基于有序流动的阳澄淀泖区流速水质相关性分析

杨文晶 杨金艳 蔡晓钰 白瑞泉 姜宇

摘要：阳澄淀泖区为平原河网区，在适度的引排调度下使河湖水流有序流动，对于合理蓄泄洪涝水、调控水资源、改善水生态环境意义重大。以阳澄淀泖区有序流动调水试验的水量、水质监测数据为基础，从最能直观反映水体有序流动的水量指标-流速出发，利用SPSS软件计算流速与水体重要水质指标之间的相关关系，研究河湖水体有序流动中流速与水质的响应机制。研究结果发现流速-溶解氧的相关性最强，引水口门及原本滞流较重的河道流速与各水质指标之间相关性更强，水质改善更显著;但通过工程调度只能一定程度上改变水环境，与水质产生直接的相关关系很难。研究成果可为评估水流有序流动对河网水环境改善的实际效果提供技术支撑，对研究区域确定合理的引排调度方案，改善水质有积极的意义。

关 键 词：有序流动; 流速与水质; 阳澄淀泖区; 平原河网区

中图法分类号： X824 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.006

太湖流域是以太湖为中心的一个相对独立的封闭区域，是长江下游的支流区，流域北、东、南三边水流受长江和杭州湾水位影响[1]。流域河道水网密集，湖泊较多，江河湖海相贯通，水系织杂，地势低平，河道比降小，在潮汐作用下，水流不定、流速缓慢，为典型的平原河网地区[2]。经过大规模的水利工程建设，太浦河、望虞河、杭嘉湖南排工程和环湖大堤等一轮治太11项骨干工程已全部完成，形成了以治太骨干工程为主体，上游水库、周边江堤海塘和平原区各类圩闸等工程组成的流域工程体系初步具备了防洪减灾、资源调度的基本条件[3]。近年来，在流域管理方面开展了以保障防洪与供水安全、兼顾水环境改善为目标的流域水量水质综合调度，取得了显著成效。构筑流域河网有序流动的格局是开展综合调度的重要内容[4]。

太湖流域分成8个水利分区，其中阳澄淀泖区北以沿江控制线为界、西以环太湖控制线为界、西北侧以望虞河东岸控制线为界、南以太浦河北岸控制线为界，水流运动相对独立，且工程基础和工程可控性较强，调水试验经验丰富，可作为分析研究的典型区域。在适度的引排调度下河湖有序流动，对于合理蓄泄洪涝水、调控水资源、改善水生态环境意义重大[5]。

该研究作为太湖流域综合调度及河湖有序流动技术研究项目的典型区域研究，通过开展阳澄淀泖区有序流动水量水质监测与分析，评估平原河网有序流动对河网水环境改善的实际效果，验证区域河湖水体有序流动与水量水质的响应机制。

本文从最能直观反映水体有序流动的水量指标—流速出发，计算其与水体各重要水质指标之间的相关关系，并从不同的角度对相关性结果进行深度剖析，分析探索在水体流动加快时水质的响应规律，进而评估河网有序流动下水环境改善的实际效果，这对研究如何通过区域综合调度来改善水环境有积极的意义。

1 调水试验概况

1.1 试验背景及目标

该研究项目界定有序流动内涵为：水体有序流动在符合由自然地理条件决定的自然属性基础上，通过人类科学调控，改变其自然属性中对人类不利的现状，转变原河网流向多变、换水低效、流动性平缓等流态为水体引排方向规律、换水高效、流动性加快的有序流态，形成一种自然流畅、人水和谐、利益最大化的流动格局。

结合阳澄淀泖区的实际情况，本次调水试验的总体目标为：通过沿江闸站、环湖口门、望虞河东岸沿线闸站和控导工程的联合调度，改善阳澄湖水环境，以及七浦塘、浏河沿线水动力条件;加快淀泖区湖荡及河道流动，改善苏州相城区河道流速缓慢问题;减少阳澄湖西岸入湖河道对阳澄湖水环境的潜在影响，加快常熟市区骨干河道水体流動，形成引排有序的水循环体系，在一定程度上改善河网水环境（见图1）。

根据河道分布特征、引排能力、水质提升需求不同，综合水质提升效果和换水效率，初拟本片区沿江引水为主的河道汛期适宜流速达到20 cm/s、非汛期15 cm/s以上为宜，关键断面溶解氧控制在5 mg/L;沿江引排结合的河道汛期适宜流速达到20 cm/s、非汛期15 cm/s以上为宜，关键断面溶解氧控制在3 mg/L;望虞河东岸及环湖引水河道汛期适宜流速达到10 cm/s 、非汛期7 cm/s以上为宜，断面溶解氧控制在3 mg/L;骨干汇水河道适宜流速达到10 cm/s、非汛期7 cm/s以上为宜，断面溶解氧控制在2 mg/L。

1.2 试验实施方案及效果

考虑到汛期和非汛期区域水流格局和引排要求的不同，为全面了解阳澄淀泖区现状水体流动格局，在非汛期（3月）实施调水试验进行水量水质原位监测，结合汛期调度实际，在汛期（5，6月）开展区域水量水质同步监测，可用于现状常规实际调度情况下的汛期前后河湖水体流动及水质变化情况分析，为太湖流域综合调度及河湖有序流动技术研究项目提供全面、完整的基础数据。

2017年3月9～23日对阳澄淀泖区开展了非汛期调水试验。实际工程调度情况可分为：① 引水准备期。沿江闸站引排结合，望虞河东岸口门、东太湖口门引水为主。② 换水改善期前期。受降雨影响较小，工程调度较好，形成了短期的大引大排格局。③ 换水改善期后期。3月19～20日阳澄淀泖区有一次较强降雨，沿江闸站在降雨期全部关闸。总体来说，非汛期调水试验期间，区域内形成了“多引多排”的水流格局，水体以“长江→阳澄区→淀泖区→拦路港”的大方向为主，形成“长江、望虞河→区域腹部河网→常浒河、白茆塘→长江”“长江→阳澄区腹部、阳澄湖→浏河（淀泖区）”“长江、太湖→阳澄湖及周边、淀泖区→拦路港”水循环线路，切实改善了河网水动力条件，加快了水体流动。通过引长江、太湖优质水源，一定程度改善了水环境。

2017年5月9～18日（第一轮）、6月8～17日（第二轮）分别开展一轮常规实际调度情况下的汛期水量水质监测。第一轮监测期间，阳澄淀泖区整体形成“长江、太湖→阳澄湖及周边、淀泖区→拦路港”的水循环线路。第二轮监测期间，阳澄湖以北地区，海洋泾引水，常浒河、白茆塘排水，形成“长江→区域腹部河网→常浒河、白茆塘→长江”水循环线路;阳澄湖以南地区，荡茜枢纽、永昌泾、界泾河引水入阳澄湖，杨林塘、浏河排水，形成“长江、望虞河→阳澄区腹部、阳澄湖→杨林塘、浏河”的水循环线路;淀泖区东太湖口门瓜泾港、三船路港引水，北淀泖区省际边界排水，形成“太湖→淀泖区腹部→拦路港”的水循环线路。总体来看，由于降雨的影响及汛期的引排要求，区域内汛期监测期间呈现出区别于非汛期的“大引大排”的水流格局。

2 流速-水质相关关系分析方法

相关分析（correlation analysis）是研究两个或两个以上变量之间相关程度大小以及用一定函数来表达其相互关系的方法。一般可以借助相关系数、相关表与相关图来进行相关分析[6]。本文采用相关系数进行研究。

2.1 皮尔逊相关系数

皮尔逊相关系数描述了2个定距变量间联系的紧密程度，用于度量2个变量 X和Y之间的相关（线性相关），样本的相关系数用r表示，总体相关系数用ρ 表示。

若 r>0，表明2个变量是正相关，即一个变量的值越大，另一个变量的值也会越大;若r<0，表明2个变量是负相关，即一个变量的值越大，另一个变量的值反而会越小。r 值介于-1与1之间，绝对值越大表明相关性越强。

一般定义为： 0.8<|r|≤1.0，极强相关;0.6<|r|≤0.8 ，强相关;0.4<|r|≤0.6，中等程度相关;0.2 <|r|≤0.4，弱相关;0.0≤|r|≤0.2， 極弱相关或无相关。

在实际分析中，相关系数大都是利用样本数据计算的，因而带有一定的随机性，因此也需要对相关关系的显著性进行检验，即判断样本相关系数 r是否来自于ρ≠0 的总体，可以采用t检验或者F检验，此时的零假设和备择假设分别为H0∶ρ=0，HA∶ρ≠0[7] 。

t检验统计量t=r/Sr，df=n-2，Sr=1-r2n-2称为相关系数的标准误差。下文相关关系计算采用t 检验。

2.2 相关性分析软件

采用SPSS（Statistical Package for Social Science）软件进行分析。SPSS是由美国 SPSS公司自20世纪80年代初开发的大型统计学软件包。它集数据整理、分析过程、结果输出等功能于一身，使用Windows的窗口方式展示各种管理数据和分析方法的功能，清晰、直观，易学易用，涵盖面广[8]。

SPSS将自动计算Pearson相关系数， t检验的统计量和对应的概率P值。当P<0.05 时，拒绝零假设，说明两变量之间存在着显著的线性相关关系;当P≥0.05 时 ，接受零假设，表明两变量间不存在线性相关关系。

2.3 分析样本

为了同时满足试验调度和分析研究区域水环境改善效果的要求，结合地方水利部门现有的水量水质监测点，合理增设站点，从总体上掌握有序流动的规律及污染物分布特征，共布设了监测断面站点47个（见图2）。

非汛期（3月）共计监测了47个断面，从3月9日到3月23日，水量为每天连续监测，水质为隔天监测，因此本轮共有8 d的水质水量同步数据。其中，沿江口门无法测得准确流速，部分断面一直关闸，并扣除湖泊等断面，实际参与流速-水质相关分析的为35个断面8 d的流速水质同步数据。

汛期（5，6月）每月分别连续10 d进行水量水质同步监测。本次断面布设综合考虑监测要求并借鉴非汛期的分析成果，选取更能满足分析需要的站点，以沿江口门、河网重要断面为主，在47个断面基础上将监测断面精简为23个，按非汛期的原则进行扣除后，汛期实际参与流速-水质相关分析的为14个断面20 d的流速水质同步数据。

根据非汛期和汛期监测期间区域内呈现的水流状态及水环境变化状况，水体被认为符合项目初定的有序流动状态，因此将汛期和非汛期的流速水质同步数据结合，进行水体有序流动流速-水质的响应机制探索。最后，共计14个断面（非汛期、汛期都参与监测）的28组样本以及21个断面（仅非汛期参与监测）的8组样本进行流速-水质相关性计算分析。

14个断面为永昌泾、吴家港、联湖桥、界泾、七浦塘桥、元和塘常相交界、盐铁塘常太交界、界江、青阳港、吴淞江、大直港桥、牛长泾、大朱砂桥、窑港桥。样本日期：3.9～3.21 （隔天），5.9～5.18（连续），6.8～6.17（连续）。

21个断面为西三环湖桥、车轮桥、永昌泾入湖口、白兔泾、巴城工农桥、陆泾出湖口、西港河桥、周塘河桥、元和塘南段、南园桥、新丰新星桥、娄江大桥、西河大桥、通城河桥、石头塘长桥、斜塘河、芦墟大桥、科林大桥、千灯浦闸、周庄大桥、白石矶大桥。样本日期为3.9～3.21（隔天）。

3 相关性结果与分析

选取溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮和总磷4个基础水质指标，其中前3项为常用水质评价标准中的重要指标，总磷指标是考虑阳澄淀泖区受长江来水（长江水中总磷偏高）的影响。对每组样本分别进行流速-溶解氧、流速-高锰酸盐指数、流速-氨氮和流速-总磷的相关关系计算。

对于溶解氧指标，数值越大表明水质越好，因此流速-溶解氧相关系数为正时，表明流速越大，溶解氧指标越大，水质改善越好。对于高锰酸盐指数、氨氮和总磷3项指标，数值越大表明水质越差，当流速-高锰酸盐指数、流速-氨氮和流速-总磷的相关关系为正时，表明流速越大，各项指标值越大，水质恶化。因此当该3项相关系数为负时，表明随着流速的增大，水质有改善。

SPSS软件的计算结果显示，35个断面中有26个断面的流速与4个水质指标相关关系均接受零假设[9]，即流速与各水质指标都不存在线性相关关系。另9个断面的流速与部分水质指标存在相关关系（见表1）。仅25.7%的断面显示出相关关系，主要由于水质受许多因素综合影响的结果，例如流速之类的某个单一因素改变会对其产生影响，但要产生直接的相关关系较难。另外，本次阳澄淀泖区的调水试验实施时间短，水质水量同步数据有限，监测期间几次受到降雨影响，一定程度上影响了参与分析样本的代表性。

下文将尝试从显示出相关关系的水质指标、监测断面和区域分布等角度去分析探索，结合实际的水流格局和水环境现状去发现规律。

3.1 水质指标分析

流速的变化能直接引起河湖水体自净、稀释、降解能力的改变，水体流通程度的改变也会使得断面受来水影响的程度有所变化[10]，因此当流速发生变化时，部分断面的水质情况也会随之发生变化。下面从水质指标的角度，分析本次试验各个指标与流速相关性的程度和差异。

流速与溶解氧有相关关系的断面共5个，其中界泾河入湖口流速-溶解氧呈中等负相关关系，花桥吴淞江大桥流速-溶解氧呈强负相关关系，即流速越大，溶解氧越小;永昌泾闸、界江大桥和西三环湖桥的流速-溶解氧呈极强正相关关系，即流速越大，溶解氧越大，水质越改善。根据本次调水试验显示的监测结果，90%以上的断面达到了溶解氧与流速对应的调度控制要求，这也恰能体现水体流动加快时溶解氧指标更易得到有效改善。

流速与高锰酸盐指数有相关关系的断面共4个，其中3个呈负相关关系，即随着流速增大高锰酸盐指数有所改善，分别为盐铁塘常太交界和花桥吴淞江大桥，呈中等强度负相关，西三环湖桥呈极强相关;1个呈正相关关系，为斜塘河桥，呈极强正相关性，即高锰酸盐指数随着流速的增大呈恶化趋势。

流速与氨氮有相关关系的断面有4个，其中3个是负相关关系，即流速越大，氨氮有所改善。3个断面分别为永昌泾闸和窑港桥，呈中等强度负相关;西三环湖桥呈极强负相关。1个呈正相关关系，为大直港桥，呈中等强度正相关。

4个水质指标中，总磷与流速的相关性最小，参与分析的35个断面中仅有永昌泾闸的流速-总磷呈中等强度相关关系。因此，可以认为本次试验中流速与总磷的相关性很小。

综合以上对4个主要水质指标的分析，可以看出流速与溶解氧的相关性最大，其次是高锰酸盐指数和氨氮，与总磷的相关性很小。

3.2 监测断面分析

表1的9个断面中，永昌泾闸和西三环湖桥4个水质指标中均有3个指标与流速存在相关关系，并且各指标随着流速的增大都呈改善变化。西三环湖桥的溶解氧、高錳酸盐指数和氨氮与流速都呈极强相关性，表明流速增大时，断面水质有明显的改善。西三环湖桥为望虞河东岸的引水口门，当流速增大时，引望虞河的水量增大，随着望虞河优质水源的汇入，断面的水质得到明显改善。

永昌泾闸的溶解氧、氨氮和总磷与流速均呈中等强度相关性，表明流速提高时，水质有相应的改善。永昌泾闸多数时候引望虞河水，因此总体看当流速增大时，水质有所改善。由于永昌泾闸与望虞河之间有漕湖，当开闸引水时，还需经过漕湖的调蓄再出水，水流到达该断面时水质受到了漕湖水质的影响，且其流向有时为入望虞河，当流速增大时，该断面的水质情况受流向和漕湖水质情况综合影响，不一定都表现出改善趋势，因此永昌泾闸各相关系数不如西三环湖桥的大，流速与各水质指标仅呈中等强度相关性。

花桥吴淞江大桥有2个指标与流速存在相关关系，分别为溶解氧和高锰酸盐指数，其中流速-溶解氧呈强负相关，流速增大，溶解氧恶化;流速-高锰酸盐指数呈中等强度负相关，流速增大，高锰酸盐指数改善。仅当流速增大时，水质不一定会改善，因为水质情况同时受很多因素影响，例如溶解氧指标与温度和压力也有很大的关系，因此认为水质的改善与流速之间不是单一的双向关系。

界泾河入湖口多为入阳澄湖，从流速-溶解氧为负相关来看，当流速增大时溶解氧变差，这可能受界泾河来水水质的影响。

盐铁塘常太交界的流速-高锰酸盐指数为中等强度负相关。当该断面流速增大时，高锰酸盐指数变小，有序流动试验期间，该断面大多数流向向南，主要为白茆塘来水，因此流速提高时，水体本身的自净能力增强，同时伴有优质的来水汇入，高锰酸盐指数得到改善。

界江大桥的流速-溶解氧为极强正相关，当流速增大时，溶解氧指标有明显改善。试验期间，界江大桥流向都为向南，流速增大时，水体流动性好，溶解氧指标得到有效改善，由于娄江来水对其水质有直接影响，因此其他水质指标与流速之间没有反映出显著的相关关系。

大直港桥的流速-氨氮为中等强度正相关，当流速增大时，氨氮指标变大，呈恶化趋势。试验期间，大直港桥流向向南，直接受吴淞江来水的影响，由于吴淞江的水质一直较差，当流速增大时，更多来自吴淞江的水流汇入，引起断面水质的恶化。

窑港桥的流速-氨氮为中等强度负相关，当流速增大时，氨氮指标值减小，呈改善变化。调水试验期间，窑港桥水流向南，受三白荡来水的影响很大，三白荡的水质较好，因此当流速增大时，三白荡来水增加，水体流动性增强，水体的氨氮指标可能因此有改善。

斜塘河桥的流速-高锰酸盐指数为强正相关关系，表明当流速增大时，高锰酸盐指数也变大，该指标呈恶化趋势。由于斜塘河桥仅在非汛期（3月）进行了8 d的监测，汛期未进行监测，所以只有相应的8组样本参与了相关关系计算，且8 d中有5 d水体滞流，流速为0，因此认为该断面参与分析的样本数太少，且代表性不强，计算出的相关系数可参考性不强。

综合以上分析，发现西三环湖桥和永昌泾闸流速与水质存在较大的相关性，并且流速增加，水质改善，其中西三环湖桥的相关性更强。其他7个断面的流速仅与一两个水质指标存在相关关系，且仅为中等强度相关。

通过分析各个断面的实际情况，发现水质的改善在流速增大的基础上，很大程度取决于来水的水质情况，但即使在流速增大，来水水质较好的情况下，不少断面也仅有个别水质指标改善，很难实现整体水质改善的理想状况。由此可见，流速与水质之间的关系比较复杂，很难存在单一的响应关系。

3.3 区域分布分析

结合图1分析表1中各断面的地理位置，发现可以参与相关性分析的断面主要分布在望虞河东岸口门、阳澄西湖入湖河道、省际边界河道和区域内骨干汇水河道。

西三环湖桥和永昌泾闸分别为望虞河东岸的口門，平时以引水为主，来水的水质情况最好，当流速提高时，断面的过水量增大、水体流动性更好，因此这两个断面的流速与大部分水质都表现出比较强的相关性，并且水质随流速增大而改善。

界泾河入湖口位于阳澄西湖的入湖河道，分析发现其流速-溶解氧呈负相关关系，流速增大，溶解氧降低，原因可能是水体流动带动更多的不利因素进入水体，反而导致水体的水质指标呈现恶化趋势。

花桥吴淞江大桥位于省际边界河道，且吴淞江现在主要为一条排污通道，水质一直较差。上文的分析中指出该断面当流速增大时，高锰酸盐指数有所改善，溶解氧有所恶化，其流速与水质指标表现出复杂不一的关系，由于其水体本身的污染负荷较大，流速增大对水质的综合改善作用有待进一步的研究。

其他断面位于区域内的骨干汇水河道，其中界江大桥和斜塘河桥流速与水质指标的相关系数大于0.8 ，呈极强相关。从这两个断面的流速变化上看，监测期间大部分时间处于滞流状态，因此当水体流动起来时，某些水质指标出现明显的改善。剩余3个断面分别仅有1个水质指标与流速呈相关关系，并且相关系数都小于0.6，考虑有序流动试验监测的时间和天数有限，每组断面的样本数有限，计算结果具有一定的片面性和随机性，因此针对这些断面认为流速与水质的相关关系不大。

因此从区域上看，望虞河东岸口门的流速与水质指标间的相关性明显好于区域内骨干河道。对于沿程污染物汇入较多或者自身污染负荷较大的河道，流速与水质之间的关系最为复杂，水质情况可能更多地受污染物含量的影响，流速改变所起的作用显得相对微弱。阳澄淀泖区尤其是淀泖区的腹部河网距离引清口门较远，河网交织错杂，引清水源的影响逐层削弱，即使流速增大，若河道沿程有不确定的污染源汇入，水质反而可能恶化。

4 结 论

（1） 从指标的角度来看，本次阳澄淀泖区有序流动试验期间流速-溶解氧的相关性最强，其次是高锰酸盐指数和氨氮，与总磷的相关性很小，即通过适当调度，加快水体流动，溶解氧指标最容易得到改善。从区域分布来看，望虞河东岸口门的流速与水质指标间的相关性明显好于区域内骨干河道。

（2） 从断面来看，引水口门的流速与水质各指标相关性较强，流速提高，水质改善明显，并且距离引水来源更近的口门改善效果更明显;本身滞流较多的河道，当水体有序流动时，水质的改善效果也更为明显;若河道自身水质较差，沿程污染物汇入较多，当水体流速增大时，水质变化情况较为复杂，具体的相关关系及变化规律有待更深入的研究。

（3） 参与分析的断面中仅25.7%的断面流速与部分水质指标存在相关关系，主要集中在引水口门以及原本滞流频繁的断面，表明即使在河网水体有序流动格局下，流速之类的某个单一因素改变能够一定程度上改变水环境，但与水质产生直接的相关关系很难，主要由于水质是在诸多因素综合影响下表征出的指标结果。

（4） 考虑到河网水环境改善是一项系统工程，本课题研究中，通过科学调度实现河网水体的有序流动只是系统环节中一项相对迅速、有效的辅助措施，而区域内水环境改善的根本在于污染源的控制与治理[11]。

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引用本文：杨文晶，杨金艳，蔡晓钰，白瑞泉，姜 宇.基于有序流动的阳澄淀泖区流速水质相关性分析[J].人民长江，2019，50（1）：29-34.

Correlation analysis on flow velocity and water quality basedon orderly flow of river network in Yangcheng-Dianmao area， Taihu Lake

YANG Wenjing，YANG Jinyan，CAI Xiaoyu，BAI Ruiquan，JIANG Yu

（Suzhou Sub-bureau of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau， Suzhou 215011， China）

Abstract：Yangcheng-Dianmao area is a plain river network area. The orderly flow of rivers and lakes under proper diversion and drainage scheduling is of great significance for flood rational storage， water resources regulation and aquatic environment improvement. Based on the data of flow velocity and water quality measured during regulation experiment in Yangcheng-Dianmao area， this paper uses SPSS software to calculate the relationship between important water quality indicators and flow rate that most directly reflect the orderly flow of water， and further analyze the response mechanism of flow velocity and water quality of the rivers and the lakes under orderly flowing. It is found that the flow rate-dissolved oxygen has the strongest correlation; The flow velocities at water diversion entrances and in the frequently non-flowing rivers are more correlated with the water quality indicators， and the water quality improvement is more significant; The engineering regulation measures can only change water environment in some extent but is hard to generate a direct correlation with water quality. This research can provide technical support for evaluating the actual effect of orderly flowing in rivers and lakes on the environment improvement， and has a positive meaning to improve the water environment under the comprehensive flow regulation of the study area.

Key words： orderly flowing; flow rate and water quality; Yangcheng-Dianmao District; plain river network area