不同控源截污水平下平原圩区活水效果研究

张澍　柳志亮　陈瑶雪　李俊龙　王安亭

摘要：平原圩区河网普遍存在水动力不足、自净能力弱的特点，水环境问题突出。控源截污和畅流活水是平原圩区河网常用的水环境治理措施，但大规模控源截污技术条件困难，实施周期较长；畅流活水虽见效快，但持续时间短，因此需两者配合进行。以无锡市锡山区云林街道为研究区，建立水量水质耦合模型，探究不同截污水平下活水调度对区域水环境的影响。结果表明：不同活水调度方式对区域河道水环境影响不同，部分调度方式甚至会使河道水质恶化；控源截污能有效提升全断面水质；当控源截污和畅流活水两种措施结合时，改善效果超过单一手段，且能改善因调度而导致的水质恶化现象。研究成果可为研究区及其他平原圩区河网有效全面地治理水环境问题提供科学依据。

关 键 词：控源截污； 畅流活水； 水质改善； 平原圩区

中图法分类号： TV121；X522

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.009

0 引 言

平原地区地势平坦，河道纵比降较小，区域水系普遍存在流动性较差的现象［1-2］，加之近年来各大城市广建圩区以防洪涝，大部分内河被闸泵控制，水体的自然流动性和连通性遭到进一步破坏，导致河道水体置换能力差［3-5］，自净能力低，同时工业化的快速推进使城区入河污染物急剧增加。平原圩区河道水动力不足、自净能力低、水体置换周期长、污染因子易入难出的水环境问题日益严重，亟待解决。针对上述问题，凌涛等［6］提出采取调水、截污清淤等措施改善城市河道水环境；胡琦玉等［7］在考虑圩区内水利工程的调度规则和污水处理厂运行工况的基础上制定了污水处理厂尾水排放影响预测方案，并提出了对受纳水体影响最小的排放方案；陆一维等［8］构建了一维非稳态水动力水质模型，模拟各引水方案及调度规则对研究区域的水质改善效果。可以看出，平原圩区水环境整治措施主要为控源截污和畅流活水，从单一手段上看，控源截污可以从源头上控制污染源，但想要完全控制污染生产源头、拦截污染物的排放在当前经济和技术条件下非常困难，需长期规划［9-10］。而畅流活水可在短时间内快速改善城市河网水动力条件及水质情况［11］，但维持时间短、效果有限。因此，要想切实改善平原圩区水环境，需要控源截污和畅流活水两种措施同步进行，以确保稳定、持续提升区域水环境质量。为尽快改善区域水环境状况，目前无锡市锡山区政府在加大控源截污力度的同时，开展了区内活水实践，但两种措施相结合相关研究成果较少，尚处于探索阶段。本文以锡山工业集中区——云林街道为研究区，建立水量水质耦合模型探究不同截污水平下活水调度对区域水环境的影响，为研究区及其他相似区域的水环境治理提供依据。

1 研究区概况

无锡市锡山区云林街道位于长江三角洲腹地，太湖流域锡澄片河网中部，为长江下游典型的平原河网地区，且街道内大部分河段处于运东大包围内部。街道整体呈南北高、中间低走势；区域内现状及规划闸站共13处，区域内闸泵位置见图1。

研究区现状水环境存在较多问题，如：区域内的拦水工程一定程度上改变了河流的形态，破坏了水系的自然连通性；骨干河网自然高程差几乎为零，水体水动力条件差，部分河道滞留，河道自净能力低下；随着区域城市化、工业化进程的推进，入河污染物不断增加；经过清淤、控源截污工作，区域河道水质有所提升，然而整体水环境状况依然较差，仍有Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的河道，其中位于运东大包围内部河网区水环境形势尤为严峻，亟待解决。

2 研究方法

2.1 模型原理

通过MIKE 11水动力模块HD和对流扩散模块AD建立研究区水环境的水量水质耦合模型。

式中：C为污染物质量浓度，mg/L；j为节点编号；I为与j节点相联接的河道编号；Sc为污染物浓度衰减项；S为污染物源项；Ex为纵向分散系数，m2/s；Ω为节点的水面面积，m2。

2.2 模型构建

为确保能有效降低模拟的误差，提高模拟结果的准确性，模型应具有完整的流域范围和稳定的边界条件，故将模型的模拟范围扩展至整个锡澄片骨干河网：对望虞河以西、澡港-武进港以东、太湖以北、长江以南的骨干河道进行概化，以作为河网模型的计算区域；对云林街道内河道进行细化，以作为研究区域。

2.3 模型率定

畅流活水主要在枯水期实施，为确保模型参数设置的合理性、准确性，选取非汛期资料作为水量率定时模型的边界。以2015年10～11月长江、太湖的实测潮位、水位等资料作为模型的边界条件进行率定。选取计算区域内有实测水位数据的陈墅、青旸两个水位站的实测水位作为率定的目标水位。在进行水量的率定时，以均方根误差（RMSE）作为量衡标准，率定结果见图2，

陈墅、青旸水位站的RMSE分别为0.058和0.059。由水量的率定结果来看，模型的计算结果较为可靠，模型可用于描述区域河网的水量变化过程。

在进行水质率定时，以百分标准偏差（%BIAS）作为量衡标准。根据近几年无锡市锡山区水质评价结果，NH3-N为锡山区云林街道主要污染物，故本次研究以NH3-N作为水质模拟的对象，选择2019年区域内15个监测断面非汛期水质平均值对水质进行率定，率定结果见图3。水质率定结果显示15个監测断面的NH3-N百分标准偏差最大值为13.8%，均小于20%，模型计算值与实测值基本吻合，说明模型可用于描述区域河网的水质变化过程。

2.4 方案设定

研究区外部环境水利工程调度情况较为复杂，本文中将其设置为常规状态：白屈港引水泵以80 m3/s开启；“引江济太”常熟、望亭水利枢纽关泵关闸；望虞河“西控”工程羊尖塘枢纽开泵（1 m3/s），黄塘河、杨安港、丰泾河、九里河卫浜枢纽开闸；宛山荡活水工程南桥港、潘墅塘、桑叶桥港、九里河东枢纽按规模开泵。

以研究区外部水利工程常规调度为背景条件，设定3种现状控源截污水平下活水调度方式，各调度方式闸泵启闭情况见表1。考虑在现状污染源基础上控源截污水平提升（入河污染物被削减）10%，20%，30%，40%四种情况；并分别模拟在上述活水调度方式下结合不同控源截污水平河网的水质变化情况，以分析控源截污和畅流活水两种措施相结合对研究区水环境质量的影响。

3 结果分析

3.1 活水调度效果分析

在现状控源截污水平下无调度时，研究区整体水质状况为较差，Ⅴ类、劣Ⅴ类水质断面占比达到40%，Ⅲ类及以上水质断面占比仅33.3%，离目标水质差距较大。在现状控源截污水平下实施活水调度时，因不同活水调度方式的站泵启闭情况不同，各调度方式下进水通道、退水通道以及清水在研究区流动路径有所不同，导致不同调度方式对研究区水质改善效果略有不同，具体调度效果见表2。

分析水质得到改善断面的NH3-N浓度随时间变化情况可知，当调水开始进行后，断面污染物浓度均有不同程度地降低，且随着调水推进，污染物浓度降低的速率开始变慢，甚至达到稳定不变；但当调水一旦停止，污染物浓度迅速回升。可见畅流活水虽能快速地提升河网的水动力和水质，但改善效果有限、维持时间较短。图4为调度方式1下水质得到改善的5个断面NH3-N浓度随时间的变化情况。

在各活水调度方式下，研究区也有出现水质恶化（水质提升率为负）的断面，位置均位于退水通道及周边。经分析可知，九里河西部如何污染物较多、水质较差，加上清水流经河道路程较远，在调水期间因污染物转移，导致位于退水通道及周边的断面出现水质恶化的现象。图5为调度方式1下水质恶化的7个断面NH3-N浓度随时间的变化情况。综上，当某区域周边河道入河污染物较多、水环境较差时，单一采用畅流活水措施可能会导致河道水质恶化，并不能达到预期目标，因此在实际操作中应充分考虑调度的进水通道、退水通道以及清水的流动路径，并结合控源截污措施，以有效改善区域河道水质。

3.2 控源截污效果分析

在无调度情况下，模拟区域控源截污水平逐渐提高的情况，得到现状控源截污水平和控源截污水平分别为10%，20%，30%，40%五种情况下各监测断面的水质变化情况（见图6）。由图6可知，随着控源截污水平不断提高，所有监测断面NH3-N浓度不断下降；虽然本底水质较好的断面改善效果一般，但本底水质较差的断面改善程度尤为明显。当控源截污水平提升20%时，研究区整体断面水质比现状控源截污水平提升了14.9%，达到Ⅲ类水标准的监测断面个数较现状增加2个；当控源截污水平提升40%时，河道水环境已经有明显的改善，研究区整体断面水质比现状控源截污水平提升了27.2%，且有2个断面脱离劣Ⅴ类。

3.3 结合措施效果分析

前两节分别采用活水调度和控源截污的单一手段对断面水质情况进行了分析，其中不同活水调度方案对研究区域的水质改善情况差异较大，有的甚至出现负面作用；控源截污对全断面水质均有改善，但考虑到大幅提升控源截污水平在技术与经济方面难度较大，现综合考虑将两种措施结合使用。

图7为研究区域平均水质在不同控源截污水平下不同活水调度方式的变化情况。可以看出，随着控源截污水平的提高，不同调度方式的平均水质均稳定提高，其中调度方式1的平均水质由恶化变为改善，当控源截污水平达到40%时调度方式3的平均水质提升率达到37.25%，说明两者结合对水质的改善效果大于单一的活水调度方案。进一步发现，在5种控源截污水平下，不同活水调度方案的平均水质提升率均是方式3>方式2>方式0>方式1，说明控源截污提升但并不影响畅流活水方案对河道水质的改变。在实际操作中若能通过模型模拟和大量实践确定平原河网当地最优活水调度方式，并积极推进控源截污，将能快速、有效、经济可行、稳定地提升水质，改善河道水环境。

4 结 论

（1） 不同活水调度方式对区域河道水质改善效果略有不同，部分调度方式可有效改善水环境，一定程度上提升了平原圩区河网的水动力和水质；部分调度方式将使区域河道出现水体内循环、污染物转移的现象，导致部分河段水质发生恶化。

（2） 对于水环境得到改善的河段，活水调度作用有效且维持时间较短，一旦停止调水，河道污染物浓度将会迅速回升，甚至在短时间内变回调水前的状态，需要配合控源截污长久稳定提升水质。

（3） 控源截污能有效改善全断面的水质，在无调水时，当控源截污水平提升40%，能使研究区域全部消除劣Ⅴ水质监测断面，大部分河道达到Ⅳ类水及以上，改善效果较好。

（4） 当控源截污和畅流活水两种措施结合时，改善效果超过单一手段；在同一种调水模式下，随着控源截污水平的提升，已得到改善的河道水质可得到进一步的改善；由于污染物转移使部分河道断面水质恶化的现象得到控制。

（5） 随着调水的持续进行，在污染物浓度达到某一最高值后逐渐开始降低，初步推测若能适当延长调水周期，研究区河道污染物得到进一步转移、稀释、净化，最终污染物浓度会降至理想水平，使区域所有河道的水环境均可得到较为明显的改善。

本论文调水周期为5 d，后续可继续探究适当延长调水周期时，更长周期调水对区域水环境的改善效果，以及现状调度周期与更长调度周期在停止调度后水質还原速度与还原程度。

参考文献：

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（编辑：刘 媛）

Study on effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception in plain polder areas

ZHANG Shu，LIU Zhiliang，CHEN Yaoxue，LI Junlong，WANG Anting

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The river networks in the polder areas are generally characterized as insufficient hydrodynamic force and low self-purification capacity，and water environment problems are prominent.Source control and pollution interception and water transfer are common water environment control measures in river networks in polder areas，but it is difficult to realize the large-scale source control and pollution interception and the implementation period is long，and although the water transfer works rapidly，its duration is short，so it is necessary to combine these two measures.Yunlin Street，Xishan District in Wuxi City was taken as the study area，and a coupling model of water quality and water quantity was established to study the effect of water transfer under different levels of source control and pollution interception.Results showed that different water transfer methods had different impacts on the river water environment，and some methods would even worsen the river water quality；source control and pollution interception could effectively improve the water quality of the whole river；when combining two measures，the effect was better than that of using single method，and it could improve the deterioration of water quality caused by water transfer.The study can provide a scientific basis for effective and comprehensive treatment of water environment problems in the study area and other plain polder areas.

Key words： source control and pollution interception；water transfer；water quality improvement；plain polder area

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：张 澍，男，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计相关工作。E-mail：zhangshu@cjwsjy.com.cn

通信作者：陈瑶雪，女，助理工程师，硕士，主要从事水利水电工程规划设计相关工作。E-mail：chenyaoxue@cjwsjy.com.cn