考虑生态环境需水的七浦塘水量分配研究

2019-12-03

人民长江 2019年11期

(1. 苏州市水利工程管理处，江苏苏州 215011； 2. 河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098)

1 研究背景

近年来，改善河流水系生态环境、解决突出环境问题，已成为国家生态文明建设的当务之急[1]。河流生态环境需水量是维持河流生物群落和栖息环境稳定、保证并改善人居环境所需的水量[2-3]，对于保护城市河流可持续发展具有重要意义。平原河网受人类活动影响较大，水质状况普遍较差[4-5]，通过综合调水，科学地调度河网水流，引入清洁水源，尽量提高水体的流动性[6-7]，在一定程度上能够缓解区域水质恶化的问题[8-10]。为了增强区域水资源调控能力，苏州市于2011年末启动了七浦塘拓浚整治工程，从长江引优质水补充阳澄湖，以提高阳澄湖水质水量的保障能力[11-12]。

针对七浦塘沿途河网连通不畅所造成的局部区域水体水环境问题，本文研究旨在满足阳澄湖水质水量需求的同时，通过生态调度方式适当地向周边区域分水[13]，以实现增强水体自净能力方案的可行性。

2 研究区概况

七浦塘位于苏州市境内，全长43.89 km，是太湖流域阳澄淀泖区主要通江河道之一，承担着排水和引水的任务[14]。该河道西起阳澄湖，东至长江，途经相城区和昆山、常熟、太仓3座城市，沿线共有口门80处。其中，单孔节制闸44座，套闸7座，2 m×2 m穿堤涵洞25座，2 m×2 m×2双涵洞4座。各市镇位置如图1所示。

图1 七浦塘沿线镇区位置示意Fig.1 The location of towns along Qiputang River

七浦塘以从长江引水补充阳澄湖为主，并承担着周边地区的排洪任务。七浦塘河道最大日引水量为1 036.8万m3，最大引水流量为120 m3/s，为沿线周边区域的生产及生态补水提供了条件。根据现状运行数据分析，七浦塘单次引水约5 d，可基本满足阳澄湖水量的需求[15]，其后水量可用于周边地区的生态补水。以2017年为例，年可供水量约为2.96亿m3，最大单次可供水量约1.26亿m3。

3 研究区生态环境补水需求分析

通过实地调研及资料分析，得到了七浦塘沿线生态环境补水需求，且可将其分为以下5类。重点补水区域分布如图2所示。

图2 七浦塘沿线重点补水区分布示意Fig.2 The location of key water supplyarea along Qiputang

(1) 工业区废水排放影响水质。巴城镇枫塘圩及沙溪镇白迷泾均为工业园区，废水虽经处理后排放，但污染物量仍较高，超过了水体自净能力，影响到了生产和生活环境。

(2) 城镇区生态环境需水量较大。巴城镇枫塘圩及雉城圩、支塘镇双凤东圩、璜泾镇老荡茜河与陈大港交汇处均为居民居住较为集中的城镇区，当七浦塘引水致水位升高时，临近闸门常关闭，水质难以满足生态环境的需求。

(3) 河流流动性差。流经张家港、常熟及太仓境内的盐铁塘，巴城镇内茆沙塘为城镇骨干河道，且受茆沙塘闸限制，水体流动缓慢；支塘镇内三泾河及丰收河、沙溪镇内老七浦塘、璜泾镇内荡茜河及陈大港、浮桥镇西南片区河流等，这些河流水体流动慢，是导致水体环境质量差的重要原因。

(4) 景观生态需水。苏州市近年来景观生态建设发展迅速，沙溪古镇及支塘镇蒋巷村国家级美丽乡村建设，均需增加生态景观供水。

(5) 渔业养殖需求。以巴城镇为主的水产养殖是苏州市特色主导产业，因养殖户集中，致使相关水体氨氮、总氮超标，水环境问题较突出，需引入清水稀释。

以市、镇段为划分依据，将所划分的七浦塘沿线影响范围内的生态补水重点区域及其需水原因列于表1。

表1 七浦塘沿线各区域生态环境需水汇总Tab.1 The demand of ecological regulationalong Qiputang River

4 研究区生态环境需水计算

4.1 计算方法

本文采用水量平衡法[16-17],结合换水率水量计算[18]的方法，计算出河流水体渗漏及蒸散发所需的水量W1及为河湖换水所需的水量W2，计算公式如下：

W1=F-S(P-E)/1000

(1)

W2=fV

(2)

W=W1+αW2

(3)

式中,W1为年内为补充河流水体渗漏及蒸散发所需的水量,m3；F为水体渗漏量,m3;该地区为黏壤土，渗漏量约为4 mm/d，考虑到地下水埋深较小，因此将地下水顶托修正系数取为0.28，这样计算得出的水体渗漏量约为1.12 mm/d；S为水面面积，m2；P，E分别为降水和水面蒸发量，mm，按来水频率为75%的年份考虑，降水量为938.6 mm，水面蒸发量为990.8 mm；W2为达到设定换水率时单次河湖换水需水量，m3；f为换水率；V为河湖水体体积，m3；W为生态环境需水量,m3，α为换水次数。

根据日常调度数据及相关研究，当该地区的河网换水率在1.2～1.5之间时，水质有明显的改善；当换水率在1.5～2.0之间时，则该地区骨干河道的水质能够达到水质目标要求。因此，本文按照一般河道的换水率为1.3、重要河道的换水率为2.0来计算研究区的生态环境需水量。

4.2 计算结果与分析

对工程沿线影响范围内的圩区、村庄、区块的河流、湖塘进行概化，得到了各镇生态环境需水量，分别如图3及表2所示。

图3 七浦塘沿线各镇区生态环境需水量Fig.3 The eco-environmental water demandof towns along Qiputang

市镇段影响范围内区块名称W1/万m3W2/万m3昆山市巴城镇段黄金圩935石消圩2078巷埭圩726栏杆圩726栏东圩31122杨北圩1973红星圩831雉城圩65252 枫塘圩61238 小计225882 常熟市支塘镇段双凤东圩31142 双凤西圩44200 陆泾圩33148 任有圩61274 黄米东圩1357 黄米西圩25114 小计207934 太仓市沙溪镇段七浦塘以北、陈泾以南2341056 七浦塘以南、老七浦塘以北106477 小计3401533 璜泾镇段荣文村66295 永乐村49223 荡茜村1987 小计134605 浮桥镇段浪港以北、七浦塘以南109493 小计109493 合计10154447

由表2及图3可知，与水量平衡计算得到的W1相比，生态补水量W2在区域生态环境需水量中占比更大，七浦塘可引水量在补充沿线水体年内渗漏及蒸散发耗水量后，仍可满足1 a内多次河湖换水R 需水量。在研究区一般水体换水率为1.3、重要水体换水率为2.0的情况下，单次换水沙溪镇段的生态环境需水量最大，占比为34%；其次为支塘镇段及巴城镇段，占比为20%，璜泾镇段及浮桥镇段的生态环境需水量相对较少。

结合研究区生态调度需求量进行了分析，将所有镇区生态环境需水量对应到各需水区进行估算，各需水区年内单次换水情况下的需水量如图4所示，所占比例如图5所示。

图4 七浦塘沿线各需水区生态环境需水量示意Fig.4 The eco-environmental water demand ofkey water supply area along Qiputang

图5 七浦塘沿线各区域生态环境需水量比例Fig.5 Proportion chart of eco-environmental waterdemand along Qiputang

由图4及图5可知，七浦塘通过生态调度向周边区域配水的水量为：太仓市段>常熟市段>昆山市段。其中，以常熟市支塘镇段及太仓市沙溪镇段为主，生态补水重点区域为：白迷泾附近工业区、陈大港、盐铁塘、蒋巷村、枫塘圩、双凤东圩居民区、老七浦塘等。

4.3 生态补水效果分析

以七浦塘沿线区域为研究范围，将河网进行概化，选择了TP、NH3-N两项指标，设置了3种水质情景，即轻度不达标、中度不达标、重度不达标。依据水功能区的要求，研究区的水质目标为Ⅳ类，将超标50%作为轻度不达标，将超标100%作为中度不达标，将超标200%作为重度不达标。在此基础上，七浦塘水源水质以2018年4月的监测值为参考，则TP、NH3-N两项指标均符合Ⅲ类水质标值。各情景下设置的TP、NH3-N浓度及水源水质如表3所列。

表3 模拟情景水质情况Tab.3 Water quality in simulated scenarios mg/L

假设在一次换水情况下，沿线河道得到补充计算的需水量后，水体被完全混合均匀；然后采用完全混合模型计算补水后水质的改善情况[19-20]，模拟结果如表4所列。

表4 研究区补水水质模拟Tab.4 Simulation of water quality in study area

由模拟结果可以看出：3种情景下，补水后水质改善效果明显，水质改善率均超过了50%；其中，轻度不达标、中度不达标情景补水后的水质可达Ⅳ类水质标准，重度不达标情景的水质虽得到了一定程度的改善，但仍不能达标。

综合考虑各区域生态调度的需求，可相应制定如下七浦塘水量分配方案：在满足阳澄湖水量需求的情况下，优先向重点需水区配水，并通过总需水量配比对总体可利用量进行合理分配；在不同的情况下开启七浦塘沿线对应闸门进行引水，以提升工程调度的综合效益，增强区域内水体的流动性，保障水生态。同时，针对区域内的重点区域，可以适当增加换水次数以强化水质的改善[21]。