引水改善平原感潮河网水质效果评估

许益新，李一平，罗育池，余香英，蒋婧媛，罗 凡

(1.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045； 2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

平原感潮河网地势平坦，水流缓慢，同时受潮汐作用和泵闸调度的影响，往复流现象明显，抗污染能力较弱。随着经济的快速发展，平原感潮河网地区水资源高度开发利用，水环境质量日益下降[1]。利用平原感潮河网紧邻大江大河的优势，根据潮汐变化进行引水、排水，构建科学有序的水循环体系，促进河道水体流动，提高水体稀释能力，从而达到改善水环境质量的效果[2]。水环境数学模型是用来模拟和预测污染物混合、迁移、转化过程的重要工具之一，在定量分析引水改善河网水环境质量效果方面发挥着重要作用[3]。

目前，对于引水改善河网地区水质效果的研究多集中于特定引水流量[4]、引水水质[5]、水系结构优化[6]等，顾炉华等[7]基于太湖水量水质数学模型研究不同引水量和雨型下七浦塘引水对阳澄湖和周边河网水质的改善效果，结果表明引水量为20～40 m3/s时，河网水质改善效果最佳；赵轩等[8]基于常州市河网水环境数学模型研究上游引水、污染源削减和提高自净能力对河网水质的改善效果，结果表明保证上游来水水质良好的情况下，上游引水对主干河道水质有较好的改善效果；贾海峰等[9]基于城镇河网水环境数学模型研究水系结构优化和水利调度对河网水质的改善效果，结果表明水系结构优化方案能够降低BOD5和NH3-N浓度。目前对复杂的平原感潮河网地区潮汐作用下调水引流工作研究较少，且尚未建立起潮位、引水量和水质改善效果的响应关系。

本文选取典型平原感潮河网地区张家港市为研究对象，根据张家港市紧邻长江的优势和水循环体系的建设，开展调水引流改善平原感潮河网水质效果研究，建立“长江潮位-内河引水量-水质改善效果-引水服务面积”的响应关系，以期为平原感潮河网调水引流工作提供科学的指导和建议。

1 研究区域概况

张家港市位于长江三角洲冲积平原，境内河网密布，北邻长江，属典型的平原感潮河网地区，境内共有37个水功能区，随着污染源削减方案的实施和水循环体系的构建，水功能区达标率逐步提高，2011—2016年水功能区达标率从57.4%提升到79.6%，主要超标因子为氨氮。

张家港市目前正在建设、完善中部、东部和西部三大水循环体系，其中中部水系水循环体系较为完善，主要依靠朝东圩港水利枢纽和一干河水利枢纽候潮开启闸门进行自流引水，引水时内河侧闸前控制水位为4.1 m，二干河为排水通道；东部水系主要依靠三干河水利枢纽、四干河节制闸和六干河节制闸候潮开启闸门进行自流引水，引水时三干河内河侧闸前控制水位为3.8 m，四干河和六干河内河侧闸前控制水位为3.7 m，五干河和七干河为排水通道；西部水系主要依靠五节桥泵闸工程、十字港闸和护漕港节制闸候潮开启闸门进行自流引水，引水时内河侧闸前控制水位为4.0 m，太字圩港为排水通道。各引水口门距离长江天生港潮位站均在20 km以内，故选取天生港潮位站作为长江潮位代表站[10](图1)。

2 平原河网非稳态数学模型构建及评价方法

2.1 模型的建立

在张家港市中部水系水动力水质耦合数学模型研究[11]的基础上，采用一维圣维南方程组构建张家港市平原感潮河网水量模型离散格式为六点中心隐式差分格式，采用“双扫”法计算求解；采用一维对流扩散方程作为水质模拟基本方程，根据长江三角洲河网和张家港市河网水质现状、特点及总量控制要求，选取高锰酸盐指数和氨氮为模拟因子，构建张家港市平原感潮河网水质模型，以评估张家港市三大水循环体系的构建对区域河网水质的改善效果[12]。河网模型共概化368条河流(市级河道、镇级河道和部分村级河道)，151个闸站(沿江水利枢纽、内河节制闸和部分泵站)；河流断面数据采用走航式ADCP监测资料进行概化；模型上边界为各引水通道与长江交汇处，为流量边界，流量时间序列根据各水文自动监测站点高频率长序列监测数据分析所得；模型下边界为各排水通道与长江交汇处，为水位边界。

图1 研究区域位置及评价断面分布

2.2 模型的率定和参数的选取

根据张家港市水文自动监测站点实时监测数据和野外水量水质同步监测结果，对河网水动力水质模型进行率定，结果表明：张家港市现状河道糙率为0.01～0.04，其中城区主要河道为直立式护岸，河道糙率较小，为0.01～0.02，乡镇河道两侧杂草树木较多，河道糙率较大，为0.03～0.04；张家港市现状高锰酸盐指数降解系数为0.04～0.08 d-1，氨氮降解系数为0.03～0.08 d-1。各断面流量模拟相对误差在25%以内，平均相对误差为13.1%；各断面水质模拟相对误差在30%以内，高锰酸盐指数平均相对误差为15.2%，氨氮浓度平均相对误差为12.0%，具体见表1。

表1 张家港市河网模型水动力水质模拟相对误差

2.3 调水引流改善水环境质量评价方法

根据张家港市水动力水质数学模型计算结果，评价调水引流改善水环境质量的方法主要有：①分析评价引水期间监测点位水质指标浓度随时间变化趋势；②分析评价引水前后监测点位水质指标浓度的改善效果；③分析评价引水前后监测点位水质类别的变化。因此，结合前人研究成果，采用水质浓度改善率、类别变化指数和浓度变化指数3个指标评估平原感潮河网水质改善效果与引水量的响应关系[13]。公式为

(1)

式中：R为水质浓度改善率；C0i为第i种水质指标引水前的浓度；Cai为第i种水质指标引水后的浓度；i为参加评估的水质指标数目。R值反映引水前后水质浓度改善的程度，正值表示水质浓度下降，负值表示水质浓度上升。

(2)

式中：G为类别变化均值指数；G0i为第i种水质指标引水前的水质类别；Gai为第i种水质指标引水后的水质类别。G属于均值型多因子指数，反映引水前后水质类别变化的等级，数值为正表示水质类别改善，数值为负表示水质类别下降。

(3)

式中P为浓度变化指数。P属于均值型多因子指数，反映引水前后水质浓度变化的程度，数值为正表示水质浓度下降，数值为负表示水质浓度上升。

3 结果与讨论

3.1 平原感潮河网内河引水量与长江潮位响应关系

长江张家港段受到上游大通来水和沿海潮汐的双重作用，每天有两个高潮位和低潮位，属于不规则半日潮，且高潮位具有明显的半月周期特性，低潮位则没有明显的周期特征[14-15](图2)。当长江潮位高于张家港市内河水位时，开启沿江水利枢纽使长江水自流引进。半月周期内，随着长江高潮位的升高，各引水口门引水量呈现线性增长趋势(图3)，其中朝东圩港引水量与长江潮位相关性最强，且引水量最大，一干河次之；由于三干河、四干河和六干河引水过程中受到内河防洪水位的限制，未能按照最大引水量进行引水，故引水量与长江潮位相关性较弱，且引水量较少。西部水系的五节桥港、十字港和护漕港引水通道尚未正式实施，故暂不讨论。

图2 天生港潮位站高、低潮位与内河水位示意图

不同引水口门引水量除了受到长江潮位的影响，也和闸门开启高度、闸门宽度以及内河防洪控制水位等密切相关[16]，以三干河和四干河为例，二者相距2.6 km，引水过程中，长江潮位基本一致，内河防洪控制水位均为3.8 m，闸门开启高度均为1.2 m，根据引水量分析结果，三干河与四干河引水量比例基本为1.2∶1，三干河和四干河闸门开启宽度比例也是1.2∶1，表明闸门开启宽度是影响三干河和四干河引水量差异的关键因素。

图3 内河引水量与天生港潮位响应关系

3.2 平原感潮河网水质改善效果与引水量响应关系

利用构建的模型，计算各片区水质改善效果与引水量的响应关系。结果表明：随着引水量的增加，各片区水质浓度改善率、类别变化指数和浓度变化指数均呈现逐渐上升的趋势，表明增大引水量对提高水质改善效果有显著作用，与崔广柏等[2]、顾炉华等[7]、童朝锋等[18]、逄勇等[19]的研究结果相似。由于中部水系水循环体系最为完善，引水时内河侧闸前控制水位为4.1 m，朝东圩港水利枢纽和一干河水利枢纽可按照最大引水能力进行引水，且引水过程中，沿线小型内河节制闸均处于关闭状态，使得长江清洁水源充分到达中部水系末端，对中部水系沿线氨氮超标水体产生改善效果。因此，引水对中部水系氨氮浓度改善效果最强，当引水量达到1.4×107m3时，中部水系氨氮浓度改善率达到50%以上，而后，随着引水量的增大，氨氮浓度改善率稳定在50%～56%(表2)。东北部水系距离长江较近，引水路线短，且沿线水体水质较好，污染源分布少，因此，引水对东北部水系高锰酸盐指数改善效果最强，当引水量达到2.64×106m3时，东北部水系高锰酸盐指数改善率接近40%，而后，随着引水量的增大，高锰酸盐指数改善率稳定在40%～43%(表3)。结果表明随着引水量的逐渐增大，等量引水对河网水质的改善效率逐渐降低，引水水量不再为提高张家港市河网水质的主要因素。

表2 张家港市中部水系水质改善效果与引水量响应关系

表3 张家港市东北部水系水质改善效果与引水量响应关系

类别变化指数和浓度变化指数能够综合体现引水前后水质类别和水质浓度的变化情况，反映引水对水质的改善效果，结果表明引水对东北部水系类别变化指数提升效果最好，当引水量达到2.64×106m3时，东北部水系整体提升了1.5个水质类别(表3)；引水对中部水系浓度变化指数改善效果最好，当引水量达到1.4×107m3时，中部水系浓度变化指数整体达到0.6以上(表2)。由于东部水系引水时内河侧闸前控制水位为3.7～3.8 m，三干河、四干河未能按照最大引水能力进行引水，且东南部水系位于东部水系末端，引水路线长，缺少清洁水源，因此，引水对东南部水系水质改善效果较弱，氨氮浓度改善率均在15%以内，高锰酸盐指数改善率均在10%以内，类别变化指数均在0.3以内，浓度变化指数均在0.15以内(表4)。西部水系由于沿江节制闸规模较小，引水通道能力有限，引水对西部水系有一定的改善效果，但改善效果较弱，当引水量达到1.84×106m3时，氨氮浓度改善率和高锰酸盐指数改善率基本达到35%左右，西部水系整体提升了1个水质类别，浓度变化指数整体达到0.5以上(表5)。

表4 张家港市东南部水系水质改善效果与引水量响应关系

表5 张家港市西部水系水质改善效果与引水量响应关系

3.3 平原感潮河网引水服务面积与引水量响应关系

在平原感潮河网水质改善效果与引水量响应关系研究的基础上，以引水是否使河道水质达到水功能区水质要求为判断依据，建立引水服务面积与引水量的响应关系。结果表明：引水服务面积随着引水量的增大呈现线性增长的趋势，东部水系引水服务面积随引水量增长幅度最大，西部水系次之，中部水系最小(图4)。而单位引水量服务面积随着引水量的增大呈现对数函数下降趋势，东部水系单位引水量服务面积最大，西部水系次之，中部水系最小。单位引水量服务面积主要与该区域本底水质浓度、污染源分布情况以及引水路线长短密切相关，由于东北部水系水质本底浓度最低，且污染源分布较少，引水路线短，使得其单位引水量服务面积最高，为0.352～0.891 km2/万m3；西部水系本底水质浓度较高，但其污染源分布较少，且引水路线短，单位引水量服务面积次之，为0.156～0.303 km2/万m3；中部水系虽然本底水质浓度较低，但其污染源分布较多，且引水路线长，单位引水量服务面积最小，为0.061～0.146 km2/万m3。这与其他学者的研究成果相似，陈振涛等[5]对杭州市江干区河网的研究表明，在引水水源水质不变的情况下，增大引水水量，单方水起到的水质改善效果逐渐减小，即引水水量起到的效率降低；张秀菊等[17]对南通市通州区新江海河地区的研究表明，随着引水量的增加，等量引水的水质改善效果逐渐减弱。

图4 各片区引水服务面积与引水量响应关系

4 结 论

a. 长江张家港段为不规则半日潮，高潮位具有明显的半月周期特性，随着高潮位的升高，内河引水量呈现线性增长趋势，不同引水口门引水量与长江潮位、内河防洪控制水位、闸门开启高度以及闸门宽度密切相关。

b. 平原感潮河网水质浓度改善率、类别变化指数和浓度变化指数随着内河引水量的增加均呈现逐渐上升的趋势，当中部水系引水量达到1.4×107m3时，氨氮浓度改善率达到50%以上，浓度变化指数整体达到0.6以上；当东北部水系引水量达到2.64×106m3时，高锰酸盐指数改善率接近40%，且整体提升了1.5个水质类别。由于东部水系内河防洪水位偏低，未能按照最大引水量进行引水，引水对东南部水系水质改善效果较弱，建议逐步实施东部水系防洪加固工程，使内河防洪水位逐步提升至4.0～4.1 m。西部水系由于沿江节制闸规模较小，引水通道能力有限，引水对西部水系水质改善效果较弱，建议逐步实施护漕港节制闸扩建工程和太字圩港水系连通工程，逐步提高西部水系引水能力。

c. 平原感潮河网引水服务面积随着引水量的增大呈现线性增长趋势，而单位引水量服务面积呈现对数函数下降趋势，其中，东北部水系单位引水量服务面积最大，为0.352～0.891 km2/万m3；西部水系次之，为0.156～0.303 km2/万m3；中部水系最小，为0.061～0.146 km2/万m3。