于 珊，李一平**，程一鑫，施媛媛，程 月，黃亞男，朱 雅，潘泓哲，岳楨铻，鄭 可

(1：河海大學環(huán)境學院，南京 210098)(2：河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

隨著中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化的不斷加快，河流形態(tài)結構發(fā)生了改變，由此帶來水環(huán)境惡化、河網(wǎng)調蓄能力下降等一系列問題[1]. 水動力是河湖生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎變量[2]，為改善和維護區(qū)域水環(huán)境，增強水動力條件成為治理水環(huán)境的措施之一，其中調水引流是較為常見且重要的一種手段. 東京1964年從利根川和荒川引入清水改善隅田川水質從而開啟了引清調水的先河[3]，此外如德國魯爾河[4]、俄羅斯莫斯科河[3]、國內的“引江濟淮”[5]、“引江濟太”[6]工程等都得到了很好的水環(huán)境改善效果，但相關研究多集中在大型河流和湖泊之中. 近幾年調水調控工作在平原河網(wǎng)地區(qū)逐漸開展，賈海峰等[7]通過蘇州市甪直鎮(zhèn)的水動力-水質模型，為區(qū)域提出水系結構優(yōu)化和水利調度強化的改善方案，宋利祥等[8]通過二維水流-輸送耦合模型，模擬水閘調度影響下的感潮河網(wǎng)水流運動及污染物運輸過程，田傳沖等[9]基于溫州市主城區(qū)河網(wǎng)水動力模型，計算區(qū)域達到目標流速所需的引水量，并指出水環(huán)境改善程度與調水量及換水周期密切相關. 現(xiàn)有研究通常以數(shù)值模擬為研究手段，對河網(wǎng)水體交換的分析主要集中在交換時間方面，鑒于平原河網(wǎng)區(qū)多為網(wǎng)狀分流河道，河道具有分汊和再匯合的復雜形態(tài)，流量與流向變化不規(guī)則，相關研究缺少基于野外原型同步監(jiān)測，掌握河網(wǎng)及調水線路上的河道分流比、水量空間分布情況，系統(tǒng)探究調水對河網(wǎng)區(qū)水動力的影響.

鄞東南平原屬典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，區(qū)內河網(wǎng)密布，水系發(fā)達，河流流速緩慢且流向多變，污染物難以擴散、降解，因此本文以鄞東南平原河網(wǎng)區(qū)的寧波市海曙區(qū)為例開展研究具有代表性. 近年來海曙區(qū)河網(wǎng)結構及連通性發(fā)生改變，河道自凈能力減弱，水環(huán)境形勢日趨嚴峻，因此增強水力流動性成為提高河網(wǎng)自凈能力的保障，亟需將野外原型同步監(jiān)測與實際調水方案密切結合以掌握河網(wǎng)區(qū)主要河道流量的變化情況，并以河道分流比、換水率為水動力條件指標，調水總量為經(jīng)濟效益指標，槽蓄量變化率為約束條件，系統(tǒng)分析調水引流工程對河網(wǎng)水動力的改善效果. 以期為輸水工程方案的實施管理提供科學依據(jù)，并為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐，推進平原河網(wǎng)水動力改善促進水環(huán)境質量提升的進一步探究.

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

寧波市地處我國海岸線中段，長江三角洲南翼，海曙區(qū)(29°54′27″～29°49′26″N，120°29′30″～120°33′35″E)位于寧波市區(qū)中心區(qū)域，東臨奉化江，北瀕余姚江，西南與鄞州區(qū)接壤. 寧波城區(qū)內河水系受余姚江、奉化江和甬江三江分隔，余姚江、奉化江在市區(qū)“三江口”匯成甬江，流向東北，經(jīng)招寶山入東海. 海曙區(qū)河網(wǎng)(圖1)位于三江口西側，河網(wǎng)水面率5.1%. 內河補充水源主要來自于余姚江，余姚江現(xiàn)狀配水利用高橋(6.8 m3/s)、黃家河(1 m3/s)、屠家沿(1.5 m3/s)泵站引水入平原，區(qū)域內共有3座沿江侯潮排水閘. 海曙區(qū)地處流域末端，受上游來水影響較大，同時內河入江閘門經(jīng)常性關閉，河流基本凝滯，河網(wǎng)調蓄能力差，水質也受到極大影響，對《2015年寧波市水資源公報》分析可知，參評的35個河網(wǎng)水質監(jiān)測斷面中，62.8%的水體呈Ⅴ類及劣Ⅴ類，超標項目主要為總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù).

圖1 研究區(qū)示意圖(1. 圖中灰色箭頭代表河流流向；2. 高橋泵站位于海曙區(qū)范圍外，該泵站引水對海曙區(qū)的貢獻水量以西部河道來水體現(xiàn))

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測方案 為了解調水期間河網(wǎng)及調水線路上的河道分流比、水量空間分布情況，本研究于2016年7月20-23日采用LS25-3A型旋槳式流速儀及水位計對海曙區(qū)引余姚江水改善水動力進行野外原型同步監(jiān)測，監(jiān)測斷面35個，監(jiān)測因子為流向、流速、水位. 根據(jù)現(xiàn)有閘站情況制定4種調水方案如表1，方案1和方案2分別為屠家沿、黃家河翻水站現(xiàn)狀聯(lián)合引水和兩翻水站與高橋泵站現(xiàn)狀聯(lián)合引水的調水工況；方案3仍采用方案2的引排水口并增加兩翻水站引水時長；方案4在方案2的基礎上，新增兩個沿江閘排水口. 其中引水泵站引水期間的監(jiān)測頻率均為2 h/次，沿江閘排水期間的監(jiān)測頻率為0.5 h/次.

1.2.2 河道流量計算 采用流速面積法測流速，根據(jù)垂線上的流速分布模型(圖2)簡化垂線上的測點[10]，本次監(jiān)測所有河流流速較小且水深<2 m，因此采用一點法和二點法. 計算過程如下：

表1 海曙區(qū)調水方案*

圖2 斷面垂線分布

1)垂線平均流速：垂線(測流線)處的水深<1.5 m時，采用一點法；水深為1.5～2.0 m時，采用二點法. 計算公式[11]為：

一點法：

vm=v0.6

(1)

二點法：

vm=0.5(v0.2+v0.8)

(2)

式中，vm為垂線平均流速(m/s)，v0.6、v0.2、v0.8分別為相對水深0.6、0.2、0.8處的測點流速(m/s).

2)部分面積：部分面積，即以測流線為分界，分為岸邊塊(距離岸邊的第一條測流線與河底及水面構成)和中間塊(兩條測流線與河底及水面構成). 岸邊塊面積(A1、An)按三角形計算，中間塊面積(A2～An-1)按梯形計算.

3)部分平均流量：部分平均流量分為岸邊塊和中間塊的平均流量，計算公式[10,12]為：

v′i=α·vi

(3)

(4)

qj=vj·Aj

(5)

式中，α為岸邊系數(shù)，與岸邊性質有關，斜坡岸邊α=0.67～0.75，陡岸邊α=0.80～0.90，死水邊α=0.5～0.67[12]；vi為第i條測線的平均流速(m/s)；v′i為岸邊塊平均流速(m/s)；v″i為中間塊平均流速(m/s)；vj、Aj、qj分別為第j個部分的平均流速(m/s)、斷面面積(m2)、流量(m3/s).

4)斷面流量：部分平均流量累加即為斷面流量，計算公式[10]為：

(6)

(7)

河流平均水深一般采用各垂線流速所對應的水位或平均以部分流量為權重加權平均得到[13].

1.2.3 河道分流比 河道分流比(Q*)，即各支流過水量與干流過水量之比，表示河汊的水量分配狀況[14-15]. 計算公式[14]為：

Q*=Qt/Qm

(8)

式中，Qm為干流過水量(m3/s)；Qt為支流過水量(m3/s).

1.2.4 河道換水率 河道換水率(γ)是指河道的過水量與存水量之比，表示河道的水流交換效率. 換水率越大，說明水體流動情況越好[16]. 計算公式為：

γ=V1/V0

(9)

式中，V1為河道過水量(m3)；V0為河道存水量(m3).

1.2.5 槽蓄量變化率 槽蓄量變化率(φ)，即河網(wǎng)區(qū)河道槽蓄量變化值與初始槽蓄量之比. 計算公式[17]為：

(10)

(11)

式中，ΔS為河網(wǎng)區(qū)槽蓄量變化值(m3)(通過單條河道槽蓄量變化值累加得到)；S0為初始槽蓄量(m3)；ΔV為單條河道槽蓄量變化值(m3)；I1、O1為計算時段初的入、出流量(m3/s)；I2、O2為計算時段末的入、出流量(m3/s)；Δt為時段(d).

2 結果與分析

2.1 河道分流特性分析

2.1.1 河道過水量變化情況 分汊河道是平原河網(wǎng)區(qū)常見的河型，其過水流量反映了河道的分流能力[18]，根據(jù)公式(1)～(6)計算得到各方案調水期間的河道過水量以及總引、排水量(表2)并繪制河道過水流量圖(圖3). 結果表明：翻水站現(xiàn)狀引水時(方案1、2)，區(qū)域東北側河道過水量為0.2萬～3萬m3，高橋泵站引水僅對西側水系產生影響，其中大部分河道過水量為0.2萬～3萬m3. 相比翻水站現(xiàn)狀運行，連續(xù)運行(方案3)使區(qū)域河道過水量增加1～3倍，東北側部分河道過水量達2萬～8萬m3，西側部分河道過水量增至3萬～8萬m3，這與調水量有關，調水量增加不僅使河道過水量增加且影響范圍增大. 新增2個排水口時(方案4)，東北側部分河道過水量增至3萬～25萬m3，增加效果顯著(3～9倍)，西側河道過水量略有增加(0～1倍)，達0.2萬～5萬m3，說明受引排水口位置的影響使西、北部來水主要流經(jīng)東北側河道而東排，靠近東部排水口的河道過水流量較大.

表2 不同調水情況下的引、排水量

圖3 不同調水情況下的河道過水量

2.1.2 河道分流特性 分汊河道的分流特性常用分流比表示，對防洪排澇、供水、保護河流水環(huán)境健康等有重要意義[19]. 比較各方案下河道過水量變化情況(圖3)，方案4的整體水流流向趨勢(趨勢2：由北向南，由西向東)有差異于前3種方案(趨勢1：由北向南，由東向西)，引起這2種水流流向趨勢的主要原因是閘控方式的不同，因此以河道分流比定量分析兩種水流流向趨勢下的河道分流特性(圖4).

1)趨勢1：方案3中，29.7%的來水從屠家沿翻水站入內河，其中18.6%與10.3%的水流分別沿賣魚河與北斗河匯入護城河，隨后16.4%與4.5%的水流分別沿護城河和柳西河流入南塘河，6.0%的水流流入西塘河，相比于現(xiàn)狀引水(方案2)，賣魚河、北斗河及護城河分流比增加4%～8%，增加效果明顯，柳西河與西塘河分流比增量較小(1%～3%). 19.5%的來水從黃家河翻水站入內河，大部分水流沿黃家河流入勝豐河，隨后12.6%和4.3%的水流分別流入勝豐河與西塘河附近支汊，后王河和勝豐河分流比分別增加5.1%和1.7%，附近支汊的蓄水量增大. 西塘河以南的支汊匯集了兩翻水站的部分來水與西北部河道來水，26.3%的水流沿廟前河流入南塘河，最終86.8%的水流從南塘河南排.

2)趨勢2：方案4中，流經(jīng)保豐碶閘的排水來自蔡江河與北斗河，兩翻水站的引水直匯入蔡江河，其水流擴散范圍較小，此外蔡江河主要匯集了流經(jīng)黃家河南段9.5%的水流以及流經(jīng)賣魚河14.4%的水流，北斗河主要匯集了流經(jīng)西塘河34.5%的部分水流，這三股水流主要來自西北部河道來水. 相比于現(xiàn)狀引水，蔡江河、北斗河及西塘河分流比增加效果顯著(分別為53.2%、18.5%、30.9%). 流經(jīng)澄浪堰閘的排水主要來自西部河道來水，最終38%的水流從澄浪堰閘排出，9.1%的水流自南塘河南排，南塘河分流比縮小，來水大部分從東部排出，其附近河道的分流比增大.

方案4中北部來水幾乎全部從保豐碶閘東排，兩翻水站的引水服務范圍相比現(xiàn)狀明顯縮小，說明引-排水口距離短的格局制約了水流擴散的態(tài)勢. 另外在調水期間的不同水流流向趨勢下，河道分流情況存在差異性，河流交汊口會隨水流流向趨勢的不同變成交匯口或分汊口，從而影響河道分流比，其中翠柏河、賣魚河、北斗河、護城河、黃家河為輸水主干河道，區(qū)域多處存在的斷頭河[20]分流比很小.

圖4 兩種流向趨勢下的河道分流比(“趨勢1”圖中藍色數(shù)字為方案3的河道分流比，紅色數(shù)字代表方案2；“趨勢2”圖中藍色數(shù)字代表方案4)

2.2 河道換水率的變化

輸水主干河道的換水率可在一定程度上反映調水對區(qū)域水動力的改善效果，換水率計算結果如圖5. 結果表明：翻水站現(xiàn)狀運行時(方案1、2)，賣魚河換水率高達86%，北斗河換水率低至11%，其余河道換水率為31%～41%，這與河道分流特征有關，由于保豐碶閘關閉，賣魚河成為翠柏河主汊且河道短，北斗河為支汊，來水大部分流入主汊使其換水率遠高于支汊. 相比翻水站現(xiàn)狀運行(方案2)，連續(xù)運行(方案3)時北斗河換水率(28%)依然最小但略有增加，其余河道換水率(78%～218%)顯著提高，這是因為來水量增加使主汊換水率增大，但來水難以到達的個別支汊換水率較低. 同樣相比于方案2，方案4中所有河道換水率(57%～211%)均明顯提高，北斗河換水率(83%)相比于前3種方案增加效果顯著，這與引排水口分布有關，東部新增2個排水口使區(qū)域引-排水路線增多，水體之間的混摻作用增強，換水率增大，并且靠近排水口的河道換水率較大.

圖5 不同調水情況下的河道換水率

2.3 槽蓄量的變化

分析河道槽蓄量在流域開發(fā)、航道清淤、防洪減災及河道整治等方面有重要意義[21]，調水過程通常會改變槽蓄量，因此在增大內河徑流量，加快水體流動性的同時，務必減少對槽蓄量的干擾，以保證航運、防止漫灘、達到水位低波動. 各方案下的槽蓄量變化情況如表3，引水范圍及水量分布情況如圖6. 結果表明：在不開啟沿江閘的工況下(前3種方案)，河網(wǎng)區(qū)整體水位抬高，槽蓄量變化值表現(xiàn)為：方案1(1739 m3)<方案2(6689 m3)<方案3(7109 m3)，且前3種方案對槽蓄量的干擾較小，增加率均在0.2%左右，其中方案3引水服務范圍較大，方案2次之. 結合沿江閘聯(lián)合調度時(方案4)，引水服務范圍最大，但整體水位下降幅度較大，槽蓄量下降率達6.4%.

表3 不同調水情況下的槽蓄量變化值

圖6 不同調水情況下的引水服務范圍與水量(m3)分布情況(藍色箭頭代表進水；紅色箭頭代表出水)

3 討論

3.1 探討最佳調水調控方案

根據(jù)不同引調水工況下水量分配及水動力運行結果，本研究中方案4的換水效果最佳，但槽蓄量變化率最大，前3種方案下的槽蓄量變化率較小且相差不大(0.23%～0.26%). 相比于方案2，方案3中輸水主干河道換水率的極差增大2.5倍，達190%，局部換水率提高現(xiàn)象顯著，且引水服務范圍與方案2相差不大，故綜合水動力改善效果、槽蓄量變化以及投入產出率，方案2為當前引調水最優(yōu)方案. 另外，引、排水閘門的閘控方式?jīng)Q定了水動力明顯改善的區(qū)域，若考慮不同目標區(qū)域的水動力改善，引、排水閘門以及內河節(jié)制閘不同的閘控方案對管理更有價值，因此方案1～4分別對應不同區(qū)域水動力提高的工況.

3.2 不同響應目標下調水引流工程改善平原河網(wǎng)水動力效果辨析

平原河網(wǎng)地區(qū)在開展污染源治理的基礎上，依靠調水引流工程激活水流、改善水動力成為水環(huán)境治理的關鍵，河道分流比與換水率是調水過程中兩個主要的水動力條件指標，在作為不同調水工況運行效果的評價因子之外，研究結果亦是推進了其他相關研究的開展，分別以河道分流比、換水率為響應目標展開討論.

3.2.1 以分流比為響應目標 分流比是河道的連通指標之一[19]，反映了河網(wǎng)區(qū)水系的連通性. 普遍存在個別小支汊及斷頭河的分流比較小，過水寬度大的支汊分流比較大的現(xiàn)象，分流比相對較小的河道制約了水力連通性. 在河道治理工程中，對河道進行填埋、拓寬將會間接影響河道分流比，從提升河網(wǎng)區(qū)水系連通性的角度，對相關河道進行拓寬疏浚，以增加河道的過流能力，同時結合區(qū)域調水引流工程，利于河網(wǎng)區(qū)水力流動性的提高. 另外，在對河道進行整治而改變河床邊界后，上下游的物質能量傳遞發(fā)生改變，河流通過自身調整演變并遵循最小能耗率原理趨向于新的平衡狀態(tài)[22-23]. 從能量角度來看，分流比一般表征河汊具有的能量[15]，因此分流比的分析為進一步探究河流系統(tǒng)能量耗散規(guī)律奠定基礎，為分汊河道的治理提供科學依據(jù).

河道分流比亦反映了河道的輸水能力，河網(wǎng)概化原則便是以河道輸水能力為依據(jù)，對不同輸水能力的河道采取不同的概化方式以反映實際河網(wǎng)的水力特性. 野外原型同步監(jiān)測結果為數(shù)值模擬中河網(wǎng)概化部分作指導，將輸水主干河道以及分流比較大的河道作為單一河道參與模型計算；分流比較小的小河道結合附近河道進行合并，海曙區(qū)輸水主干河道主要為翠柏河、賣魚河、北斗河、護城河、黃家河，分流比較小的河道以斷頭河居多；對于分流比接近零的小河道、小湖泊，將其概化為調蓄水面，區(qū)域內小規(guī)模的湖泊只有月湖. 由此得到的概化河網(wǎng)與天然河網(wǎng)輸水能力以及水面率相近，避免因次級河道資料不全而弱化河網(wǎng)概化密度，環(huán)境數(shù)值模型中河網(wǎng)概化密度是影響模擬精度的因素之一，為合理確定河網(wǎng)概化密度，縮小與自然狀態(tài)下河網(wǎng)結構的偏離，對輸水能力小的河道予以并聯(lián)概化的同時，盡量減小被概化河道的數(shù)量[24]，因此掌握河道的輸水能力對優(yōu)化河網(wǎng)概化密度以進一步減小模擬偏差有參考意義.

3.2.2 以換水率為響應目標 在湖泊水體交換評估中，通常以水齡來定量反映水體交換程度[25]，李一平[25]通過水齡的時空分布研究“引江濟太”調水工程對太湖水動力的影響，發(fā)現(xiàn)湖水交換存在時空非均質性. 在平原河網(wǎng)的調水過程中也出現(xiàn)類似的規(guī)律，引排水口單一的調水工況下，區(qū)域水動力改善效果不明顯，河道水體循環(huán)程度不足；僅增加單一引水口的來水量使部分河道流動性增強，其中輸水主干河道的流量劇增，但個別支汊過水量仍然偏小，河網(wǎng)區(qū)存在一些“死角”區(qū)域，其水動力改善效果甚微；多個引、排水口聯(lián)合調度的工況下，河網(wǎng)區(qū)水動力改善效果明顯的區(qū)域受到引排水口位置的影響，其中引水口與排水口距離較短的區(qū)域，水動力改善效果顯著，但同時制約了來水水流擴散的態(tài)勢，引-排水路線短的格局削弱了來水活水的作用，使調水服務范圍縮小. 可見調水過程中平原河網(wǎng)區(qū)存在局部區(qū)域換水率提高的現(xiàn)象，即換水率的空間異質性，這種差異主要與平原河網(wǎng)斷頭河的存在、引排水口分布以及引水流量密切相關，因此在增加引水流量的同時，引排水口的連線應盡可能貫通整個研究區(qū)域，該格局有助于整體換水率的提高而降低空間異質性的影響.

河網(wǎng)區(qū)換水率低的河道可能成為水體富營養(yǎng)化風險比較大的區(qū)域，可基于換水率識別出河網(wǎng)區(qū)富營養(yǎng)化高發(fā)區(qū)，為區(qū)域水域健康情況提出預警，對進一步探究平原河網(wǎng)水動力改善促進水環(huán)境質量提升提供基礎. 鑒于河網(wǎng)區(qū)換水率的空間異質性，斷頭河一般為引調水工程難以覆蓋到的區(qū)域，易出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象[20]，可統(tǒng)籌局部與整體的關系，推進斷頭河水環(huán)境治理研究的開展，利于特殊水動力特征河道治理和區(qū)域水環(huán)境管控. 另外，數(shù)值模擬中水動力模塊是其他模塊的基礎，野外監(jiān)測數(shù)據(jù)及研究結果亦是為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐.

4 結論

1)平原河網(wǎng)水動力改善效果與引排水口分布、引水流量密切相關. 引水口與排水口距離短的格局對水流擴散不能起到積極作用，為保證河網(wǎng)區(qū)水體交換良好，在增加引水流量的同時，引排水口的連線應盡可能貫通整個區(qū)域.

2)平原河網(wǎng)水動力改善效果可通過河道換水率來反映，換水率具有空間異質性，這種差異主要與斷頭河的存在、引排水口分布以及引水流量有關. 引調水工程能夠改善分流能力大的支汊的水動力特征，而對分流能力小的支汊及斷頭河的水動力狀況幫助不大.

3)河網(wǎng)換水率提高、槽蓄量變化率減小是區(qū)域水動力改善的必要條件，故北部、西部引水與南部排水的調水方式(方案2)為當前引調水最優(yōu)方案，若考慮不同的局部區(qū)域水動力改善，引、排水閘門以及內河節(jié)制閘不同的閘控方案對管理更有價值. 另外在引水時要保證入流水質優(yōu)于受納水體. 跟以往只用換水率評價調水對區(qū)域水動力影響的做法相比，以槽蓄量變化率作為約束條件，使評價結果更合理.

4)河道分流比反映河道的輸水能力，對優(yōu)化河網(wǎng)概化密度以減小模擬偏差有參考意義，并為河流系統(tǒng)能量耗散規(guī)律的研究奠定基礎. 基于換水率可識別出河網(wǎng)區(qū)富營養(yǎng)化高發(fā)區(qū)，為進一步探究平原河網(wǎng)水動力改善促進水環(huán)境質量提升提供基礎.