朱桂娥，孫大勇，李星南

（中國三峽上?？睖y設(shè)計研究院有限公司,上海 200434）

0 引言

太湖流域地處長三角地區(qū),隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,流域水環(huán)境問題日益突出,與當(dāng)?shù)匕l(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)狀況不相匹配。二十世紀(jì)中期,水環(huán)境污染問題逐步凸顯,至90年代中期,流域水環(huán)境狀況全面惡化,區(qū)域水體平均已達(dá)IV類,湖區(qū)三分之一水體達(dá)V類,水質(zhì)平均每十年下降一個級別,水環(huán)境惡化速度較快[1]。2007年太湖藍(lán)藻全面爆發(fā),水質(zhì)富營養(yǎng)化問題突出,嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[2],太湖流域水環(huán)境問題成為我國水環(huán)境保護(hù)進(jìn)程中亟需解決的關(guān)鍵問題之一。

長江發(fā)源于青藏高原格拉丹冬雪山西南側(cè),干流流經(jīng)11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）注入東海。長江水質(zhì)總體良好,但局部污染比較嚴(yán)重,部分支流和湖泊污染問題突出[3],是長江水環(huán)境惡化的主要原因之一。太湖流域位于長江下游,與長江水體交換頻繁,一方面從長江引水補(bǔ)充流域水資源,另一方面,外排流域洪澇水入長江,流域內(nèi)一定量的污染負(fù)荷帶入長江,太湖流域水質(zhì)直接影響作用于長江水環(huán)境[4-7]。

為探討太湖流域水環(huán)境治理與長江水環(huán)境之間的響應(yīng)關(guān)系,本文采用數(shù)值模擬的方法,構(gòu)建一維水文水動力-水質(zhì)模型,分析不同的太湖流域水環(huán)境治理方案對長江水環(huán)境變化的影響,研究太湖水環(huán)境治理對治理長江污染的貢獻(xiàn)。

1 太湖流域概況

太湖流域地處長江三角洲的南翼,三面臨江濱海,一面環(huán)山,北抵長江,東臨東海,南濱錢塘江,西以天目山、茅山等山區(qū)為界[4]。地跨江蘇、浙江、上海兩省一市,是長江三角洲的核心區(qū)域,是我國人口密度最大、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、國內(nèi)生產(chǎn)總值和人均收入增長最快的地區(qū)之一。流域內(nèi)分布有超大城市上海、特大城市杭州、蘇州,大中城市無錫、常州、鎮(zhèn)江、嘉興、湖州及迅速發(fā)展的眾多小城市和縣級鎮(zhèn)。太湖流域行政區(qū)劃及水系分布見圖1。

圖1 三水源新安江模型流程圖

太湖流域經(jīng)濟(jì)社會的高度發(fā)展需提供高質(zhì)量的水資源和水安全保障。2008年國務(wù)院批復(fù)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》,安排了飲用水安全保障、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局調(diào)整、工業(yè)點(diǎn)源污染治理、城鄉(xiāng)污水與垃圾處理、面源治理、生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)、水利工程建設(shè)等多項(xiàng)水環(huán)境治理措施[5],流域水環(huán)境得到明顯改善,但流域水資源仍面臨著水質(zhì)型缺水的主要問題[6]。

針對目前存在的水資源短缺問題,太湖流域具有得天獨(dú)厚的地理位置,沿長江段上游起自長江鎮(zhèn)江,下游至長江口及杭州灣地區(qū),有諸多支河,均建有控制建筑物,可實(shí)現(xiàn)全方位調(diào)度,在長江高潮位時利用節(jié)制閘自引,低潮位時則利用泵站泵引,從長江引水補(bǔ)充流域內(nèi)水資源量。

2 研究原理

構(gòu)建太湖流域一維河網(wǎng)水文水動力-水質(zhì)模型,計算分析太湖流域在水環(huán)境不同治理方案下與長江水體水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系,本文模型主要由降雨產(chǎn)匯流模型、河網(wǎng)水動力模型和河網(wǎng)水質(zhì)模型共同組成。

2.1 計算原理

（1）降雨產(chǎn)匯流模型

降雨產(chǎn)匯流模型主要模擬各類下墊面的降雨徑流關(guān)系和徑流的匯流過程。太湖流域周邊高中間低,中部主要為平原,西部主要為山區(qū)和丘陵,依據(jù)不同的地形地貌和水文特性,將太湖流域分為平原區(qū)、湖西丘陵區(qū)和浙西山區(qū),分別計算產(chǎn)匯流結(jié)果,并作為河網(wǎng)水動力模型輸入條件。其具體計算流程見圖2。

圖2 降雨產(chǎn)匯流模型結(jié)構(gòu)示意圖

1）平原區(qū)產(chǎn)匯流計算

根據(jù)下墊面特征及不同產(chǎn)流規(guī)律,平原區(qū)可將土地利用類型分為水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)四類,分別進(jìn)行產(chǎn)匯流計算,分區(qū)的總產(chǎn)流量則為四種下墊面產(chǎn)流量之和。太湖流域平原區(qū)圩垸分布眾多,故平原區(qū)各水利分區(qū)的匯流計算又分為圩內(nèi)與圩外兩種情況分別進(jìn)行,其中圩內(nèi)匯流考慮排澇模數(shù),圩外使用匯流曲線。

圩區(qū)內(nèi)部排澇依靠動力排出,設(shè)圩區(qū)的排澇模數(shù)為（mm/d）,則圩區(qū)的匯水過程見式（1）。超出排澇動力部分滯流圩內(nèi),繼續(xù)承接次日凈雨深,再行判別排澇程度。

式中：Pwnet為圩內(nèi)凈雨深,mm；RW為圩區(qū)產(chǎn)水量,mm。

通過假定一種匯流曲線,平原區(qū)圩外的日凈雨深按40%、40%、20%的分配比例在后續(xù)3 天內(nèi)匯入河網(wǎng)。

2）湖西丘陵區(qū)產(chǎn)匯流計算

湖西丘陵區(qū)產(chǎn)流計算過程與平原區(qū)計算方法相同,均按照水面、水田、旱地和城鎮(zhèn)四類下墊面分別進(jìn)行產(chǎn)流計算并求和。湖西丘陵區(qū)匯流計算過程中,因區(qū)域內(nèi)含水庫、塘壩等水工建筑物,需先將水庫、塘壩控制面上的產(chǎn)水量進(jìn)行調(diào)節(jié),然后與無水庫、塘壩控制面上的產(chǎn)水一起用單位線進(jìn)行匯流計算,求得各匯水面上的出流過程,作為平原河網(wǎng)流量的邊界條件。

3）浙西山區(qū)產(chǎn)匯流計算

浙西山區(qū)采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計算。該模型考慮到多種因素在流域面上分布的不均勻性,按分水嶺或雨量站分為若干單元面積,對每個單元面積計算出到達(dá)流域出口的出流過程,將各個單元的出流過程線性疊加,得到流域的總出流過程。

（2）河網(wǎng)水動力模型

根據(jù)降雨產(chǎn)匯流模型計算得到的山丘區(qū)流量、圩內(nèi)外凈雨深,結(jié)合實(shí)測潮位,采用圣維南（Saint Venant）方程組（式（2））模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動,采用四點(diǎn)隱式直接差分法離散求數(shù)值解,得出各控制斷面水位和流量過程。

式中：x、t為空間（m）和時間（s）變量；A為過水面積,m2, AT包括調(diào)蓄水面積；Q為斷面流量,m3/s；Z為水位,m； 為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；qL為單寬旁側(cè)入流,m3/s,入流為正,出流為負(fù)；vx為入流沿水流方向的速度,m/s,若旁側(cè)入流垂直于主流,則vx=0。

（3）河網(wǎng)水質(zhì)模型

水質(zhì)過程符合一階動力反應(yīng)式,水質(zhì)過程控制方程見式（3）,水質(zhì)基本方程上游邊界為來水的水質(zhì)濃度,下游邊界為濃度梯度,采用隱式差分法離散求得數(shù)值解。

式中：C為某種水質(zhì)指標(biāo)（如COD）的濃度,mg/L；A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2；Q為流量,m3/s；EX為縱向彌散系數(shù),m2/s；S為該種水質(zhì)指標(biāo)的源（匯）項(xiàng),主要包括底泥釋放（或沉降）、降解等,對不同水質(zhì)指標(biāo)的源（匯）項(xiàng)各不相同。

2.2 模型率定

本次模型概化范圍為整個太湖流域[8],共概化河道（段）1566條；計算斷面4629個；節(jié)點(diǎn)1404個,其中邊界節(jié)點(diǎn)95個,調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)61個；控制建筑物（閘、泵等）256個,見圖3。

圖3 太湖流域水文水動力-水質(zhì)模型河網(wǎng)概化示意圖

采用2000年太湖流域?qū)崪y水文資料對模型計算水量、水位、水質(zhì)結(jié)果進(jìn)行率定,選取部分代表站點(diǎn)作圖,其中水量率定以張家港閘和魏村閘引水量為代表,水位以太湖、無錫、陳墅和青陽水位為代表,水質(zhì)以梅村大橋、蕩口橋和中安為代表,見圖4～圖6?？砂l(fā)現(xiàn),模擬成果與實(shí)測（或調(diào)查）結(jié)果基本吻合,相關(guān)參數(shù)可用于模型計算。

圖4 水量率定過程線

圖5 水位率定過程線

圖6 水質(zhì)率定成果

2.3 研究方案

（1）模型模擬年型選取

考慮采用不利來水、引水的情況組合,太湖流域1971年為枯水年,選取1971年作為模型模擬分析計算年型。

（2）流域引排水量

模型模擬計算過程中,太湖流域按照太湖及各片區(qū)代表站的特征水位進(jìn)行沿江口門的引排調(diào)度?？菟晏饔蜓亟陂T引江水量共150.56 億m3,排江水量165.37 億m3（含黃浦江排水量133.77 億m3）。引排水主要集中在7月～9月,期間引排水量占全年的42%～55%。其中,流域上游的丹陽、常州等區(qū)域以引水為主,下游上海的黃浦江等河道以排水為主。太湖流域引江、排江水量見圖7。

圖7 太湖流域引江、排江水量分布示意圖

（3）水環(huán)境治理方案

2007年太湖藍(lán)藻爆發(fā)后,流域內(nèi)各省市加大治理力度,采用分階段治理,以削減污染負(fù)荷,第一階段流域各省市削減污染負(fù)荷10.1%～12.0%,第二階段在第一階段基礎(chǔ)上削減6.1%～15.0%。本文在此基礎(chǔ)上,根據(jù)治理階段的不同,提出水環(huán)境治理研究方案見表1。

表1 研究方案

3 結(jié)果分析

3.1 太湖流域排江水質(zhì)變化分析

根據(jù)研究方案設(shè)置,模擬結(jié)果見圖8。

圖8 太湖流域水環(huán)境治理不同階段排江水質(zhì)濃度變化

方案一,即太湖流域水環(huán)境綜合治理前,全年排入長江的COD、NH3-N、TP和TN平均濃度分別為20.17 mg/L、2.24 mg/L、0.54 mg/L和4.11 mg/L。

方案二,即第一階段污染治理措施實(shí)施后,太湖流域全年排入長江的COD、NH3-N、TP和TN平均濃度均逐步降低至17.83 mg/L、2.00 mg/L、0.46 mg/L、3.55 mg/L。

方案三,即太湖流域第二階段污染治理措施實(shí)施后,太湖流域全年排入長江的COD、NH3-N、TP和TN平均濃度進(jìn)一步降低至14.21 mg/L、1.55 mg/L、0.36 mg/L、2.74 mg/L；表明本文水環(huán)境治理方案可有效降低水質(zhì)污染程度,對太湖流域水質(zhì)改善具有正面影響作用。

比較不同指標(biāo)平均濃度變化趨勢,四種指標(biāo)均呈現(xiàn)不斷下降趨勢,但下降速度存在差異,其中COD平均濃度下降速度最為顯著,其次分別為TN和NH3-N,TP平均濃度下降速度最為緩慢。對比水環(huán)境治理方案設(shè)置,COD、TN、NH3-N和TP整體減排量分別為67462 t、26451 t、11007 t和2136 t,COD減排量最大,其平均濃度下降速度最快,TP減排量最小,其下降速度最為緩慢,表明太湖流域水質(zhì)濃度變化快慢與污染物減排量大小存在顯著相關(guān)關(guān)系。

3.2 凈入江污染負(fù)荷變化分析

根據(jù)太湖流域引排水量和水質(zhì)濃度變化可以得到典型年凈入長江的污染負(fù)荷量見圖9。在污染治理前（方案一）,對應(yīng)COD、NH3-N、TP、TN各指標(biāo),由長江引入太湖流域的污染負(fù)荷分別是15.85 萬t、0.59 萬t、0.11 萬t和1.88 萬t；排入長江的污染負(fù)荷分別是36.55 萬t、4.05 萬t、0.97 萬t、7.44 萬t。太湖流域和長江之間,總體以太湖流域污染負(fù)荷排入長江為主,凈入長江的負(fù)荷量約20.7 萬t、3.46 萬t、0.86萬t、5.56 萬t。經(jīng)過第一階段整治后（方案二）,凈入長江的負(fù)荷量約18.96萬t、2.93萬t、0.83萬t、5.28萬t。隨著第二階段污染治理深入后（方案三）,凈入長江的負(fù)荷量減少至約16.33萬t、2.07萬t、0.73萬t、4.19萬t,凈入長江的污染負(fù)荷量減少明顯。研究結(jié)果表明太湖流域水污染治理成效與長江水環(huán)境息息相關(guān)。

圖9 太湖流域引排江污染負(fù)荷變化圖

4 結(jié)論

本文以太湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,建立一維水文水動力-水質(zhì)模擬模型,通過研究太湖水環(huán)境治理方案,模擬分析太湖流域水環(huán)境綜合治理對長江水環(huán)境的影響作用,取得如下結(jié)論：

（1）太湖流域水環(huán)境治理方案可有效減少流域污染物平均濃度,且污染物平均濃度下降速度與污染物減排量大小有較大關(guān)聯(lián)。

（2）太湖流域水環(huán)境治理可有效減少入江污染負(fù)荷量,太湖流域上下游引排水條件、水文條件及水質(zhì)狀況均不同,流域上游主要以長江污染物入太湖流域?yàn)橹?流域下游以流域污染物入長江為主。因此有針對性地強(qiáng)化太湖流域下游區(qū)域水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)設(shè)施,有利于減少入長江污染負(fù)荷,保護(hù)長江水環(huán)境。

（3）太湖流域入江污染負(fù)荷主要與洪澇期間排水量增大有關(guān),太湖流域加大污染治理后,流域引入長江水體,凈化后再排入長江,一定程度上有利于長江水環(huán)境的改善,因此,在太湖流域內(nèi)實(shí)施海綿城市建設(shè)、減少初期雨水污染和洪澇水集中排泄,有利于太湖流域與長江水環(huán)境治理。