許益新，李一平，羅育池，余香英，蔣婧媛，羅 凡

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

平原感潮河網(wǎng)地勢(shì)平坦，水流緩慢，同時(shí)受潮汐作用和泵閘調(diào)度的影響，往復(fù)流現(xiàn)象明顯，抗污染能力較弱。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，平原感潮河網(wǎng)地區(qū)水資源高度開發(fā)利用，水環(huán)境質(zhì)量日益下降[1]。利用平原感潮河網(wǎng)緊鄰大江大河的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)潮汐變化進(jìn)行引水、排水，構(gòu)建科學(xué)有序的水循環(huán)體系，促進(jìn)河道水體流動(dòng)，提高水體稀釋能力，從而達(dá)到改善水環(huán)境質(zhì)量的效果[2]。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型是用來模擬和預(yù)測(cè)污染物混合、遷移、轉(zhuǎn)化過程的重要工具之一，在定量分析引水改善河網(wǎng)水環(huán)境質(zhì)量效果方面發(fā)揮著重要作用[3]。

目前，對(duì)于引水改善河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)效果的研究多集中于特定引水流量[4]、引水水質(zhì)[5]、水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]等，顧爐華等[7]基于太湖水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究不同引水量和雨型下七浦塘引水對(duì)陽澄湖和周邊河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明引水量為20～40 m3/s時(shí)，河網(wǎng)水質(zhì)改善效果最佳；趙軒等[8]基于常州市河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究上游引水、污染源削減和提高自凈能力對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明保證上游來水水質(zhì)良好的情況下，上游引水對(duì)主干河道水質(zhì)有較好的改善效果；賈海峰等[9]基于城鎮(zhèn)河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化和水利調(diào)度對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠降低BOD5和NH3-N濃度。目前對(duì)復(fù)雜的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)潮汐作用下調(diào)水引流工作研究較少，且尚未建立起潮位、引水量和水質(zhì)改善效果的響應(yīng)關(guān)系。

本文選取典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)張家港市為研究對(duì)象，根據(jù)張家港市緊鄰長(zhǎng)江的優(yōu)勢(shì)和水循環(huán)體系的建設(shè)，開展調(diào)水引流改善平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)效果研究，建立“長(zhǎng)江潮位-內(nèi)河引水量-水質(zhì)改善效果-引水服務(wù)面積”的響應(yīng)關(guān)系，以期為平原感潮河網(wǎng)調(diào)水引流工作提供科學(xué)的指導(dǎo)和建議。

1 研究區(qū)域概況

張家港市位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原，境內(nèi)河網(wǎng)密布，北鄰長(zhǎng)江，屬典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)共有37個(gè)水功能區(qū)，隨著污染源削減方案的實(shí)施和水循環(huán)體系的構(gòu)建，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率逐步提高，2011—2016年水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率從57.4%提升到79.6%，主要超標(biāo)因子為氨氮。

張家港市目前正在建設(shè)、完善中部、東部和西部三大水循環(huán)體系，其中中部水系水循環(huán)體系較為完善，主要依靠朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐候潮開啟閘門進(jìn)行自流引水，引水時(shí)內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.1 m，二干河為排水通道；東部水系主要依靠三干河水利樞紐、四干河節(jié)制閘和六干河節(jié)制閘候潮開啟閘門進(jìn)行自流引水，引水時(shí)三干河內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.8 m，四干河和六干河內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.7 m，五干河和七干河為排水通道；西部水系主要依靠五節(jié)橋泵閘工程、十字港閘和護(hù)漕港節(jié)制閘候潮開啟閘門進(jìn)行自流引水，引水時(shí)內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.0 m，太字圩港為排水通道。各引水口門距離長(zhǎng)江天生港潮位站均在20 km以內(nèi)，故選取天生港潮位站作為長(zhǎng)江潮位代表站[10](圖1)。

2 平原河網(wǎng)非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及評(píng)價(jià)方法

2.1 模型的建立

在張家港市中部水系水動(dòng)力水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型研究[11]的基礎(chǔ)上，采用一維圣維南方程組構(gòu)建張家港市平原感潮河網(wǎng)水量模型離散格式為六點(diǎn)中心隱式差分格式，采用“雙掃”法計(jì)算求解；采用一維對(duì)流擴(kuò)散方程作為水質(zhì)模擬基本方程，根據(jù)長(zhǎng)江三角洲河網(wǎng)和張家港市河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀、特點(diǎn)及總量控制要求，選取高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為模擬因子，構(gòu)建張家港市平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)模型，以評(píng)估張家港市三大水循環(huán)體系的構(gòu)建對(duì)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果[12]。河網(wǎng)模型共概化368條河流(市級(jí)河道、鎮(zhèn)級(jí)河道和部分村級(jí)河道)，151個(gè)閘站(沿江水利樞紐、內(nèi)河節(jié)制閘和部分泵站)；河流斷面數(shù)據(jù)采用走航式ADCP監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行概化；模型上邊界為各引水通道與長(zhǎng)江交匯處，為流量邊界，流量時(shí)間序列根據(jù)各水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)高頻率長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析所得；模型下邊界為各排水通道與長(zhǎng)江交匯處，為水位邊界。

圖1 研究區(qū)域位置及評(píng)價(jià)斷面分布

2.2 模型的率定和參數(shù)的選取

根據(jù)張家港市水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和野外水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行率定，結(jié)果表明：張家港市現(xiàn)狀河道糙率為0.01～0.04，其中城區(qū)主要河道為直立式護(hù)岸，河道糙率較小，為0.01～0.02，鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道兩側(cè)雜草樹木較多，河道糙率較大，為0.03～0.04；張家港市現(xiàn)狀高錳酸鹽指數(shù)降解系數(shù)為0.04～0.08 d-1，氨氮降解系數(shù)為0.03～0.08 d-1。各斷面流量模擬相對(duì)誤差在25%以內(nèi)，平均相對(duì)誤差為13.1%；各斷面水質(zhì)模擬相對(duì)誤差在30%以內(nèi)，高錳酸鹽指數(shù)平均相對(duì)誤差為15.2%，氨氮濃度平均相對(duì)誤差為12.0%，具體見表1。

表1 張家港市河網(wǎng)模型水動(dòng)力水質(zhì)模擬相對(duì)誤差

2.3 調(diào)水引流改善水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

根據(jù)張家港市水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)調(diào)水引流改善水環(huán)境質(zhì)量的方法主要有：①分析評(píng)價(jià)引水期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)；②分析評(píng)價(jià)引水前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)濃度的改善效果；③分析評(píng)價(jià)引水前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)類別的變化。因此，結(jié)合前人研究成果，采用水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)3個(gè)指標(biāo)評(píng)估平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量的響應(yīng)關(guān)系[13]。公式為

(1)

式中：R為水質(zhì)濃度改善率；C0i為第i種水質(zhì)指標(biāo)引水前的濃度；Cai為第i種水質(zhì)指標(biāo)引水后的濃度；i為參加評(píng)估的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)目。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。

(2)

式中：G為類別變化均值指數(shù)；G0i為第i種水質(zhì)指標(biāo)引水前的水質(zhì)類別；Gai為第i種水質(zhì)指標(biāo)引水后的水質(zhì)類別。G屬于均值型多因子指數(shù)，反映引水前后水質(zhì)類別變化的等級(jí)，數(shù)值為正表示水質(zhì)類別改善，數(shù)值為負(fù)表示水質(zhì)類別下降。

(3)

式中P為濃度變化指數(shù)。P屬于均值型多因子指數(shù)，反映引水前后水質(zhì)濃度變化的程度，數(shù)值為正表示水質(zhì)濃度下降，數(shù)值為負(fù)表示水質(zhì)濃度上升。

3 結(jié)果與討論

3.1 平原感潮河網(wǎng)內(nèi)河引水量與長(zhǎng)江潮位響應(yīng)關(guān)系

長(zhǎng)江張家港段受到上游大通來水和沿海潮汐的雙重作用，每天有兩個(gè)高潮位和低潮位，屬于不規(guī)則半日潮，且高潮位具有明顯的半月周期特性，低潮位則沒有明顯的周期特征[14-15](圖2)。當(dāng)長(zhǎng)江潮位高于張家港市內(nèi)河水位時(shí)，開啟沿江水利樞紐使長(zhǎng)江水自流引進(jìn)。半月周期內(nèi)，隨著長(zhǎng)江高潮位的升高，各引水口門引水量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖3)，其中朝東圩港引水量與長(zhǎng)江潮位相關(guān)性最強(qiáng)，且引水量最大，一干河次之；由于三干河、四干河和六干河引水過程中受到內(nèi)河防洪水位的限制，未能按照最大引水量進(jìn)行引水，故引水量與長(zhǎng)江潮位相關(guān)性較弱，且引水量較少。西部水系的五節(jié)橋港、十字港和護(hù)漕港引水通道尚未正式實(shí)施，故暫不討論。

圖2 天生港潮位站高、低潮位與內(nèi)河水位示意圖

不同引水口門引水量除了受到長(zhǎng)江潮位的影響，也和閘門開啟高度、閘門寬度以及內(nèi)河防洪控制水位等密切相關(guān)[16]，以三干河和四干河為例，二者相距2.6 km，引水過程中，長(zhǎng)江潮位基本一致，內(nèi)河防洪控制水位均為3.8 m，閘門開啟高度均為1.2 m，根據(jù)引水量分析結(jié)果，三干河與四干河引水量比例基本為1.2∶1，三干河和四干河閘門開啟寬度比例也是1.2∶1，表明閘門開啟寬度是影響三干河和四干河引水量差異的關(guān)鍵因素。

圖3 內(nèi)河引水量與天生港潮位響應(yīng)關(guān)系

3.2 平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

利用構(gòu)建的模型，計(jì)算各片區(qū)水質(zhì)改善效果與引水量的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：隨著引水量的增加，各片區(qū)水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，表明增大引水量對(duì)提高水質(zhì)改善效果有顯著作用，與崔廣柏等[2]、顧爐華等[7]、童朝鋒等[18]、逄勇等[19]的研究結(jié)果相似。由于中部水系水循環(huán)體系最為完善，引水時(shí)內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為4.1 m，朝東圩港水利樞紐和一干河水利樞紐可按照最大引水能力進(jìn)行引水，且引水過程中，沿線小型內(nèi)河節(jié)制閘均處于關(guān)閉狀態(tài)，使得長(zhǎng)江清潔水源充分到達(dá)中部水系末端，對(duì)中部水系沿線氨氮超標(biāo)水體產(chǎn)生改善效果。因此，引水對(duì)中部水系氨氮濃度改善效果最強(qiáng)，當(dāng)引水量達(dá)到1.4×107m3時(shí)，中部水系氨氮濃度改善率達(dá)到50%以上，而后，隨著引水量的增大，氨氮濃度改善率穩(wěn)定在50%～56%(表2)。東北部水系距離長(zhǎng)江較近，引水路線短，且沿線水體水質(zhì)較好，污染源分布少，因此，引水對(duì)東北部水系高錳酸鹽指數(shù)改善效果最強(qiáng)，當(dāng)引水量達(dá)到2.64×106m3時(shí)，東北部水系高錳酸鹽指數(shù)改善率接近40%，而后，隨著引水量的增大，高錳酸鹽指數(shù)改善率穩(wěn)定在40%～43%(表3)。結(jié)果表明隨著引水量的逐漸增大，等量引水對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)的改善效率逐漸降低，引水水量不再為提高張家港市河網(wǎng)水質(zhì)的主要因素。

表2 張家港市中部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

表3 張家港市東北部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)能夠綜合體現(xiàn)引水前后水質(zhì)類別和水質(zhì)濃度的變化情況，反映引水對(duì)水質(zhì)的改善效果，結(jié)果表明引水對(duì)東北部水系類別變化指數(shù)提升效果最好，當(dāng)引水量達(dá)到2.64×106m3時(shí)，東北部水系整體提升了1.5個(gè)水質(zhì)類別(表3)；引水對(duì)中部水系濃度變化指數(shù)改善效果最好，當(dāng)引水量達(dá)到1.4×107m3時(shí)，中部水系濃度變化指數(shù)整體達(dá)到0.6以上(表2)。由于東部水系引水時(shí)內(nèi)河側(cè)閘前控制水位為3.7～3.8 m，三干河、四干河未能按照最大引水能力進(jìn)行引水，且東南部水系位于東部水系末端，引水路線長(zhǎng)，缺少清潔水源，因此，引水對(duì)東南部水系水質(zhì)改善效果較弱，氨氮濃度改善率均在15%以內(nèi)，高錳酸鹽指數(shù)改善率均在10%以內(nèi)，類別變化指數(shù)均在0.3以內(nèi)，濃度變化指數(shù)均在0.15以內(nèi)(表4)。西部水系由于沿江節(jié)制閘規(guī)模較小，引水通道能力有限，引水對(duì)西部水系有一定的改善效果，但改善效果較弱，當(dāng)引水量達(dá)到1.84×106m3時(shí)，氨氮濃度改善率和高錳酸鹽指數(shù)改善率基本達(dá)到35%左右，西部水系整體提升了1個(gè)水質(zhì)類別，濃度變化指數(shù)整體達(dá)到0.5以上(表5)。

表4 張家港市東南部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

表5 張家港市西部水系水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系

3.3 平原感潮河網(wǎng)引水服務(wù)面積與引水量響應(yīng)關(guān)系

在平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善效果與引水量響應(yīng)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，以引水是否使河道水質(zhì)達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)要求為判斷依據(jù)，建立引水服務(wù)面積與引水量的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：引水服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，東部水系引水服務(wù)面積隨引水量增長(zhǎng)幅度最大，西部水系次之，中部水系最小(圖4)。而單位引水量服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)下降趨勢(shì)，東部水系單位引水量服務(wù)面積最大，西部水系次之，中部水系最小。單位引水量服務(wù)面積主要與該區(qū)域本底水質(zhì)濃度、污染源分布情況以及引水路線長(zhǎng)短密切相關(guān)，由于東北部水系水質(zhì)本底濃度最低，且污染源分布較少，引水路線短，使得其單位引水量服務(wù)面積最高，為0.352～0.891 km2/萬m3；西部水系本底水質(zhì)濃度較高，但其污染源分布較少，且引水路線短，單位引水量服務(wù)面積次之，為0.156～0.303 km2/萬m3；中部水系雖然本底水質(zhì)濃度較低，但其污染源分布較多，且引水路線長(zhǎng)，單位引水量服務(wù)面積最小，為0.061～0.146 km2/萬m3。這與其他學(xué)者的研究成果相似，陳振濤等[5]對(duì)杭州市江干區(qū)河網(wǎng)的研究表明，在引水水源水質(zhì)不變的情況下，增大引水水量，單方水起到的水質(zhì)改善效果逐漸減小，即引水水量起到的效率降低；張秀菊等[17]對(duì)南通市通州區(qū)新江海河地區(qū)的研究表明，隨著引水量的增加，等量引水的水質(zhì)改善效果逐漸減弱。

圖4 各片區(qū)引水服務(wù)面積與引水量響應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 長(zhǎng)江張家港段為不規(guī)則半日潮，高潮位具有明顯的半月周期特性，隨著高潮位的升高，內(nèi)河引水量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，不同引水口門引水量與長(zhǎng)江潮位、內(nèi)河防洪控制水位、閘門開啟高度以及閘門寬度密切相關(guān)。

b. 平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)濃度改善率、類別變化指數(shù)和濃度變化指數(shù)隨著內(nèi)河引水量的增加均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)中部水系引水量達(dá)到1.4×107m3時(shí)，氨氮濃度改善率達(dá)到50%以上，濃度變化指數(shù)整體達(dá)到0.6以上；當(dāng)東北部水系引水量達(dá)到2.64×106m3時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)改善率接近40%，且整體提升了1.5個(gè)水質(zhì)類別。由于東部水系內(nèi)河防洪水位偏低，未能按照最大引水量進(jìn)行引水，引水對(duì)東南部水系水質(zhì)改善效果較弱，建議逐步實(shí)施東部水系防洪加固工程，使內(nèi)河防洪水位逐步提升至4.0～4.1 m。西部水系由于沿江節(jié)制閘規(guī)模較小，引水通道能力有限，引水對(duì)西部水系水質(zhì)改善效果較弱，建議逐步實(shí)施護(hù)漕港節(jié)制閘擴(kuò)建工程和太字圩港水系連通工程，逐步提高西部水系引水能力。

c. 平原感潮河網(wǎng)引水服務(wù)面積隨著引水量的增大呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而單位引水量服務(wù)面積呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)下降趨勢(shì)，其中，東北部水系單位引水量服務(wù)面積最大，為0.352～0.891 km2/萬m3；西部水系次之，為0.156～0.303 km2/萬m3；中部水系最小，為0.061～0.146 km2/萬m3。