2007—2020年引江济太环境效益分析及工程优化调度研究

殷 鹏 华 萍 胡晓雨

(江苏省水资源服务中心，江苏 南京 210029)

引江济太通过望虞河常熟水利枢纽引长江水,由望亭水利枢纽入太湖,为增加流域水资源供给、保障水源地水质安全发挥了重要作用[1-3]。近期,有专家提出“长江总磷浓度要高于太湖湖体总磷浓度,引江济太可能是造成2016年之后太湖总磷升高的原因之一”。本研究对2007—2020年引江济太环境效益进行了统计研究,并分析了引江济太工程调度管理中遇到的实际问题,提出了工程优化调度的建议,为更好地发挥引江济太工程效益,提供技术支撑。

1 引江济太及环湖入湖河流水质变化趋势分析

根据江苏省水文水资源勘测局监测数据,统计了2007—2020年引江济太期间望虞河入湖总磷、总氮浓度,并根据太湖流域管理局太湖健康状况报告中入湖水量及入湖氮磷通量计算了太湖环湖入湖河流总磷、总氮平均浓度,结果见图1和图2。其中2007—2020年引江济太期间,望虞河望亭立交入湖水质总体稳定,望虞河年均入湖总磷浓度在0.101～0.149mg/L之间波动,总体呈稳定的趋势,均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)河流Ⅲ类水标准,平均浓度为0.131mg/L;年均入湖总氮浓度在1.91～2.74mg/L之间波动,平均浓度为2.36mg/L。太湖环湖入湖河流总磷平均浓度在0.138～0.275mg/L之间波动,为Ⅲ～Ⅳ类水水质,浓度总体呈下降趋势,平均浓度为0.193mg/L;年均入湖总氮浓度在5.67～2.85mg/L之间波动,平均浓度为4.12mg/L。

图1 2007—2020年望虞河及环湖河流入湖总氮平均浓度

通过上述两组数据比较分析,2007年以来,历年望虞河入湖氮、磷浓度均低于太湖环湖入湖河流入湖氮磷浓度,其中总磷低12.4%～53.8%,平均低32.1%;总氮低30.0%～57.4%,平均低42.7%。

图2 2007—2020年望虞河及环湖河流入湖总磷平均浓度

2 太湖蓝藻生物量及湖泛统计分析

根据江苏省水文水资源勘测局太湖湖泛巡查数据,统计了太湖湖泛情况,并根据水利部太湖流域管理局数据统计了2007—2020年太湖逐月叶绿素a月均值,结果见图3。结果显示,2007年之后,太湖未发生大面积湖泛,但是共发生96次小范围水质异常(小范围湖泛),集中分布在5—9月,其中5月16次,占16.7%,6月38次,占39.6%,7月27次,占28.1%,8月9次,占9.4%,9月6次,占6.3%;太湖5—10月,太湖叶绿素a浓度月均值均超过0.03mg/L,其余月份均低于0.03mg/L;5—10月,共有2个峰值,分别为5月(0.051mg/L)、8月(0.061mg/L)。

图3 2007—2020年太湖叶绿素a平均浓度及湖泛发生次数

江苏省政府印发了《江苏省太湖蓝藻暴发应急预案》,根据蓝藻水华面积、藻密度、叶绿素a浓度等指标,制定了Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级预警标准,根据江苏省环境监测中心数据统计了2020年太湖蓝藻预警触发次数,见表1。结果表明2020年太湖共触发蓝藻预警21次,其中触发Ⅱ级预警条件6次,触发Ⅲ级预警条件16次,分布在5—10月。

表1 2020年太湖蓝藻预警触发次数统计

通过上述3组数据分析,定义5—10月为太湖蓝藻湖泛高发期,1—4月以及11月、12月为太湖蓝藻湖泛非高发期。

3 引江济太入湖水量统计分析

3.1 引江济太调度管理要求变化情况

2011年8月,国家防汛抗旱总指挥部批复《太湖流域洪水与水量调度方案》,引入了调水限制水位的机制,调水限制水位与时间的关系见图4,该机制主要目的是为了保障太湖防洪安全,在汛期来临之前,提前预降太湖水位,规定除突发水污染、水质恶化等事件外,原则上太湖水位超过调水限制水位后,不得实施引江济太[4]。

图4 不同时间太湖调水限制水位

3.2 引江济太入湖水量年际变化

根据江苏省水旱灾害防御调度指挥中心监测数据,统计了望虞河引江济太入湖水量情况,见图5。结果表明2007—2020年望虞河引江济太累计入湖水量105.2亿m3,年均引水入湖水量7.52亿m3、年均引水入湖持续99.6d,引水入湖水量与引水入湖持续时间成良好的正相关关系,引水期间,平均每天入湖水量755万m3。

引江济太入湖水量总体呈下降趋势,调水限制水位机制实行之前(2007—2011年),年均引江济太入湖水量10.6亿m3,调水限制水位机制实行之后(2012—2020年),年均入湖水量降至5.81亿m3,较之前减少45.2%,其中2015—2020年,年均入湖水量进一步下降至3.91亿m3。

图5 2007—2020年历年望虞河引江入湖水量及引水入湖时间

3.3 太湖蓝藻湖泛非高发期入湖水量年际变化

2007—2020年,太湖蓝藻湖泛非高发期(1—4月以及11月、12月)累计引水60.5亿m3,该段时间年均引水4.32亿m3,其中2007—2011年年均引水4.45亿m3,2012—2020年年均引水4.25亿m3,历年具体数据见图6。调水限制水位机制实行之后,太湖蓝藻、湖泛非高发期入湖水量仅比之前低4.5%,主要是由于太湖蓝藻、湖泛非高发期同时也是一年当中的非汛期,这段时间太湖流域降雨偏少,水位偏低,调水限制水位的机制引入后,并没有对该段时间的引水产生明显影响。

图6 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛非高发期引江济太入湖水量

3.4 太湖蓝藻湖泛高发期入湖水量年际变化

2007—2020年,太湖蓝藻湖泛高发期(5—10月)累计引水44.8亿m3,该段时间年均引水3.20亿m3,其中2007—2011年年均引水6.14亿m3,2012—2020年年均引水1.56亿m3,历年具体数据见图7。调水限制水位机制实行之后,太湖蓝藻湖泛高发期引水量较之前大幅度减少74.6%。主要原因是蓝藻水华及湖泛高发期也是一年中的主汛期,加之这段时间太湖水位偏高,以及5月1日至7月19日这段时间太湖调水限制水位偏低,造成太湖调水限制水位机制引入后,蓝藻水华及湖泛高发期引江入湖水量大幅度减少。

图7 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛高发期引江济太入湖水量

通过上述分析可以得出,调水限制水位机制实行之后,对太湖蓝藻湖泛非高发期引江济太没有产生明显影响,但是对太湖蓝藻湖泛高发期影响制约明显,调水限制水位机制实行前后引江济太入湖水量对比情况见图8。

图8 调水限制水位机制实行前后引江济太入湖水量变化

4 调水限制水位机制实行后水污染、水质恶化等突发事件条款的实际运用

《太湖流域洪水与水量调度方案》实行之前,2007—2011年,在蓝藻水华高峰期,在调水入湖时段每年平均有62.8d太湖实际水位超过了之后规定的调水限制水位,2011年之后,在调水入湖时段每年平均只有3.5d出现太湖实际水位超过调水限制水位的情况[5-6]。

这些调水入湖的时段太湖实际水位超过调水限制水位的情况集中发生在2012年、2017年、2020年,其中2012年5月贡湖湾发生了3起小范围水质异常(小范围湖泛),威胁水源地供水安全,期间引水16d,其中超调水限制水位3d;2020年5月、6月贡湖湾共发生2起小范围水质异常,期间调水13d,其中超调水限制水位7d;2017年为2007年以来蓝藻水华最严重的一年,卫片监测到的蓝藻水华总面积、最大面积都是2008年以来最大的一次,5—9月共发生小范围水质异常17次,远超年均发生次数(7.4次),期间调水38d,其中超调水限制水位25d,为2011年之后最多的一次[7-8]。

统计太湖蓝藻湖泛高发期引江调水期间实际水位超调水限制水位最高高度情况,2011年之前最高为0.26m,发生在2009年;2011年之后最高为0.17m,发生在2017年。历年具体情况见图9。

图9 太湖蓝藻湖泛高发期超调水限制水位引水时间及最大高度

综上分析,2011年《太湖流域洪水与水量调度方案》执行之后,仅在贡湖湾发生小范围水质异常,严重威胁水源地供水安全的条件下,以及太湖蓝藻水华及小范围水质异常(小范围湖泛)异常严重的2017年,实施过超调水限制水位引江济太入湖,时间总计只有35d。

5 引江济太入湖水量与太湖水质之间的关系

5.1 引江济太入湖水量与太湖总磷浓度的关系

利用线性趋势法分析了2007—2020年历年蓝藻湖泛高发期及非高发期引江济太入湖水量与同时期太湖总磷浓度之间的关系,结果见图10和图11,结果表明蓝藻湖泛高发期及非高发期引江济太入湖水量的增加或降低均不会明显影响太湖总磷浓度。

图10 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛高发期引江济太入湖水量与太湖总磷浓度的关系

图11 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛非高发期引江济太入湖水量与太湖总磷浓度的关系

5.2 引江济太入湖水量与太湖叶绿素a浓度的关系

利用线性趋势法分析了2007—2020年历年蓝藻湖泛高发期及非高发期引江济太入湖水量与同时期太湖叶绿素a浓度之间的关系,见图12和图13,结果表明蓝藻湖泛高发期及非高发期引江济太入湖水量均与同时期太湖叶绿素a浓度成负相关关系。同时进行了统计假设检验,得出蓝藻湖泛高发期及非高发期引江济太入湖水量与同时期太湖叶绿素a浓度之间,P值分别为0.00469和0.00012,均小于0.01,说明2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛非高发期引江济太入湖水量与太湖叶绿素a浓度的关系高度显著。

综上分析说明,增加引江济太入湖水量有利于降低湖体蓝藻生物量。

图12 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛高发期引江济太入湖水量与太湖叶绿素a浓度的关系

图13 2007—2020年历年太湖蓝藻湖泛非高发期引江济太入湖水量与太湖叶绿素a浓度的关系

6 结 论

a.2007—2020年,历年望虞河引江入湖总磷、总氮浓度均低于当年太湖入湖河流总磷、总氮平均浓度,其中总磷浓度均达到河流Ⅲ类水标准。

b.5—10月 为蓝藻、湖泛高发 易 发 期,根 据2007—2020年数据分析,6月为小范围水质异常(小范围湖泛)发生最多的月份,共计38次,8月为太湖平均叶绿素浓度最高的月份,平均浓度为0.061mg/L。

c.2007—2020年太湖引江济太水量总体呈下降趋势,主要原因是2011年8月《太湖流域洪水与水量调度方案》执行之后,蓝藻、湖泛高发易发期(5—10月)引江济太明显受限,2012—2020年蓝藻、湖泛高发易发期平均年引水1.56亿m3,比2007—2011年年均引水量下降74.6%。

d.2012—2020年,历年蓝藻、湖泛高发易发期(5—10月),仅在发生小范围水质异常(小范围湖泛)威胁水源地供水安全的情况下,实施了超调水限制水位引江济太入湖,累计入湖时间仅为35d。

e.引江济太水量增加并没有增加太湖湖体总磷浓度,但有利于降低湖体蓝藻生物量,可对确保太湖水源地水源安全发挥关键作用。

7 建 议

《太湖流域洪水与水量调度方案》确有提出在突发水污染、水质恶化等事件时,可以在超调水限制水位的条件下实施引江济太,但是并没有对何为水污染、水质恶化突发事件进行量化。2021年,生态环境部修订了重点湖库水华预警工作机制,明确了I级(红色)、Ⅱ级(橙色)和Ⅲ级(黄色)预警标准,建议参照该标准,对《太湖流域洪水与水量调度方案》中“水污染、水质恶化等突发事件”这一条款进行量化明确,更好地发挥引江济太在湖泛及蓝藻水华防控方面的功能效益。