龔李莉，蔡 梅，王元元，馬農(nóng)樂

(1.太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434； 2.上海東南工程咨詢有限責任公司，上海 200434)

水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)損害已成為目前制約我國經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的突出瓶頸，在此背景下實施江河湖連通工程已成為提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善河湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況、增強抵御水旱災(zāi)害能力的一項重要舉措[1-2]。新溝河工程，即新溝河延伸拓浚工程，是國家172項節(jié)水供水重大工程，也是國務(wù)院批復(fù)的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》中安排的提高太湖流域水環(huán)境容量的骨干引排工程之一[3]。新溝河工程功能除了提高流域、區(qū)域的防洪排澇能力，減少進入太湖梅梁湖的污染負荷外，另一項重要功能是太湖梅梁湖遇突發(fā)水污染事件時，實施應(yīng)急引長江水進入梅梁湖，以應(yīng)對突發(fā)水污染事件。因此，新溝河工程科學調(diào)度是應(yīng)對太湖北部湖區(qū)突發(fā)水污染事件的重要手段，工程實際調(diào)度效果對于太湖水質(zhì)保護和突發(fā)水污染事件應(yīng)急都具有重要意義。

目前關(guān)于引調(diào)水改善河網(wǎng)水環(huán)境的研究和實踐多集中在特定引水流量、引水水質(zhì)對于河網(wǎng)水環(huán)境的改善效果。許益新等[4]以張家港市為例，揭示了不同長江潮位與內(nèi)河引水量的響應(yīng)關(guān)系、不同引水量與河網(wǎng)水質(zhì)改善效果的響應(yīng)關(guān)系，以及不同引水量與引水服務(wù)面積的響應(yīng)關(guān)系。張伊佳等[5]選取太湖下游河網(wǎng)區(qū)29個斷面氨氮和高錳酸鹽指數(shù)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合污染指數(shù)法、聚類分析法等分析了復(fù)雜水文水動力條件下的引水調(diào)控效果?，F(xiàn)有的關(guān)于新溝河工程調(diào)度效果的研究則主要圍繞工程排水調(diào)度效益或其影響。陳江海[6]利用MIKE21軟件建立了二維水流水質(zhì)模型，研究了新溝河工程排水對長江水環(huán)境的影響，認為工程排水對長江的不利影響主要在入江口附近區(qū)域，影響程度總體較小。馬農(nóng)樂等[7]針對新溝河主要控制建筑物設(shè)計了不同調(diào)度運行方案，并通過數(shù)值模擬計算了遭遇百年一遇降雨條件時不同方案下的區(qū)域河網(wǎng)水位、水量變化，分析了新溝河工程對太湖流域防洪形勢產(chǎn)生的影響。朱海生[8]結(jié)合新溝河工程試運行情況，總體闡述了工程在防洪(排澇)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境、保障供水、改善水質(zhì)等方面的有益作用。

從已有研究可以發(fā)現(xiàn)，目前針對新溝河工程調(diào)度的研究主要關(guān)注工程排水對于長江水質(zhì)的影響[9]和工程防洪調(diào)度效果，對于新溝河工程調(diào)度效果或影響的研究還不夠全面。此外，由于新溝河工程為新建工程，工程運行以來的實測水量、水質(zhì)資料十分有限，現(xiàn)有研究主要基于模型模擬結(jié)果，缺乏實測數(shù)據(jù)的支撐和驗證，對工程運行實際效果尚無定量研究。為此，本文依托2018年10—11月新溝河工程應(yīng)急調(diào)水試驗，基于試驗期間水量水質(zhì)原位監(jiān)測數(shù)據(jù)評估工程應(yīng)急調(diào)水的實際效果，以期為新溝河工程調(diào)度提供參考。

1 工程概況

新溝河工程地處太湖流域武澄錫虞區(qū)，該區(qū)位于太湖流域的北部，西與湖西區(qū)接壤，南與太湖湖區(qū)為鄰，東以望虞河?xùn)|岸為界，北濱長江。區(qū)域內(nèi)河道河底坡降普遍較小，除京杭運河外，大部分河流水流流向因降雨的豐枯、長江水位變化以及水利工程引排調(diào)度等影響表現(xiàn)為往復(fù)不定。新溝河工程全長97.47 km，河道工程北起長江，至石堰后分成東、西兩支，東支河道以立交方式穿越京杭運河、錫溧漕河后接南直湖港段入太湖，西支河道平交京杭運河后連接武進港至太湖。新溝河沿線工程較多，包括沿江的新溝河江邊樞紐，位于東支河道上的西直湖港北樞紐、西直湖港閘站樞紐、西直湖港南樞紐以及靠近太湖的直湖港閘，位于西支河道上的石堰節(jié)制閘、遙觀北樞紐、遙觀南樞紐以及靠近太湖的武進港閘，此外還有位于新溝河沿線支河上的節(jié)制閘等控制工程。研究區(qū)水系及監(jiān)測斷面分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)水系及監(jiān)測斷面分布Fig.1 The river system and distribution of monitoring sections in the study area

新溝河應(yīng)急引水是應(yīng)急處置太湖局部湖灣突發(fā)水污染事件的重要手段。根據(jù)工程調(diào)度原則，為保證引調(diào)水入太湖水質(zhì)，在引長江水之前需先使新溝河干流水質(zhì)得到改善，初期引入的長江水從新溝河沿線的支河退水入河網(wǎng)，待水質(zhì)達到要求后方可應(yīng)急引水入太湖梅梁湖。

本次應(yīng)急調(diào)水試驗期間，新溝河江邊樞紐調(diào)度分閘引、泵引兩種運行方式，當長江潮位較低時啟用泵站引水，第1～3天新溝河江邊樞紐啟用1臺泵站引水，同時根據(jù)長江潮位適時停機開閘引水，按日平均引水流量30 m3/s控制；第4～15天，新溝河江邊樞紐啟用2臺或3臺機組引水，同時根據(jù)長江潮位適時停機開閘引水。第1～3天西直湖港北樞紐地涵關(guān)閉；第4～15天西直湖港北樞紐地涵、西直湖港閘站樞紐節(jié)制閘開啟，引水入運河以南地區(qū)。新溝河兩岸支河口門建筑物，第1～3天石堰節(jié)制閘和玉祁南閘開啟，新溝河?xùn)|支運河以北沿線支河上其余節(jié)制閘關(guān)閉；第4～15天石堰節(jié)制閘開啟，靠近太湖的洋溪河?xùn)|閘(新溝河支河洋溪河上的控制工程)開啟，新溝河?xùn)|支其余支河上的節(jié)制閘關(guān)閉。入太湖的直湖港閘保持關(guān)閉。

研究區(qū)域共布設(shè)監(jiān)測斷面42處(圖1)，水量水質(zhì)同步監(jiān)測。水量監(jiān)測內(nèi)容包括新溝河干流沿程水位、流量，水質(zhì)監(jiān)測指標包括水溫、pH值、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷等。應(yīng)急調(diào)水試驗期間水質(zhì)監(jiān)測每天不少于1次，應(yīng)急調(diào)水試驗結(jié)束后開展3～5次水質(zhì)跟蹤監(jiān)測。

2 研究方法

2.1 水量分配規(guī)律

分汊河道的分流特性常用分流比表示，分流比對防洪排澇、供水、水環(huán)境保護等有重要意義[10-11]。石堰節(jié)制閘開啟狀態(tài)下新溝河?xùn)|支、西支的分流比是新溝河工程調(diào)度關(guān)注的問題之一。新溝河?xùn)|支、西支分流比計算公式分別為

(1)

(2)

式中：γE、γW分別為東支和西支河道分流比；QE、QW、Q干流分別為東支、西支和干流實測流量；QE，東柳塘、QW，石堰橋、QW，石埝橋分別為東支東柳塘斷面、西支石堰橋斷面和西支石埝橋斷面實測流量。

2.2 受水區(qū)對長江來水的響應(yīng)分析

在數(shù)值模擬中，通?？刹捎脕硭M成的方法定量分析不同水源組成情況和河道內(nèi)水體置換程度，以此表征受水區(qū)對于來水水源的響應(yīng)快慢。然而在野外原型試驗中該方法使用較為困難，因此，本文采用水體電導(dǎo)率指標變化近似推測受水區(qū)對于長江來水的響應(yīng)時間。水體電導(dǎo)率主要表示水的純度，電導(dǎo)率高說明水體中能導(dǎo)電的礦物質(zhì)含量高[12]。一般而言，長江水體電導(dǎo)率與河網(wǎng)水體電導(dǎo)率有顯著差異，如陳錫超等[13]對2008年9月5—7日(非引江濟太期間)長江、望虞河水質(zhì)進行了分析，結(jié)果顯示長江水體電導(dǎo)率明顯低于望虞河；楊浩等[14]也采用水體電導(dǎo)率變化表征長江引水對河網(wǎng)的影響，結(jié)果顯示大部分引水河道上距離長江較近的斷面，其電導(dǎo)率相對較低。本文根據(jù)監(jiān)測斷面電導(dǎo)率發(fā)生突變的時刻推測長江來水顯著影響該斷面的歷時。

2.3 水質(zhì)評價方法與評價指標

根據(jù)引調(diào)水目的和研究的重點，現(xiàn)有研究多從水質(zhì)改善、水動力改善等方面對引調(diào)水工程的調(diào)水效益進行評估[15-16]，常用的指標包括河道流速、水體換水周期、水質(zhì)改善系數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)及其衍生指標等[17-19]；部分研究為定量分析水質(zhì)指標的類別變化，采用的指標為類別變化指數(shù)[4]。本文采用水質(zhì)改善系數(shù)和類別變化指數(shù)評估引調(diào)水前后研究區(qū)水質(zhì)變化。

2.3.1水質(zhì)改善系數(shù)

計算水質(zhì)改善系數(shù)需先計算綜合污染指數(shù)。綜合污染指數(shù)計算公式[20]為

(3)

其中

Sij=ρij/ρSi

式中：P為綜合污染指數(shù)；Sij為單項污染物標準指數(shù)；ρij為評價因子i在監(jiān)測斷面j的實測質(zhì)量濃度，mg/L；ρSi為評價因子i的地表水水質(zhì)標準值，mg/L;n為評價因子的數(shù)目。

考慮到引水對河網(wǎng)的水環(huán)境影響是一個動態(tài)過程，為便于評估這種影響，采用平均水質(zhì)改善系數(shù)I和最大水質(zhì)改善系數(shù)Imax分別表征引水帶來的水質(zhì)平均改善程度和最大改善程度，計算公式如下：

(4)

(5)

選取氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷等3項指標，以Ⅲ類水作為評價標準，計算綜合污染指數(shù)、平均水質(zhì)改善系數(shù)和最大水質(zhì)改善系數(shù)。

2.3.2類別變化指數(shù)

類別變化指數(shù)屬于均值型多因子指數(shù)，反映引水前后水質(zhì)類別變化(上升或下降)的等級[21]，計算公式如下：

(6)

式中：G為類別變化指數(shù)，數(shù)值為正表示水質(zhì)類別上升，數(shù)值為負表示水質(zhì)類別下降；Gbi、Gai分別為引水前、后第i種污染物的水質(zhì)類別。

選取溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷等4項污染物指標計算水質(zhì)類別變化指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 東支、西支河道水量分配規(guī)律

應(yīng)急調(diào)水試驗期間，新溝河江邊樞紐日均引水流量為20.5～51.9 m3/s，日引水量在176.8萬～448.6萬m3之間，15 d累計引水量為5 371.3萬m3(圖2)。石堰節(jié)制閘位于新溝河西支，節(jié)制閘開啟與否將直接影響新溝河干流來水在東支、西支的分配，是影響新溝河工程引排調(diào)度效果的關(guān)鍵因素之一。

圖2 新溝河引水水量過程Fig.2 Water diversion process of Xingou River

本次應(yīng)急調(diào)水試驗過程中石堰節(jié)制閘全程處于開啟狀態(tài)，新溝河干流來水一部分向西支分流。如圖3所示，根據(jù)實測流量計算，試驗期間新溝河西支分流比為0.30～0.59，平均約為0.51；西支分流比與干流來水流量有一定正相關(guān)關(guān)系，總體上隨著新溝河干流來水流量增大，西支(石堰節(jié)制閘)分流比在一定范圍內(nèi)有增大趨勢。新溝河沿程實測流量數(shù)據(jù)顯示，受到西支分流的影響，東支靠近太湖的陸藕路橋斷面日均來水流量為6.3～16.1 m3/s，日均來水流量僅占新溝河日均引江流量的9%～22%。根據(jù)新溝河工程功能，有應(yīng)急引水需求時通過東支河道實施應(yīng)急引水，因此，未來在確有需要實施應(yīng)急引水的情況下，建議適當控制西支分流量，以保證東支河道應(yīng)急引水入湖的水量。

圖3 新溝河西支分流比隨干流來水流量變化Fig.3 Variation of diversion ratio of the west main branch of Xingou River with water inflow

3.2 受水區(qū)對長江來水的響應(yīng)

應(yīng)急調(diào)水試驗開始前一天(10月19日)，對長江新溝河段進行了水質(zhì)采樣。長江水質(zhì)總體較優(yōu)，其中，溶解氧質(zhì)量濃度為8.08 mg/L(Ⅰ類)，高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度為2.1 mg/L(Ⅱ類)，化學需氧量質(zhì)量濃度為17.4 mg/L(Ⅲ類)，氨氮質(zhì)量濃度為0.03 mg/L(Ⅰ類)，總磷質(zhì)量濃度為0.149 mg/L(Ⅲ類)，總氮質(zhì)量濃度為1.87 mg/L。

采用監(jiān)測斷面電導(dǎo)率發(fā)生突變的時刻推測長江來水顯著影響該斷面的歷時，應(yīng)急調(diào)水試驗期間，新溝河江邊樞紐15 d累計引水量為5 371.3萬m3，新溝河引水量與干流電導(dǎo)率變化見圖4。

圖4 部分斷面電導(dǎo)率隨累計引水量變化Fig.4 Variation of conductivity of some sections with the cumulative water diversion

a.運河以北區(qū)域。引水后，受長江來水影響，新溝河?xùn)|支位于京杭運河以北的各斷面由于距離來水水源較近，其電導(dǎo)率顯著降低，引水一定時間后電導(dǎo)率基本維持在300～400 μS/cm。

b.運河以南區(qū)域。為進一步分析長江來水到達運河以南的時間及引水的影響范圍，選取運河以南距離來水水源較遠的3處干流斷面進行分析。試驗第4天西直湖港北樞紐開啟后，運河以南43號陸藕路橋斷面(位于新溝河?xùn)|支)、44號張舍橋斷面(位于新溝河?xùn)|支的支河洋溪河)水體電導(dǎo)率自試驗第7天起開始出現(xiàn)顯著下降，在試驗第8天，即西直湖港北樞紐開啟并持續(xù)引水第3天(10月24日西直湖港北樞紐引水入運河以南流量較小，因此不計入持續(xù)引水歷時)后，上述斷面電導(dǎo)率基本維持在400 μS/cm左右。新溝河西支37號戴溪步行橋斷面電導(dǎo)率隨著引水的持續(xù)略有降低，但仍維持在600～800 μS/cm之間。

上述斷面水體電導(dǎo)率變化情況表明：新溝河江邊樞紐引水影響區(qū)域可覆蓋新溝河干流，新溝河引水后運河以北干流水體可得到充分置換，西直湖港北樞紐開啟并持續(xù)引水約3d后，長江來水對運河以南東支本底水量置換程度也較高；此外，受石堰節(jié)制閘開啟分流影響，長江來水對西支河道水量也有一定置換，但由于受運河分流影響，長江來水對運河以南西支的影響較小。

3.3 水環(huán)境改善效益時空特征分析

3.3.1河網(wǎng)水質(zhì)類別變化

研究區(qū)不同時間段各斷面水質(zhì)類別如圖5和圖6所示。應(yīng)急調(diào)水試驗前，研究區(qū)水質(zhì)綜合類別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類的斷面占比分別為20%、42.9%、14.3%和22.9%；第4～6天Ⅲ類斷面占比顯著增加，劣Ⅴ類斷面占比顯著減少，綜合水質(zhì)類別達到Ⅲ類的斷面占比提高至46.8%；第7～15天Ⅲ類斷面占比進一步增加，Ⅳ類～劣Ⅴ類斷面占比進一步減少，Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類斷面占比分別為68.1%、23.4%、6.4%和2.1%，綜合水質(zhì)類別達到Ⅲ類的斷面占比提高至68.1%，較背景值上升48.1%；跟蹤監(jiān)測期(第16～22天)各斷面水質(zhì)進一步提升，綜合水質(zhì)類別達到Ⅲ類的斷面比例較背景值上升52.3%?？傮w上，新溝河干流水質(zhì)類別隨著應(yīng)急調(diào)水的持續(xù)逐步提升；東支河道個別支流由于應(yīng)急調(diào)水試驗期間處于關(guān)閉狀態(tài)，其監(jiān)測斷面氨氮、總氮等指標質(zhì)量濃度小幅增大。

圖5 河網(wǎng)水質(zhì)類別占比變化Fig.5 Variation of water quality categories proportion in the river network

(a) 本底水質(zhì)

(b) 第4～6天水質(zhì)

(c) 第7～16天水質(zhì)

(d) 第16～22天水質(zhì)圖6 監(jiān)測斷面各時間段水質(zhì)分布Fig.6 Water quality distribution at monitoring sections in different periods

3.3.2水質(zhì)改善系數(shù)、類別變化指數(shù)時空特征

應(yīng)急調(diào)水試驗期間，新溝河干流各監(jiān)測斷面的平均水質(zhì)改善系數(shù)I、類別變化指數(shù)G如表1所示，其中，6號新溝橋斷面位于新溝河干流，20號東柳塘、28號萬里大橋、30號勝利橋、34號陽山大橋、43號陸藕路橋、48號湖山橋斷面位于新溝河?xùn)|支，21號石埝橋、51號橫山大橋、52號遙觀北樞紐斷面位于新溝河西支。

表1 新溝河干流各斷面平均水質(zhì)改善系數(shù)和類別變化指數(shù)Table.1 Variation of I index and G index at each section in the main stream of Xingou River

從時間變化看，第4～6天、第7～15天I值均值分別為12.3和36.5，G值均值分別為0.53和0.80，總體上各斷面I值、G值隨應(yīng)急調(diào)水的持續(xù)而逐步增大，表明隨著長江來水量的增加，新溝河干流的水環(huán)境改善效益總體逐步增強。應(yīng)急調(diào)水試驗結(jié)束后，新溝河?xùn)|支、西支I值較第7～15天略有下降，但較調(diào)水前仍有明顯改善，表明前期引水的水環(huán)境改善效益有一定的維持時間。Imax反映最佳水環(huán)境改善效果，新溝河?xùn)|支、西支各監(jiān)測斷面Imax在39.8～58.2之間，出現(xiàn)時間基本在第7～15天、第16～22天兩個時間段。

空間上則主要表現(xiàn)為兩個特征：①水質(zhì)改善效果與本底水質(zhì)有關(guān)，本底水質(zhì)越差，即本底綜合污染指數(shù)P0較大的斷面，其Imax總體較大，30號勝利橋、34號陽山大橋、51號橫山大橋、52號遙觀北樞紐斷面P0均在0.9以上，這些斷面Imax均在51以上(表1、圖7)；②斷面距離來水水源的里程對水質(zhì)改善效果有較大影響，這與前人研究的部分水利工程引調(diào)水產(chǎn)生的水環(huán)境效果研究結(jié)論一致。這一點可以從各時間段I值、Imax出現(xiàn)時間兩個角度說明，從各時間段I值分析，本底水質(zhì)狀況接近時，距離來水水源較近的斷面傾向于表現(xiàn)為較大的I值，20號東柳塘、43號陸藕路橋斷面P0均為0.53，除跟蹤監(jiān)測期外，20號斷面各時間段I值均大于43號；6號新溝橋、28號萬里大橋斷面P0接近，6號斷面各時間段I值均大于28號斷面。從Imax出現(xiàn)時間分析，新溝河?xùn)|支、西支河道上京杭運河以北斷面Imax出現(xiàn)時間基本在第7～15天，東支河道上京杭運河以南斷面Imax出現(xiàn)時間基本在第16～22天，出現(xiàn)時間與斷面距離來水水源的里程具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，總體上出現(xiàn)時間隨著里程的增加而推后(圖8，圖中縱軸出現(xiàn)時間表示Imax在第幾天出現(xiàn))。

圖7 最大改善系數(shù)與本底綜合污染指數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between Imax and P0

圖8 最大改善系數(shù)出現(xiàn)時間與斷面距離來水水源里程關(guān)系Fig.8 Relationship between occurrence time of Imax and the distance between the section and the water source

4 結(jié) 論

a.應(yīng)急調(diào)水試驗期間新溝河西支分流比在0.30～0.59，受到西支分流的影響，新溝河?xùn)|支入太湖前斷面(陸藕路橋斷面)日均來水流量僅占新溝河日均引江流量的9%～22%。因此，未來在確有需要實施應(yīng)急引水的情況下，建議通過優(yōu)化調(diào)整石堰節(jié)制閘調(diào)度運行，適當控制西支分流量，以保證東支應(yīng)急引水入湖的水量。

b.新溝河引水影響區(qū)域可覆蓋新溝河干流及退水的洋溪河區(qū)域，在新溝河西支分流的情況下，長江來水對運河以南新溝河?xùn)|支的影響時間約為西直湖港北樞紐開啟并持續(xù)引水3 d后。為縮短應(yīng)急調(diào)水情況下受水區(qū)對長江來水的響應(yīng)時間，同樣建議適當控制西支分流量。

c.隨著長江來水量的增加，新溝河干流水質(zhì)改善效果總體增強。干流各斷面水質(zhì)最大改善系數(shù)基本出現(xiàn)在第7～15天、第16～22天兩個時間段；調(diào)水結(jié)束后，前期引水的水環(huán)境改善效益仍可維持一定的時間。

d.水質(zhì)改善效果與斷面本底水質(zhì)以及距離來水水源的遠近有關(guān)。本底綜合污染指數(shù)較大的斷面，其最大水質(zhì)改善系數(shù)總體較大。斷面距離來水水源的里程對水質(zhì)改善效果有較大影響，最大水質(zhì)改善系數(shù)出現(xiàn)時間總體上隨著引水距離的增加而推后。