新溝河工程應急調水效果評估

龔李莉，蔡 梅，王元元，馬農樂

(1.太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434； 2.上海東南工程咨詢有限責任公司，上海 200434)

水資源短缺、水環境污染和水生態損害已成為目前制約我國經濟社會高質量發展的突出瓶頸，在此背景下實施江河湖連通工程已成為提高水資源統籌調配能力、改善河湖生態環境質量狀況、增強抵御水旱災害能力的一項重要舉措[1-2]。新溝河工程，即新溝河延伸拓浚工程，是國家172項節水供水重大工程，也是國務院批復的《太湖流域水環境綜合治理總體方案》中安排的提高太湖流域水環境容量的骨干引排工程之一[3]。新溝河工程功能除了提高流域、區域的防洪排澇能力，減少進入太湖梅梁湖的污染負荷外，另一項重要功能是太湖梅梁湖遇突發水污染事件時，實施應急引長江水進入梅梁湖，以應對突發水污染事件。因此，新溝河工程科學調度是應對太湖北部湖區突發水污染事件的重要手段，工程實際調度效果對于太湖水質保護和突發水污染事件應急都具有重要意義。

目前關于引調水改善河網水環境的研究和實踐多集中在特定引水流量、引水水質對于河網水環境的改善效果。許益新等[4]以張家港市為例，揭示了不同長江潮位與內河引水量的響應關系、不同引水量與河網水質改善效果的響應關系，以及不同引水量與引水服務面積的響應關系。張伊佳等[5]選取太湖下游河網區29個斷面氨氮和高錳酸鹽指數逐月監測數據，采用綜合污染指數法、聚類分析法等分析了復雜水文水動力條件下的引水調控效果?，F有的關于新溝河工程調度效果的研究則主要圍繞工程排水調度效益或其影響。陳江海[6]利用MIKE21軟件建立了二維水流水質模型，研究了新溝河工程排水對長江水環境的影響，認為工程排水對長江的不利影響主要在入江口附近區域，影響程度總體較小。馬農樂等[7]針對新溝河主要控制建筑物設計了不同調度運行方案，并通過數值模擬計算了遭遇百年一遇降雨條件時不同方案下的區域河網水位、水量變化，分析了新溝河工程對太湖流域防洪形勢產生的影響。朱海生[8]結合新溝河工程試運行情況，總體闡述了工程在防洪(排澇)減災、生態環境、保障供水、改善水質等方面的有益作用。

從已有研究可以發現，目前針對新溝河工程調度的研究主要關注工程排水對于長江水質的影響[9]和工程防洪調度效果，對于新溝河工程調度效果或影響的研究還不夠全面。此外，由于新溝河工程為新建工程，工程運行以來的實測水量、水質資料十分有限，現有研究主要基于模型模擬結果，缺乏實測數據的支撐和驗證，對工程運行實際效果尚無定量研究。為此，本文依托2018年10—11月新溝河工程應急調水試驗，基于試驗期間水量水質原位監測數據評估工程應急調水的實際效果，以期為新溝河工程調度提供參考。

1 工程概況

新溝河工程地處太湖流域武澄錫虞區，該區位于太湖流域的北部，西與湖西區接壤，南與太湖湖區為鄰，東以望虞河東岸為界，北濱長江。區域內河道河底坡降普遍較小，除京杭運河外，大部分河流水流流向因降雨的豐枯、長江水位變化以及水利工程引排調度等影響表現為往復不定。新溝河工程全長97.47 km，河道工程北起長江，至石堰后分成東、西兩支，東支河道以立交方式穿越京杭運河、錫溧漕河后接南直湖港段入太湖，西支河道平交京杭運河后連接武進港至太湖。新溝河沿線工程較多，包括沿江的新溝河江邊樞紐，位于東支河道上的西直湖港北樞紐、西直湖港閘站樞紐、西直湖港南樞紐以及靠近太湖的直湖港閘，位于西支河道上的石堰節制閘、遙觀北樞紐、遙觀南樞紐以及靠近太湖的武進港閘，此外還有位于新溝河沿線支河上的節制閘等控制工程。研究區水系及監測斷面分布如圖1所示。

圖1 研究區水系及監測斷面分布Fig.1 The river system and distribution of monitoring sections in the study area

新溝河應急引水是應急處置太湖局部湖灣突發水污染事件的重要手段。根據工程調度原則，為保證引調水入太湖水質，在引長江水之前需先使新溝河干流水質得到改善，初期引入的長江水從新溝河沿線的支河退水入河網，待水質達到要求后方可應急引水入太湖梅梁湖。

本次應急調水試驗期間，新溝河江邊樞紐調度分閘引、泵引兩種運行方式，當長江潮位較低時啟用泵站引水，第1～3天新溝河江邊樞紐啟用1臺泵站引水，同時根據長江潮位適時停機開閘引水，按日平均引水流量30 m3/s控制；第4～15天，新溝河江邊樞紐啟用2臺或3臺機組引水，同時根據長江潮位適時停機開閘引水。第1～3天西直湖港北樞紐地涵關閉；第4～15天西直湖港北樞紐地涵、西直湖港閘站樞紐節制閘開啟，引水入運河以南地區。新溝河兩岸支河口門建筑物，第1～3天石堰節制閘和玉祁南閘開啟，新溝河東支運河以北沿線支河上其余節制閘關閉；第4～15天石堰節制閘開啟，靠近太湖的洋溪河東閘(新溝河支河洋溪河上的控制工程)開啟，新溝河東支其余支河上的節制閘關閉。入太湖的直湖港閘保持關閉。

研究區域共布設監測斷面42處(圖1)，水量水質同步監測。水量監測內容包括新溝河干流沿程水位、流量，水質監測指標包括水溫、pH值、濁度、溶解氧、電導率、高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷等。應急調水試驗期間水質監測每天不少于1次，應急調水試驗結束后開展3～5次水質跟蹤監測。

2 研究方法

2.1 水量分配規律

分汊河道的分流特性常用分流比表示，分流比對防洪排澇、供水、水環境保護等有重要意義[10-11]。石堰節制閘開啟狀態下新溝河東支、西支的分流比是新溝河工程調度關注的問題之一。新溝河東支、西支分流比計算公式分別為

(1)

(2)

式中：γE、γW分別為東支和西支河道分流比；QE、QW、Q干流分別為東支、西支和干流實測流量；QE，東柳塘、QW，石堰橋、QW，石埝橋分別為東支東柳塘斷面、西支石堰橋斷面和西支石埝橋斷面實測流量。

2.2 受水區對長江來水的響應分析

在數值模擬中，通?？刹捎脕硭M成的方法定量分析不同水源組成情況和河道內水體置換程度，以此表征受水區對于來水水源的響應快慢。然而在野外原型試驗中該方法使用較為困難，因此，本文采用水體電導率指標變化近似推測受水區對于長江來水的響應時間。水體電導率主要表示水的純度，電導率高說明水體中能導電的礦物質含量高[12]。一般而言，長江水體電導率與河網水體電導率有顯著差異，如陳錫超等[13]對2008年9月5—7日(非引江濟太期間)長江、望虞河水質進行了分析，結果顯示長江水體電導率明顯低于望虞河；楊浩等[14]也采用水體電導率變化表征長江引水對河網的影響，結果顯示大部分引水河道上距離長江較近的斷面，其電導率相對較低。本文根據監測斷面電導率發生突變的時刻推測長江來水顯著影響該斷面的歷時。

2.3 水質評價方法與評價指標

根據引調水目的和研究的重點，現有研究多從水質改善、水動力改善等方面對引調水工程的調水效益進行評估[15-16]，常用的指標包括河道流速、水體換水周期、水質改善系數、內梅羅指數及其衍生指標等[17-19]；部分研究為定量分析水質指標的類別變化，采用的指標為類別變化指數[4]。本文采用水質改善系數和類別變化指數評估引調水前后研究區水質變化。

2.3.1水質改善系數

計算水質改善系數需先計算綜合污染指數。綜合污染指數計算公式[20]為

(3)

其中

Sij=ρij/ρSi

式中：P為綜合污染指數；Sij為單項污染物標準指數；ρij為評價因子i在監測斷面j的實測質量濃度，mg/L；ρSi為評價因子i的地表水水質標準值，mg/L;n為評價因子的數目。

考慮到引水對河網的水環境影響是一個動態過程，為便于評估這種影響，采用平均水質改善系數I和最大水質改善系數Imax分別表征引水帶來的水質平均改善程度和最大改善程度，計算公式如下：

(4)

(5)

選取氨氮、高錳酸鹽指數和總磷等3項指標，以Ⅲ類水作為評價標準，計算綜合污染指數、平均水質改善系數和最大水質改善系數。

2.3.2類別變化指數

類別變化指數屬于均值型多因子指數，反映引水前后水質類別變化(上升或下降)的等級[21]，計算公式如下：

(6)

式中：G為類別變化指數，數值為正表示水質類別上升，數值為負表示水質類別下降；Gbi、Gai分別為引水前、后第i種污染物的水質類別。

選取溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數和總磷等4項污染物指標計算水質類別變化指數。

3 結果與分析

3.1 東支、西支河道水量分配規律

應急調水試驗期間，新溝河江邊樞紐日均引水流量為20.5～51.9 m3/s，日引水量在176.8萬～448.6萬m3之間，15 d累計引水量為5 371.3萬m3(圖2)。石堰節制閘位于新溝河西支，節制閘開啟與否將直接影響新溝河干流來水在東支、西支的分配，是影響新溝河工程引排調度效果的關鍵因素之一。

圖2 新溝河引水水量過程Fig.2 Water diversion process of Xingou River

本次應急調水試驗過程中石堰節制閘全程處于開啟狀態，新溝河干流來水一部分向西支分流。如圖3所示，根據實測流量計算，試驗期間新溝河西支分流比為0.30～0.59，平均約為0.51；西支分流比與干流來水流量有一定正相關關系，總體上隨著新溝河干流來水流量增大，西支(石堰節制閘)分流比在一定范圍內有增大趨勢。新溝河沿程實測流量數據顯示，受到西支分流的影響，東支靠近太湖的陸藕路橋斷面日均來水流量為6.3～16.1 m3/s，日均來水流量僅占新溝河日均引江流量的9%～22%。根據新溝河工程功能，有應急引水需求時通過東支河道實施應急引水，因此，未來在確有需要實施應急引水的情況下，建議適當控制西支分流量，以保證東支河道應急引水入湖的水量。

圖3 新溝河西支分流比隨干流來水流量變化Fig.3 Variation of diversion ratio of the west main branch of Xingou River with water inflow

3.2 受水區對長江來水的響應

應急調水試驗開始前一天(10月19日)，對長江新溝河段進行了水質采樣。長江水質總體較優，其中，溶解氧質量濃度為8.08 mg/L(Ⅰ類)，高錳酸鹽指數質量濃度為2.1 mg/L(Ⅱ類)，化學需氧量質量濃度為17.4 mg/L(Ⅲ類)，氨氮質量濃度為0.03 mg/L(Ⅰ類)，總磷質量濃度為0.149 mg/L(Ⅲ類)，總氮質量濃度為1.87 mg/L。

采用監測斷面電導率發生突變的時刻推測長江來水顯著影響該斷面的歷時，應急調水試驗期間，新溝河江邊樞紐15 d累計引水量為5 371.3萬m3，新溝河引水量與干流電導率變化見圖4。

圖4 部分斷面電導率隨累計引水量變化Fig.4 Variation of conductivity of some sections with the cumulative water diversion

a.運河以北區域。引水后，受長江來水影響，新溝河東支位于京杭運河以北的各斷面由于距離來水水源較近，其電導率顯著降低，引水一定時間后電導率基本維持在300～400 μS/cm。

b.運河以南區域。為進一步分析長江來水到達運河以南的時間及引水的影響范圍，選取運河以南距離來水水源較遠的3處干流斷面進行分析。試驗第4天西直湖港北樞紐開啟后，運河以南43號陸藕路橋斷面(位于新溝河東支)、44號張舍橋斷面(位于新溝河東支的支河洋溪河)水體電導率自試驗第7天起開始出現顯著下降，在試驗第8天，即西直湖港北樞紐開啟并持續引水第3天(10月24日西直湖港北樞紐引水入運河以南流量較小，因此不計入持續引水歷時)后，上述斷面電導率基本維持在400 μS/cm左右。新溝河西支37號戴溪步行橋斷面電導率隨著引水的持續略有降低，但仍維持在600～800 μS/cm之間。

上述斷面水體電導率變化情況表明：新溝河江邊樞紐引水影響區域可覆蓋新溝河干流，新溝河引水后運河以北干流水體可得到充分置換，西直湖港北樞紐開啟并持續引水約3d后，長江來水對運河以南東支本底水量置換程度也較高；此外，受石堰節制閘開啟分流影響，長江來水對西支河道水量也有一定置換，但由于受運河分流影響，長江來水對運河以南西支的影響較小。

3.3 水環境改善效益時空特征分析

3.3.1河網水質類別變化

研究區不同時間段各斷面水質類別如圖5和圖6所示。應急調水試驗前，研究區水質綜合類別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類的斷面占比分別為20%、42.9%、14.3%和22.9%；第4～6天Ⅲ類斷面占比顯著增加，劣Ⅴ類斷面占比顯著減少，綜合水質類別達到Ⅲ類的斷面占比提高至46.8%；第7～15天Ⅲ類斷面占比進一步增加，Ⅳ類～劣Ⅴ類斷面占比進一步減少，Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類斷面占比分別為68.1%、23.4%、6.4%和2.1%，綜合水質類別達到Ⅲ類的斷面占比提高至68.1%，較背景值上升48.1%；跟蹤監測期(第16～22天)各斷面水質進一步提升，綜合水質類別達到Ⅲ類的斷面比例較背景值上升52.3%?？傮w上，新溝河干流水質類別隨著應急調水的持續逐步提升；東支河道個別支流由于應急調水試驗期間處于關閉狀態，其監測斷面氨氮、總氮等指標質量濃度小幅增大。

圖5 河網水質類別占比變化Fig.5 Variation of water quality categories proportion in the river network

(a) 本底水質

(b) 第4～6天水質

(c) 第7～16天水質

(d) 第16～22天水質圖6 監測斷面各時間段水質分布Fig.6 Water quality distribution at monitoring sections in different periods

3.3.2水質改善系數、類別變化指數時空特征

應急調水試驗期間，新溝河干流各監測斷面的平均水質改善系數I、類別變化指數G如表1所示，其中，6號新溝橋斷面位于新溝河干流，20號東柳塘、28號萬里大橋、30號勝利橋、34號陽山大橋、43號陸藕路橋、48號湖山橋斷面位于新溝河東支，21號石埝橋、51號橫山大橋、52號遙觀北樞紐斷面位于新溝河西支。

表1 新溝河干流各斷面平均水質改善系數和類別變化指數Table.1 Variation of I index and G index at each section in the main stream of Xingou River

從時間變化看，第4～6天、第7～15天I值均值分別為12.3和36.5，G值均值分別為0.53和0.80，總體上各斷面I值、G值隨應急調水的持續而逐步增大，表明隨著長江來水量的增加，新溝河干流的水環境改善效益總體逐步增強。應急調水試驗結束后，新溝河東支、西支I值較第7～15天略有下降，但較調水前仍有明顯改善，表明前期引水的水環境改善效益有一定的維持時間。Imax反映最佳水環境改善效果，新溝河東支、西支各監測斷面Imax在39.8～58.2之間，出現時間基本在第7～15天、第16～22天兩個時間段。

空間上則主要表現為兩個特征：①水質改善效果與本底水質有關，本底水質越差，即本底綜合污染指數P0較大的斷面，其Imax總體較大，30號勝利橋、34號陽山大橋、51號橫山大橋、52號遙觀北樞紐斷面P0均在0.9以上，這些斷面Imax均在51以上(表1、圖7)；②斷面距離來水水源的里程對水質改善效果有較大影響，這與前人研究的部分水利工程引調水產生的水環境效果研究結論一致。這一點可以從各時間段I值、Imax出現時間兩個角度說明，從各時間段I值分析，本底水質狀況接近時，距離來水水源較近的斷面傾向于表現為較大的I值，20號東柳塘、43號陸藕路橋斷面P0均為0.53，除跟蹤監測期外，20號斷面各時間段I值均大于43號；6號新溝橋、28號萬里大橋斷面P0接近，6號斷面各時間段I值均大于28號斷面。從Imax出現時間分析，新溝河東支、西支河道上京杭運河以北斷面Imax出現時間基本在第7～15天，東支河道上京杭運河以南斷面Imax出現時間基本在第16～22天，出現時間與斷面距離來水水源的里程具有顯著的正相關關系，總體上出現時間隨著里程的增加而推后(圖8，圖中縱軸出現時間表示Imax在第幾天出現)。

圖7 最大改善系數與本底綜合污染指數關系Fig.7 Relationship between Imax and P0

圖8 最大改善系數出現時間與斷面距離來水水源里程關系Fig.8 Relationship between occurrence time of Imax and the distance between the section and the water source

4 結 論

a.應急調水試驗期間新溝河西支分流比在0.30～0.59，受到西支分流的影響，新溝河東支入太湖前斷面(陸藕路橋斷面)日均來水流量僅占新溝河日均引江流量的9%～22%。因此，未來在確有需要實施應急引水的情況下，建議通過優化調整石堰節制閘調度運行，適當控制西支分流量，以保證東支應急引水入湖的水量。

b.新溝河引水影響區域可覆蓋新溝河干流及退水的洋溪河區域，在新溝河西支分流的情況下，長江來水對運河以南新溝河東支的影響時間約為西直湖港北樞紐開啟并持續引水3 d后。為縮短應急調水情況下受水區對長江來水的響應時間，同樣建議適當控制西支分流量。

c.隨著長江來水量的增加，新溝河干流水質改善效果總體增強。干流各斷面水質最大改善系數基本出現在第7～15天、第16～22天兩個時間段；調水結束后，前期引水的水環境改善效益仍可維持一定的時間。

d.水質改善效果與斷面本底水質以及距離來水水源的遠近有關。本底綜合污染指數較大的斷面，其最大水質改善系數總體較大。斷面距離來水水源的里程對水質改善效果有較大影響，最大水質改善系數出現時間總體上隨著引水距離的增加而推后。