王 鵬,華祖林,褚克堅(jiān),董越洋

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

河流作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其流量和水位應(yīng)能滿(mǎn)足和維持河流基本結(jié)構(gòu)形態(tài)、棲息地、魚(yú)類(lèi)通道、水生生物生長(zhǎng)、景觀娛樂(lè)與河道外取用水、水熱、水沙與水鹽平衡等多方面的基本需求。美國(guó)漁業(yè)保護(hù)協(xié)會(huì)在研究魚(yú)類(lèi)產(chǎn)量與河流流量定量關(guān)系研究中，最早提出了河流最小環(huán)境流量的概念。隨后學(xué)者們從生態(tài)系統(tǒng)的不同角度，探討和細(xì)化了生態(tài)流量的內(nèi)涵，提出了各種相關(guān)概念，如low flow、reserved water、environment water、environment flow、instream flow等。目前生態(tài)水量計(jì)算方法大致可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法[1]和生態(tài)功能設(shè)定法[2]4類(lèi)。水文學(xué)法是依據(jù)水文指標(biāo)對(duì)長(zhǎng)序列歷史流量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，通常取平均流量的百分比推求河流生態(tài)需水量，主要包括Tennant法[3]、7Q10法[4]、NGPRP法[5]以及變異范圍法[6]等；水力學(xué)法是基于水力學(xué)原理，應(yīng)用河流幾個(gè)斷面的水力參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(水深、寬度、流速、濕周等)分析流量與生物生境指示因子的關(guān)系，從而確定生態(tài)環(huán)境需水量，主要包括濕周法[7]、R2CROSS法[8]和生態(tài)水力半徑法[9]等；生境模擬法將河流流量的變化與特定物種棲息地選擇趨向相結(jié)合，逐一確定某流量系列下各情景可利用的棲息地面積，繪制棲息地面積與河流流量的關(guān)系曲線，根據(jù)最大棲息地面積確定適宜的河流流量，主要包括河流內(nèi)流量增量法[10]等；生態(tài)功能設(shè)定法將河流生態(tài)需水劃分為幾個(gè)部分，分別計(jì)算各部分生態(tài)需水，然后按照一定的原則進(jìn)行整合[2]。

長(zhǎng)三角地區(qū)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍、開(kāi)放程度最高、創(chuàng)新能力最強(qiáng)的區(qū)域之一，城鎮(zhèn)化水平發(fā)展迅猛，城市河流占比快速提高。與天然河流相比，城市河流水文過(guò)程及污染物遷移路徑受到人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，需要從其特點(diǎn)與實(shí)際情況出發(fā)，確定河流生態(tài)需水目標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算生態(tài)需水量。首先，城市河流集合了大量人工要素，呈現(xiàn)出非天然的空間面貌，如垂直化岸際、直線化水道、橋梁等。并且為了強(qiáng)化防洪、景觀等功能，通常建有閘門(mén)、泵站，受水利工程調(diào)控影響，水力交換互通能力顯著退化。因此，維持城市河道連通性、流動(dòng)性及其廊道通道功能，是其最基本的河流完整性需求。其次，城市河流基本沒(méi)有珍稀、瀕危水生生物種群分布，浮游生物、水生植物與魚(yú)類(lèi)等游泳動(dòng)物均為常見(jiàn)廣譜品種，底棲生物通常以中度耐污到高度耐污能力種群為主，生物多樣性相對(duì)較差。魚(yú)類(lèi)和岸灘大型水生植物棲息地維護(hù)是城市河流水生生境功能的集中體現(xiàn)。再次，在維持水生生物生境、物質(zhì)和能量通道、自?xún)艉推琳系壬鷳B(tài)功能的基礎(chǔ)上，需要綜合考慮城市河流的景觀、休閑娛樂(lè)、文化等生態(tài)功能。這類(lèi)功能始于人們對(duì)河流的景觀美學(xué)感受，尤為注重視覺(jué)感知和嗅覺(jué)體驗(yàn)，這要求城市河流保持一定的水面面積、水深和水質(zhì)條件。最后，城市河流沿岸人類(lèi)活動(dòng)呈現(xiàn)密集化和多樣化特征，社會(huì)服務(wù)功能已成為當(dāng)前城市河流功能的主體屬性，除了防洪、航運(yùn)與景觀娛樂(lè)等功能外，城市河流還承擔(dān)向沿岸水系補(bǔ)水、提升區(qū)域水體流動(dòng)性的任務(wù)。然而，城市化引發(fā)的水文過(guò)程改變及水資源高度開(kāi)發(fā)利用，可能導(dǎo)致非汛期城市河道水位和流量無(wú)法滿(mǎn)足生態(tài)水量需求，如何在防洪、供水調(diào)度實(shí)踐的基礎(chǔ)上，優(yōu)化非汛期水利工程調(diào)控模式，構(gòu)建城市河網(wǎng)水系綜合調(diào)度體系，成為保障城市河流生態(tài)需水量，提高水體自?xún)裟芰?，改善河道生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要舉措。目前，圍繞引水調(diào)控改善水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境狀況，開(kāi)展了大量的工程實(shí)踐[11-13]及數(shù)值模擬[14-16]研究?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及模型預(yù)測(cè)結(jié)果均表明，通過(guò)科學(xué)調(diào)度水利工程，實(shí)現(xiàn)水體聯(lián)動(dòng)循環(huán)及有序流動(dòng)，可有效改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，提高河湖生態(tài)水量保障程度，發(fā)揮顯著的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益[17-18]。然而，現(xiàn)有研究多關(guān)注水利工程調(diào)控的水質(zhì)改善效果，缺少對(duì)生態(tài)水位及生態(tài)流量保障程度的分析和探討；同時(shí)，大多數(shù)預(yù)測(cè)情景方案僅針對(duì)水量調(diào)控措施或截污措施，沒(méi)有考慮兩者共同作用對(duì)生態(tài)水量保障及水質(zhì)改善的協(xié)同驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。

本研究以長(zhǎng)三角高度城鎮(zhèn)化地區(qū)——南京市秦淮河流域下游地區(qū)水系為例，采用生態(tài)功能設(shè)定法[2]，從河流連通性、水生生物生境、景觀娛樂(lè)、供水、水質(zhì)功能等方面綜合考慮，分別計(jì)算各部分生態(tài)需水量，匯總得到各河段生態(tài)基流和生態(tài)水位。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建秦淮河流域水系水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)水利工程及截污措施的調(diào)控效果進(jìn)行多情景模擬，評(píng)估水生態(tài)及水環(huán)境調(diào)控目標(biāo)的滿(mǎn)足程度，遴選生態(tài)水量保障率和水質(zhì)改善效果最佳的調(diào)控方案，提出適用于城市河道非汛期水文特征的生態(tài)及環(huán)境調(diào)控模式。

1 計(jì)算方法

1.1 城市河網(wǎng)水系生態(tài)需水量

將城市河流生態(tài)需水劃分為河流連通性需水、水生生物生境需水、景觀娛樂(lè)需水、河道供水、環(huán)境需水等，分別采用表1所列方法計(jì)算各部分生態(tài)需水量，最后匯總得到生態(tài)流量和生態(tài)水位[19]。

1.2 水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

1.2.1模型簡(jiǎn)介

利用基于雙對(duì)象共享結(jié)構(gòu)的數(shù)字流域系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建秦淮河水系水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，該系統(tǒng)平臺(tái)將模型對(duì)象與GIS對(duì)象無(wú)縫融合，提出了“地理對(duì)象-模型要素-方案管理”三層數(shù)據(jù)架構(gòu)，能夠簡(jiǎn)化建模流程，提升模型計(jì)算和系統(tǒng)運(yùn)行效率[20]。目前，該平臺(tái)已成功應(yīng)用于太湖流域、淮河流域、里下河地區(qū)等多個(gè)復(fù)雜河網(wǎng)水系的水文過(guò)程演變、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)、水環(huán)境治理方案優(yōu)化、突發(fā)水污染預(yù)警等研究領(lǐng)域。

表1 城市河道生態(tài)需水量計(jì)算方法Table 1 Calculation method of urban river ecological water demand

系統(tǒng)模型庫(kù)由流域水文模型、污染負(fù)荷模型、水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型組成，可用于模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)及污染物輸移時(shí)空變化特征[20]。水文模型分為山丘區(qū)水文模型和平原區(qū)水文模型，其中山丘區(qū)產(chǎn)匯流模擬采用三層蒸發(fā)的三水源新安江模型，平原區(qū)水文模型將研究區(qū)下墊面分為水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)4種土地利用類(lèi)型，水田產(chǎn)流量按田間水量平衡原理確定，旱地產(chǎn)流計(jì)算采用三水源新安江模型，城鎮(zhèn)建設(shè)用地進(jìn)一步分為透水層、具有填洼的不透水層和不具有填洼的不透水層3類(lèi)。污染負(fù)荷模型由產(chǎn)生模塊和處理模塊構(gòu)成，其中產(chǎn)生模塊估算各種污染源的產(chǎn)生量，包括4種計(jì)算模式，分別是PROD、UNPS、DNPS和PNPS，處理模塊計(jì)算污染源經(jīng)過(guò)各種污染治理措施處理后，進(jìn)入水體的污染負(fù)荷?；谑ゾS南方程組構(gòu)建河網(wǎng)水動(dòng)力模型，采用四點(diǎn)線性隱式差分格式進(jìn)行數(shù)值離散，三級(jí)聯(lián)解法求解。一維河網(wǎng)水質(zhì)模型采用基于非充分摻混假定的有限體積法求解。

1.2.2研究區(qū)概況

秦淮河是長(zhǎng)江下游右岸支流。古稱(chēng)龍藏浦，漢代起稱(chēng)淮水，唐以后改稱(chēng)秦淮。秦淮河有南北兩源，南源溧水河發(fā)源于南京市溧水區(qū)東廬山，北源句容河發(fā)源于句容市寶華山南麓，兩河在南京市江寧區(qū)方山埭西北村匯合成秦淮河干流，繞過(guò)方山向西北至外郭城城門(mén)、上坊門(mén)從東水關(guān)流入南京城，由東向西橫貫?zāi)暇┲鞒?，南部從西水關(guān)流出，注入長(zhǎng)江。秦淮河流域涉及南京、鎮(zhèn)江兩市及所轄溧水、句容兩縣(區(qū))，流域總面積2 684 km2，其中南京境內(nèi) 1 761 km2(占66%)，鎮(zhèn)江句容境內(nèi)923 km2(占34%)。流域地勢(shì)東南高、西北低，上游句容河與溧水河發(fā)源于丘陵山區(qū)，為山丘型河道，下游大部分地區(qū)地勢(shì)較低。

研究區(qū)位于秦淮河流域下游地區(qū)，包括前垾村水文站下游的秦淮河干流沿線地區(qū)，為秦淮河干流、外秦淮河和秦淮新河組成的樹(shù)狀河網(wǎng)水系。根據(jù)流域地形高程，確定研究區(qū)范圍共計(jì)531.2 km2，研究區(qū)的水利控制樞紐主要包括位于秦淮新河入江口的秦淮新河樞紐、外秦淮河武定門(mén)樞紐和下游入江口三汊河口閘，水系可分為秦淮河干流前垾村至河定橋段、秦淮河干流河定橋至武定門(mén)樞紐段、外秦淮河(武定門(mén)樞紐至三汊河口閘)、秦淮新河(河定橋至秦淮新河樞紐)4個(gè)河段，為了描述方便，分別命名為A段、B段、C段、D段(圖1)。研究區(qū)內(nèi)設(shè)有前垾村水文站及東山、三汊河閘、秦淮新河閘3座水位站，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)包括洋橋、天元路橋、鐵心橋、七橋甕、石城橋、節(jié)制閘、三汊河口(圖1)。

采用研究區(qū)水系矢量圖和實(shí)測(cè)大斷面資料，對(duì)河流走向及斷面尺寸進(jìn)行概化，概化河道長(zhǎng)度51.42 km，斷面253個(gè)，水利樞紐3座，過(guò)閘流量根據(jù)上下游水位采用水力學(xué)方法模擬。根據(jù)產(chǎn)匯流特征，將研究區(qū)進(jìn)一步劃分為1個(gè)平原區(qū)及4個(gè)山丘區(qū)，其中平原區(qū)面積380.5 km2，山丘區(qū)面積 150.7 km2。將沿線主要支流和排澇泵站概化為排污口，結(jié)合流域污染源分布情況，共概化污水處理廠排污口6個(gè)，其他排污口32個(gè)。

1.2.3模型率定與驗(yàn)證

選取東山站作為水動(dòng)力模型率定與驗(yàn)證站點(diǎn)，選取天元路橋、鐵心橋、七橋甕、石城橋作為水質(zhì)率定與驗(yàn)證站點(diǎn)。以前垾村水文站流量過(guò)程及洋橋站水質(zhì)濃度過(guò)程作為上游水量及水質(zhì)邊界條件，以三汊河閘、秦淮新河閘水位過(guò)程及節(jié)制閘、三汊河口水質(zhì)濃度過(guò)程作為下游水量及水質(zhì)邊界條件，分別采用2017年5—7月及8—9月的水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料，對(duì)河網(wǎng)水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。采用納什效率系數(shù)NSE及百分比誤差PB表征水位實(shí)測(cè)值與模擬值之間的偏差程度。NSE的范圍為(-∞, 1]，1代表觀測(cè)和模擬流量的完美匹配，PB的最佳值為0。如果NSE>0.50，且|PB|<25%，一般認(rèn)為模擬結(jié)果是令人滿(mǎn)意的。東山站水位率定及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 研究范圍及水系分布Fig.1 Research scope and water system distribution

表2 水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度率定和驗(yàn)證誤差分析Table 2 Error analysis of calibration and validation results of water quality index quality concentrations

結(jié)果表明，2017年5—7月東山站水位預(yù)測(cè)結(jié)果的NSE為0.976，PB為0.363%，總體率定效果較好，誤差主要出現(xiàn)在6月8—9日強(qiáng)降雨條件下的峰值水位，由于采用日降水量作為輸入條件，無(wú)法反映降雨強(qiáng)度的逐時(shí)變化過(guò)程，因此，峰值水位的模擬效果相對(duì)較差。8—9月驗(yàn)證結(jié)果的NSE和PB分別為0.982和0.209%，略好于5—7月。

圖2 東山站水位率定和驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Calibration and validation results of waterlevels of Dongshan gauging station

由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量較少，采用實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均值衡量水質(zhì)模型預(yù)測(cè)精度。水質(zhì)指標(biāo)濃度率定和驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)，2017年5—7月COD、氨氮、TP和DO質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均值分別為19.93%、26.59%、10.80%和21.40%，率定效果相對(duì)較好的水質(zhì)指標(biāo)為T(mén)P、COD和DO，其中TP和COD相對(duì)誤差均值小于20%。驗(yàn)證效果較好的水質(zhì)指標(biāo)是TP和DO，相對(duì)誤差均值小于15%。

1.2.4調(diào)控效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

a.生態(tài)基流保障率。生態(tài)流量保障程度的定義大致分為2種:第一種為實(shí)際徑流量與生態(tài)流量的比值；第二種以實(shí)際流量大于生態(tài)流量的歷時(shí)占序列總歷時(shí)的比值。本研究采用第二種方法計(jì)算生態(tài)基流保障率，公式為

(1)

其中

式中：Ieq為生態(tài)基流保障率，%；N為統(tǒng)計(jì)天數(shù)；qsk和qek分別為第k天流量預(yù)測(cè)值和生態(tài)流量，m3/s。

b.生態(tài)水位保障率。與生態(tài)基流保障率類(lèi)似，生態(tài)水位保障率定義為實(shí)際水位大于生態(tài)水位的歷時(shí)占序列總歷時(shí)的比值。公式為

(2)

其中

式中：Zeq為生態(tài)水位保障率，%；Zsk和Zek分別為第k天水位預(yù)測(cè)值和生態(tài)水位，m。

c.水質(zhì)改善率。水體水質(zhì)改善率計(jì)算公式為

(3)

式中：Iwq為水體水質(zhì)改善率，%；ρa(bǔ)為工程調(diào)度后某水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L；ρb為工程調(diào)度前某水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L。為了衡量區(qū)域水質(zhì)平均改善狀況，采用各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)改善程度的平均值表征水質(zhì)平均改善率。

d.水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。水質(zhì)達(dá)標(biāo)率定義為水質(zhì)指標(biāo)濃度不超出河流水功能區(qū)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的歷時(shí)與時(shí)間序列總長(zhǎng)度的比值，計(jì)算公式為

(4)

其中

式中：Iwqr為水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，%；ρsk和ρpk分別為第k天某項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)值和預(yù)測(cè)值，mg/L。水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率取各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)水量計(jì)算結(jié)果

研究區(qū)水系各河段生態(tài)流量和生態(tài)水位[19]的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

2.2 調(diào)控方案

2.2.1備選方案集

根據(jù)生態(tài)水量計(jì)算成果，綜合考慮不同截污方案、調(diào)控水位及引水流量的差異，擬定了21組備選生態(tài)調(diào)控方案，利用經(jīng)過(guò)率定驗(yàn)證的水量水質(zhì)模型對(duì)各方案的調(diào)控效果進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。通過(guò)對(duì)研究區(qū)水系結(jié)構(gòu)及水流流向分析，秦淮新河引水對(duì)A段水質(zhì)改善及生態(tài)水量提升效果非常有限，因此，引水方案考慮秦淮新河泵引及上游引水兩種途徑，具體生態(tài)調(diào)控方案及引水流量見(jiàn)表5。

2.2.2計(jì)算條件

統(tǒng)計(jì)東山雨量站1952—2017年的年降水量，采用P-Ⅲ型曲線對(duì)其進(jìn)行頻率分析，得到該站降水頻率90%的年降水量為758.4 mm，與之對(duì)應(yīng)的枯水典型年為1995年(777.9 mm)。因此，將典型年非汛期(1—4月及10—12月)的日降水量作為調(diào)控方案計(jì)算的雨情條件。根據(jù)2017年污染源調(diào)查結(jié)果，結(jié)合用水量及污水排放量分析，計(jì)算得到研究區(qū)2017年污水接管率為77.8%。按照南京地區(qū)治污規(guī)劃和污水排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定污水接管率提高至95%和98%的情景。對(duì)于水量邊界條件，通過(guò)統(tǒng)計(jì)1997—2017年前垾村月平均流量過(guò)程，采用P-Ⅲ型曲線對(duì)非汛期各月的平均流量進(jìn)行頻率分析，將90%保證率的月均流量值作為秦淮河干流的邊界條件。對(duì)于上游引水方案(T01～T04)，按A段生態(tài)基流流量作為秦淮河干流流量邊界。根據(jù)秦淮新河水利樞紐泵站規(guī)模，將多種泵引流量作為秦淮新河流量邊界條件，下游邊界條件采用三汊河閘控制水位。根據(jù)秦淮河干流和秦淮新河的水環(huán)境功能區(qū)劃，分別以 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為情景模擬的水質(zhì)邊界條件。

表3 研究區(qū)水系各河段生態(tài)流量Table 3 Ecological flows of each reaches ofwater system in study area

表4 研究區(qū)水系各河段生態(tài)水位Table 4 Ecological water levels of each reachesof water system in study area

表5 生態(tài)調(diào)控方案集Table 5 Ecological control scheme set

2.3 調(diào)控效果評(píng)估

將各調(diào)控方案的水位預(yù)測(cè)結(jié)果與生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)得到各河段生態(tài)水位保障率。受秦淮河水系景觀控制水位限制，最低調(diào)控水位為6.8 m，即無(wú)論秦淮新河是否引水，均能滿(mǎn)足生態(tài)水位需求。因此，重點(diǎn)討論水位調(diào)控、引水流量、污水接管率對(duì)生態(tài)流量及河網(wǎng)水質(zhì)的影響。各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)均采用流量及水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)結(jié)果的日均值統(tǒng)計(jì)得到。

2.3.1水位調(diào)控方案

圖3(a)為D04～D07方案的生態(tài)基流保障率，可見(jiàn)，無(wú)論怎樣改變東山站控制水位，均無(wú)法使A段流量滿(mǎn)足生態(tài)基流需要。此時(shí)，秦淮新河泵引流量為50 m3/s，B段、C段、D段均能滿(mǎn)足其生流基流閾值。取COD、氨氮、總磷、溶解氧4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)改善率的平均值，以D01方案作為參比方案，計(jì)算在秦淮新河泵引流量為50 m3/s，東山站的不同控制水位條件下，D04～D07方案各河段的平均水質(zhì)改善率，見(jiàn)圖3(b)。

由圖3可見(jiàn)，各河段水質(zhì)改善率均隨調(diào)控水位的降低略有上升，但是上升幅度較小，說(shuō)明通過(guò)改變控制水位，可以略微提高河道水質(zhì)改善率。這主要是因?yàn)榻档涂刂扑?，可以適當(dāng)增加武定門(mén)樞紐的開(kāi)閘時(shí)間，提高河網(wǎng)水體流動(dòng)性，提升河道稀釋擴(kuò)散能力及水體自?xún)裟芰Α５窃诓桓淖冋{(diào)水流量的前提下，水位調(diào)控措施對(duì)水質(zhì)的改善效果非常有限。

2.3.2引水調(diào)控方案

圖4為現(xiàn)狀污染源條件下，不同引水方案的生態(tài)基流保障率和水質(zhì)改善率。由圖4(a)可見(jiàn)，對(duì)于B段、C段、D段，生態(tài)基流保障率均隨秦淮新河及上游引水量的增加而增大。當(dāng)泵引流量增加到 10 m3/s時(shí)，C段的生態(tài)基流保障率已接近100%，泵引流量進(jìn)一步增加到30 m3/s時(shí)，B段和D段生態(tài)基流保障率接近100%。此外，所有秦淮新河泵引方案均無(wú)法滿(mǎn)足A段生態(tài)基流，必須配合上游引水方案(T01～T04)。

(a) 生態(tài)基流保障率

(b) D04～D07方案平均水質(zhì)改善率圖3 不同水位調(diào)控方案的生態(tài)基流保障率和水質(zhì)改善率Fig.3 Ecological flow guarantee rates and water qualityimprovement rates of different water level control schemes

(a) 生態(tài)基流保障率

(b) 水質(zhì)改善率圖4 不同引水調(diào)控方案的生態(tài)基流保障率和水質(zhì)改善率Fig.4 Ecological flow guarantee rates and water qualityimprovement rates of different water transfer schemes

由圖4(b)可見(jiàn)，在現(xiàn)狀污染源條件下，與D01方案相比，各河段水質(zhì)隨引水流量增加均有不同程度的改善，平均水質(zhì)改善率介于0.3%～62.2%。其中C段改善最為明顯，平均水質(zhì)改善率為16.29%～62.2%，說(shuō)明調(diào)水引流措施對(duì)水質(zhì)改善具有明顯效果，但水質(zhì)改善率增幅隨泵引流量加大呈下降趨勢(shì)。此外，秦淮新河調(diào)水措施對(duì)A段水質(zhì)幾乎沒(méi)有改善效果，必須配合上游引水或截污措施，才能使A段水質(zhì)得到改善。

2.3.3截污方案

截污方案無(wú)法提高生態(tài)基流保障率，因此僅分析對(duì)水質(zhì)改善率和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的影響。以D01方案作為對(duì)照方案，計(jì)算不同截污條件下，D03、D11、D16方案的平均水質(zhì)改善率及水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，見(jiàn)圖5。此時(shí)，秦淮新河泵引流量為30 m3/s，除A段外，其他河段流量可以滿(mǎn)足生態(tài)基流需求。

(a) 水質(zhì)改善率

(b) 水質(zhì)達(dá)標(biāo)率圖5 不同截污方案的水質(zhì)改善率和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率Fig.5 Water quality improvement rates and compliancerates of different pollution control schemes

由圖5(a)可見(jiàn)，各河段水質(zhì)隨污水接管率的增加均有不同程度的改善，平均水質(zhì)改善率介于0.4%～72.9%。其中，A段平均水質(zhì)改善率最低，但是水質(zhì)改善率增幅最為顯著，明顯優(yōu)于水位調(diào)控及調(diào)水措施，隨著污水接管率增加到98%，平均水質(zhì)改善率由0.4%提升到37.2%。此外，截污措施對(duì)不同河道水質(zhì)改善效果存在明顯差異，秦淮新河調(diào)水引流對(duì)A段水質(zhì)幾乎沒(méi)有改善效果，截污措施對(duì)其水質(zhì)改善率的貢獻(xiàn)卻非常明顯。然而，對(duì)于B段、C段、D段，調(diào)水與截污措施的水質(zhì)改善效果均較為明顯，并且，B段和C段水質(zhì)改善率隨接管率提高呈線性上升，說(shuō)明與調(diào)水引流措施相比，截污措施對(duì)B段和C段水質(zhì)改善影響更加顯著。

由圖5(b)可見(jiàn)，C段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率受截污措施影響最為顯著，與C段現(xiàn)狀污染負(fù)荷較高有關(guān)。提高污水接管率可以顯著提升該河段的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。單靠補(bǔ)水措施使C段水質(zhì)達(dá)標(biāo)，秦淮新河泵引流量需要達(dá)到50 m3/s(D04方案)，當(dāng)接管率提高到95%，泵引流量?jī)H需10 m3/s(D09方案)，即可使C段水質(zhì)達(dá)標(biāo)。截污措施雖然對(duì)A段水質(zhì)的改善效果較為明顯，但對(duì)A段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率沒(méi)有貢獻(xiàn)，這是因?yàn)槌耸軈^(qū)間污染源匯入的影響，A段水質(zhì)主要受上游來(lái)流水質(zhì)狀況控制，如果上游地區(qū)污染負(fù)荷無(wú)法削減，A段水質(zhì)達(dá)標(biāo)較為困難。

通過(guò)對(duì)比各河段月平均流量與生態(tài)基流量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，如果僅實(shí)施上游補(bǔ)水措施，需補(bǔ)水34～51 m3/s，才能滿(mǎn)足流域生態(tài)基流需求；若同時(shí)考慮上游補(bǔ)水和秦淮新河引水措施，則上游補(bǔ)水6～17 m3/s，秦淮新河引水流量達(dá)到30 m3/s，可以滿(mǎn)足枯水年非汛期生態(tài)基流需求。此外，在現(xiàn)狀污染源條件下，秦淮新河引水流量達(dá)到50 m3/s，能夠使秦淮新河、外秦淮河、秦淮河下游水質(zhì)滿(mǎn)足相應(yīng)水功能區(qū)要求；當(dāng)污水接管率提高到95%，泵引流量達(dá)到10 m3/s，即能使上述河道滿(mǎn)足水質(zhì)要求。

3 結(jié) 論

以長(zhǎng)三角秦淮河流域下游地區(qū)水系為例，在計(jì)算高度人工化城市水系生態(tài)需水量的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建水量水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，對(duì)水量調(diào)控及截污措施的生態(tài)水量保障及水質(zhì)改善協(xié)同驅(qū)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行情景模擬，提出適用于高度城鎮(zhèn)化地區(qū)非汛期水文特征的生態(tài)調(diào)控模式。結(jié)果表明，水位調(diào)控措施對(duì)水質(zhì)改善的影響非常有限，在枯水年非汛期條件下無(wú)法保障研究區(qū)各河段生態(tài)基流需求；引水方案的生態(tài)基流保障及水質(zhì)改善效果較為明顯，但水質(zhì)改善率增幅隨引水流量增加呈下降趨勢(shì)；截污措施水質(zhì)改善效果優(yōu)于水位調(diào)控及引水措施，但存在顯著的空間異質(zhì)性，且無(wú)法提高生態(tài)基流保障率。綜合各方案計(jì)算結(jié)果，當(dāng)研究區(qū)污水接管率提高到95%，秦淮新河引水流量達(dá)到30 m3/s，上游補(bǔ)水6～17 m3/s，可在枯水年非汛期同時(shí)滿(mǎn)足水質(zhì)要求及生態(tài)基流需求。因此，將秦淮新河引水、上游補(bǔ)水措施與區(qū)域截污控源措施相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)秦淮河水系生態(tài)基流保障及控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的最佳調(diào)控模式。