樞紐、新孟河江邊樞紐等工程中增加考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，增加考慮水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)度方案具體為：2—5月當(dāng)TN質(zhì)量濃度高于2.0 mg/L或8—10月TP質(zhì)量濃度高于0.06 mg/L時(shí)，優(yōu)化望虞河常熟樞紐、望亭樞紐、新孟河江邊樞紐工程調(diào)度，增調(diào)長(zhǎng)江清水入湖?？紤]到TP質(zhì)量濃度未達(dá)到2015年太湖流域水環(huán)境綜合治理目標(biāo)，TN雖已達(dá)到2015年目標(biāo)但未達(dá)到2020年目標(biāo)，分別采用2015年TP目標(biāo)質(zhì)量濃度(0.06 mg/L)及2020年TN目標(biāo)質(zhì)量濃度(2.0 mg/L)作為工程調(diào)度的參考。太湖流域模型中長(zhǎng)江邊界水質(zhì)濃度按照III類水設(shè)置。優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)為在流域骨干工程調(diào)度中考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)，當(dāng)在設(shè)定時(shí)段內(nèi)太湖水質(zhì)指標(biāo)超過(guò)設(shè)定的濃度值時(shí)，增強(qiáng)沿江口門引水，優(yōu)化引江入湖，改善水動(dòng)力條件，增強(qiáng)水體稀釋自凈能力，增加水環(huán)境容量，促進(jìn)太湖西部水域、北部水域水質(zhì)改善。

圖4 考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)度方案執(zhí)行區(qū)間

4.2 調(diào)度方案效果分析

采用太湖流域模型，選取平水典型年(1990年型)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行調(diào)度效果模擬分析。通過(guò)模型模擬，得到基礎(chǔ)方案及考慮水質(zhì)指標(biāo)方案的太湖水位過(guò)程如圖5所示，1990年型下考慮水質(zhì)指標(biāo)方案對(duì)太湖水位過(guò)程影響不大，水位最大變幅為8 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2—5月考慮水質(zhì)指標(biāo)方案可執(zhí)行時(shí)間為3月24—28日、4月8—10日、4月19—29日、5月10—17日，共27 d；8—10月考慮水質(zhì)指標(biāo)方案可執(zhí)行時(shí)間為9月2日、9月18至10月9日，共13 d。因此，較基礎(chǔ)方案，增加考慮水質(zhì)指標(biāo)方案可以增加40 d引江入湖的機(jī)會(huì)。

圖5 基礎(chǔ)方案及考慮水質(zhì)指標(biāo)方案的太湖水位過(guò)程

表3為入湖水量統(tǒng)計(jì)。由表3可見(jiàn)，與基礎(chǔ)方案相比，全年期，增加考慮水質(zhì)指標(biāo)方案環(huán)湖口門總?cè)牒吭黾?.80億m3，出湖水量增加0.74億m3；執(zhí)行調(diào)度期，增加考慮水質(zhì)指標(biāo)方案環(huán)湖口門總?cè)牒吭黾?.41億m3，增幅為4.2%，出湖水量增加0.17億m3，增幅為1.2%?？梢?jiàn)增加考慮水質(zhì)指標(biāo)方案較大程度上提高了凈入湖水量，總體有利于促進(jìn)太湖水質(zhì)改善。其中，執(zhí)行調(diào)度期間湖西區(qū)入湖水量增加0.39億m3，增幅為5.4%，望虞河入湖水量增加0.04億m3，增幅為200%。

表3 入湖水量統(tǒng)計(jì) 億m3

表4為執(zhí)行調(diào)度期太湖水質(zhì)統(tǒng)計(jì)。由表4可見(jiàn)，考慮水質(zhì)指標(biāo)方案執(zhí)行調(diào)度期間，貢湖、竺山湖的COD、NH3-N質(zhì)量濃度均有所下降，貢湖COD質(zhì)量濃度下降0.132 mg/L，降幅為0.50%，NH3-N質(zhì)量濃度下降0.019 mg/L，降幅為2.71%；竺山湖COD質(zhì)量濃度下降0.255 mg/L，降幅為1.37%，NH3-N質(zhì)量濃度下降0.403 mg/L，降幅為26.00%。貢湖、竺山湖的TN、TP質(zhì)量濃度也均有所下降，貢湖TN質(zhì)量濃度下降0.011 mg/L，降幅為1.24%，TP質(zhì)量濃度下降0.000 3 mg/L，降幅為0.31%；竺山湖TN質(zhì)量濃度下降0.070 mg/L，降幅為3.15%，TP質(zhì)量濃度下降0.007 mg/L，降幅為2.98%。因此，總體而言，增加水質(zhì)指標(biāo)方案有利于太湖總體水質(zhì)改善，竺山湖主要水質(zhì)指標(biāo)改善效果要好于貢湖，同時(shí)從各指標(biāo)改善幅度來(lái)看，竺山湖NH3-N質(zhì)量濃度改善最為明顯，其他指標(biāo)改善幅度不大。

表4 執(zhí)行調(diào)度期太湖水質(zhì)統(tǒng)計(jì) mg/L

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以太湖及與其密切相關(guān)的流域骨干工程為研究對(duì)象，分析了太湖水質(zhì)改善需求及關(guān)鍵影響因子，從通過(guò)水動(dòng)力調(diào)控改善太湖水質(zhì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的流域骨干工程調(diào)度方案，并用太湖流域模型進(jìn)行了方案效果分析。研究發(fā)現(xiàn)平水年全年執(zhí)行水質(zhì)類指標(biāo)調(diào)度的時(shí)間為40 d，較基礎(chǔ)方案增加了引長(zhǎng)江水入太湖的機(jī)會(huì)，考慮太湖水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)度方案一定程度上提高了凈入湖水量，對(duì)竺山湖水質(zhì)指標(biāo)改善作用較為明顯，但貢湖因其本底水質(zhì)條件較好，水質(zhì)指標(biāo)改善效果一般。