(1. 蘇州市水利工程管理處，江蘇 蘇州 215011； 2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

近年來，改善河流水系生態(tài)環(huán)境、解決突出環(huán)境問題，已成為國家生態(tài)文明建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急[1]。河流生態(tài)環(huán)境需水量是維持河流生物群落和棲息環(huán)境穩(wěn)定、保證并改善人居環(huán)境所需的水量[2-3]，對于保護(hù)城市河流可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。平原河網(wǎng)受人類活動影響較大，水質(zhì)狀況普遍較差[4-5]，通過綜合調(diào)水，科學(xué)地調(diào)度河網(wǎng)水流，引入清潔水源，盡量提高水體的流動性[6-7]，在一定程度上能夠緩解區(qū)域水質(zhì)惡化的問題[8-10]。為了增強(qiáng)區(qū)域水資源調(diào)控能力，蘇州市于2011年末啟動了七浦塘拓浚整治工程，從長江引優(yōu)質(zhì)水補(bǔ)充陽澄湖，以提高陽澄湖水質(zhì)水量的保障能力[11-12]。

針對七浦塘沿途河網(wǎng)連通不暢所造成的局部區(qū)域水體水環(huán)境問題，本文研究旨在滿足陽澄湖水質(zhì)水量需求的同時，通過生態(tài)調(diào)度方式適當(dāng)?shù)叵蛑苓厖^(qū)域分水[13]，以實現(xiàn)增強(qiáng)水體自凈能力方案的可行性。

2 研究區(qū)概況

七浦塘位于蘇州市境內(nèi)，全長43.89 km，是太湖流域陽澄淀泖區(qū)主要通江河道之一，承擔(dān)著排水和引水的任務(wù)[14]。該河道西起陽澄湖，東至長江，途經(jīng)相城區(qū)和昆山、常熟、太倉3座城市，沿線共有口門80處。其中，單孔節(jié)制閘44座，套閘7座，2 m×2 m穿堤涵洞25座，2 m×2 m×2雙涵洞4座。各市鎮(zhèn)位置如圖1所示。

圖1 七浦塘沿線鎮(zhèn)區(qū)位置示意Fig.1 The location of towns along Qiputang River

七浦塘以從長江引水補(bǔ)充陽澄湖為主，并承擔(dān)著周邊地區(qū)的排洪任務(wù)。七浦塘河道最大日引水量為1 036.8萬m3，最大引水流量為120 m3/s，為沿線周邊區(qū)域的生產(chǎn)及生態(tài)補(bǔ)水提供了條件。根據(jù)現(xiàn)狀運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，七浦塘單次引水約5 d，可基本滿足陽澄湖水量的需求[15]，其后水量可用于周邊地區(qū)的生態(tài)補(bǔ)水。以2017年為例，年可供水量約為2.96億m3，最大單次可供水量約1.26億m3。

3 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水需求分析

通過實地調(diào)研及資料分析，得到了七浦塘沿線生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水需求，且可將其分為以下5類。重點(diǎn)補(bǔ)水區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 七浦塘沿線重點(diǎn)補(bǔ)水區(qū)分布示意Fig.2 The location of key water supplyarea along Qiputang

(1) 工業(yè)區(qū)廢水排放影響水質(zhì)。巴城鎮(zhèn)楓塘圩及沙溪鎮(zhèn)白迷涇均為工業(yè)園區(qū)，廢水雖經(jīng)處理后排放，但污染物量仍較高，超過了水體自凈能力，影響到了生產(chǎn)和生活環(huán)境。

(2) 城鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量較大。巴城鎮(zhèn)楓塘圩及雉城圩、支塘鎮(zhèn)雙鳳東圩、璜涇鎮(zhèn)老蕩茜河與陳大港交匯處均為居民居住較為集中的城鎮(zhèn)區(qū)，當(dāng)七浦塘引水致水位升高時，臨近閘門常關(guān)閉，水質(zhì)難以滿足生態(tài)環(huán)境的需求。

(3) 河流流動性差。流經(jīng)張家港、常熟及太倉境內(nèi)的鹽鐵塘，巴城鎮(zhèn)內(nèi)茆沙塘為城鎮(zhèn)骨干河道，且受茆沙塘閘限制，水體流動緩慢；支塘鎮(zhèn)內(nèi)三涇河及豐收河、沙溪鎮(zhèn)內(nèi)老七浦塘、璜涇鎮(zhèn)內(nèi)蕩茜河及陳大港、浮橋鎮(zhèn)西南片區(qū)河流等，這些河流水體流動慢，是導(dǎo)致水體環(huán)境質(zhì)量差的重要原因。

(4) 景觀生態(tài)需水。蘇州市近年來景觀生態(tài)建設(shè)發(fā)展迅速，沙溪古鎮(zhèn)及支塘鎮(zhèn)蔣巷村國家級美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，均需增加生態(tài)景觀供水。

(5) 漁業(yè)養(yǎng)殖需求。以巴城鎮(zhèn)為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖是蘇州市特色主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，因養(yǎng)殖戶集中，致使相關(guān)水體氨氮、總氮超標(biāo)，水環(huán)境問題較突出，需引入清水稀釋。

以市、鎮(zhèn)段為劃分依據(jù)，將所劃分的七浦塘沿線影響范圍內(nèi)的生態(tài)補(bǔ)水重點(diǎn)區(qū)域及其需水原因列于表1。

表1 七浦塘沿線各區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水匯總Tab.1 The demand of ecological regulationalong Qiputang River

4 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境需水計算

4.1 計算方法

本文采用水量平衡法[16-17],結(jié)合換水率水量計算[18]的方法，計算出河流水體滲漏及蒸散發(fā)所需的水量W1及為河湖換水所需的水量W2，計算公式如下：

W1=F-S(P-E)/1000

(1)

W2=fV

(2)

W=W1+αW2

(3)

式中,W1為年內(nèi)為補(bǔ)充河流水體滲漏及蒸散發(fā)所需的水量,m3；F為水體滲漏量,m3;該地區(qū)為黏壤土，滲漏量約為4 mm/d，考慮到地下水埋深較小，因此將地下水頂托修正系數(shù)取為0.28，這樣計算得出的水體滲漏量約為1.12 mm/d；S為水面面積，m2；P，E分別為降水和水面蒸發(fā)量，mm，按來水頻率為75%的年份考慮，降水量為938.6 mm，水面蒸發(fā)量為990.8 mm；W2為達(dá)到設(shè)定換水率時單次河湖換水需水量，m3；f為換水率；V為河湖水體體積，m3；W為生態(tài)環(huán)境需水量,m3，α為換水次數(shù)。

根據(jù)日常調(diào)度數(shù)據(jù)及相關(guān)研究，當(dāng)該地區(qū)的河網(wǎng)換水率在1.2～1.5之間時，水質(zhì)有明顯的改善；當(dāng)換水率在1.5～2.0之間時，則該地區(qū)骨干河道的水質(zhì)能夠達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求。因此，本文按照一般河道的換水率為1.3、重要河道的換水率為2.0來計算研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量。

4.2 計算結(jié)果與分析

對工程沿線影響范圍內(nèi)的圩區(qū)、村莊、區(qū)塊的河流、湖塘進(jìn)行概化，得到了各鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量，分別如圖3及表2所示。

圖3 七浦塘沿線各鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量Fig.3 The eco-environmental water demandof towns along Qiputang

市鎮(zhèn)段影響范圍內(nèi)區(qū)塊名稱W1/萬m3W2/萬m3昆山市巴城鎮(zhèn)段黃金圩935石消圩2078巷埭圩726欄桿圩726欄東圩31122楊北圩1973紅星圩831雉城圩65252 楓塘圩61238 小計225882 常熟市支塘鎮(zhèn)段雙鳳東圩31142 雙鳳西圩44200 陸涇圩33148 任有圩61274 黃米東圩1357 黃米西圩25114 小計207934 太倉市沙溪鎮(zhèn)段七浦塘以北、陳涇以南2341056 七浦塘以南、老七浦塘以北106477 小計3401533 璜涇鎮(zhèn)段榮文村66295 永樂村49223 蕩茜村1987 小計134605 浮橋鎮(zhèn)段浪港以北、七浦塘以南109493 小計109493 合計10154447

由表2及圖3可知，與水量平衡計算得到的W1相比，生態(tài)補(bǔ)水量W2在區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量中占比更大，七浦塘可引水量在補(bǔ)充沿線水體年內(nèi)滲漏及蒸散發(fā)耗水量后，仍可滿足1 a內(nèi)多次河湖換水R 需水量。在研究區(qū)一般水體換水率為1.3、重要水體換水率為2.0的情況下，單次換水沙溪鎮(zhèn)段的生態(tài)環(huán)境需水量最大，占比為34%；其次為支塘鎮(zhèn)段及巴城鎮(zhèn)段，占比為20%，璜涇鎮(zhèn)段及浮橋鎮(zhèn)段的生態(tài)環(huán)境需水量相對較少。

結(jié)合研究區(qū)生態(tài)調(diào)度需求量進(jìn)行了分析，將所有鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量對應(yīng)到各需水區(qū)進(jìn)行估算，各需水區(qū)年內(nèi)單次換水情況下的需水量如圖4所示，所占比例如圖5所示。

圖4 七浦塘沿線各需水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量示意Fig.4 The eco-environmental water demand ofkey water supply area along Qiputang

圖5 七浦塘沿線各區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量比例Fig.5 Proportion chart of eco-environmental waterdemand along Qiputang

由圖4及圖5可知，七浦塘通過生態(tài)調(diào)度向周邊區(qū)域配水的水量為：太倉市段>常熟市段>昆山市段。其中，以常熟市支塘鎮(zhèn)段及太倉市沙溪鎮(zhèn)段為主，生態(tài)補(bǔ)水重點(diǎn)區(qū)域為：白迷涇附近工業(yè)區(qū)、陳大港、鹽鐵塘、蔣巷村、楓塘圩、雙鳳東圩居民區(qū)、老七浦塘等。

4.3 生態(tài)補(bǔ)水效果分析

以七浦塘沿線區(qū)域為研究范圍，將河網(wǎng)進(jìn)行概化，選擇了TP、NH3-N兩項指標(biāo)，設(shè)置了3種水質(zhì)情景，即輕度不達(dá)標(biāo)、中度不達(dá)標(biāo)、重度不達(dá)標(biāo)。依據(jù)水功能區(qū)的要求，研究區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，將超標(biāo)50%作為輕度不達(dá)標(biāo)，將超標(biāo)100%作為中度不達(dá)標(biāo)，將超標(biāo)200%作為重度不達(dá)標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，七浦塘水源水質(zhì)以2018年4月的監(jiān)測值為參考，則TP、NH3-N兩項指標(biāo)均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)值。各情景下設(shè)置的TP、NH3-N濃度及水源水質(zhì)如表3所列。

表3 模擬情景水質(zhì)情況Tab.3 Water quality in simulated scenarios mg/L

假設(shè)在一次換水情況下，沿線河道得到補(bǔ)充計算的需水量后，水體被完全混合均勻；然后采用完全混合模型計算補(bǔ)水后水質(zhì)的改善情況[19-20]，模擬結(jié)果如表4所列。

表4 研究區(qū)補(bǔ)水水質(zhì)模擬Tab.4 Simulation of water quality in study area

由模擬結(jié)果可以看出：3種情景下，補(bǔ)水后水質(zhì)改善效果明顯，水質(zhì)改善率均超過了50%；其中，輕度不達(dá)標(biāo)、中度不達(dá)標(biāo)情景補(bǔ)水后的水質(zhì)可達(dá)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，重度不達(dá)標(biāo)情景的水質(zhì)雖得到了一定程度的改善，但仍不能達(dá)標(biāo)。

綜合考慮各區(qū)域生態(tài)調(diào)度的需求，可相應(yīng)制定如下七浦塘水量分配方案：在滿足陽澄湖水量需求的情況下，優(yōu)先向重點(diǎn)需水區(qū)配水，并通過總需水量配比對總體可利用量進(jìn)行合理分配；在不同的情況下開啟七浦塘沿線對應(yīng)閘門進(jìn)行引水，以提升工程調(diào)度的綜合效益，增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)水體的流動性，保障水生態(tài)。同時，針對區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)區(qū)域，可以適當(dāng)增加換水次數(shù)以強(qiáng)化水質(zhì)的改善[21]。

5 結(jié) 論

河流生態(tài)環(huán)境需水量是河流可持續(xù)發(fā)展的重要保障，生態(tài)補(bǔ)水是提升河流生態(tài)環(huán)境的重要輔助措施。本文在定性分析七浦塘沿線區(qū)域水環(huán)境問題的基礎(chǔ)上，采用水量平衡法并結(jié)合換水率計算方法，對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了計算；同時結(jié)合研究區(qū)的生態(tài)補(bǔ)水效果進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 七浦塘工程實施后，沿線區(qū)域由于閘門關(guān)閉影響了水系連通性及流動性，也影響到了各鎮(zhèn)、區(qū)的水生態(tài)環(huán)境和景觀補(bǔ)水需要。

(2) 在沿線影響區(qū)域一般河道換水率為1.3、重要河流換水率為2.0的情況下，沙溪鎮(zhèn)段的生態(tài)環(huán)境需水量最大，其次為支塘鎮(zhèn)段及巴城鎮(zhèn)。

(3) 得到的七浦塘沿線生態(tài)補(bǔ)水重點(diǎn)區(qū)域及各區(qū)域的需水配比，可為七浦塘生態(tài)調(diào)度提供依據(jù)。

(4) 補(bǔ)水可以對水質(zhì)改善起到一定的效果，對于重點(diǎn)區(qū)域，可以通過增加換水次數(shù)來加以改善。