南通沿海開發(fā)區(qū)引江調(diào)水修復水環(huán)境的探索與實踐

朱友銀，陳建標，夏 栩，肖玉兵

(江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇南通 226000)

近年來，隨著南通市水環(huán)境治理力度的加大、水污染綜合治理措施的逐步落實，該市主要水域水質(zhì)惡化的趨勢得到初步遏制，但內(nèi)域河流特別是部分城鎮(zhèn)和區(qū)域性河流的污染依然嚴重。根據(jù)2010 年南通市水利局和南通水文分局對全市182 個水功能區(qū)中的35 個重點功能區(qū)的監(jiān)測統(tǒng)計，內(nèi)河26 個重點水功能區(qū)達標率僅為3.2%。

水環(huán)境的惡化嚴重制約了南通市生態(tài)城市的建設和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，筆者根據(jù)南通沿海地區(qū)特定的自然條件和生產(chǎn)方式，探討引江蓄排改善內(nèi)河水質(zhì)的可行方案具有現(xiàn)實意義。

1 水環(huán)境質(zhì)量下降的主要成因

近年來，在傳統(tǒng)工業(yè)污染排放逐步得到遏制的情況下，內(nèi)河水環(huán)境仍然沒有得到明顯改善［1］。南通市河道水環(huán)境質(zhì)量下降的原因，每個區(qū)域、每條河流不盡一致，但大體可以分為以下幾種類型。

a. 南通沿海地區(qū)主要為墾區(qū)，土壤中含有大量鹽分，廣大農(nóng)村地區(qū)大量使用的化肥、農(nóng)藥部分殘留于土壤中，在雨淋、灌排后，進入內(nèi)河水體;隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，飼料殘渣、排泄物等隨意排棄于河道，進一步加劇了河道水體的污染;村鎮(zhèn)級河道淤積堵塞，生活垃圾隨意傾倒，使河道水體滯流，水環(huán)境容量進一步萎縮。

b. 隨著城市化的推進，城鎮(zhèn)地區(qū)人口集中，生活廢水排放量日益增加;同時在城市建設過程中，河道出現(xiàn)縮窄、斷頭等現(xiàn)象，城市水面相對減少;加之城鎮(zhèn)河道相對封閉，在沒有外來水源補充的情況下，由于蒸發(fā)耗水等作用，環(huán)境容量越來越小。因河道自凈能力差，廢水進入河道后使周邊水環(huán)境質(zhì)量進一步下降。

c. 水利工程調(diào)度方式陳舊，沿江、沿海水體滯流。由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，通啟沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)用水大幅減少;通啟運河沿線企業(yè)大量占用岸線，原堤岸遭到破壞;使沿江通啟地區(qū)引排水大幅減少，通啟沿江地區(qū)水系基本處于靜止狀態(tài)，入河污染源長期滯留在固定水域，環(huán)境容量急劇萎縮。另外，沿海地區(qū)由于擋潮閘外遷，沖淤保港排水減少，沿海排水頻次減少，導致沿海水體長期滯流。

2 引江調(diào)水修復水環(huán)境

2.1 原理

2.1.1 引水對水環(huán)境的修復

一般河道環(huán)境容量(納污能力)核定公式［2-3］為

式中:W 為河道環(huán)境容量;Q 為河流流量;C 為計算區(qū)域水質(zhì)目標濃度;C0為計算水域上游來水水質(zhì)濃度;K 為水質(zhì)降解系數(shù);V 為斷面流速。

由式(1)可見，待修復水域水環(huán)境容量主要取決于引江江水的水質(zhì)、流量及流速。水域水環(huán)境容量越大，該水域水質(zhì)相對越好。

引水使優(yōu)質(zhì)水體進入內(nèi)河，水體得到置換，水源得到保證。通過引江調(diào)水可以啟動內(nèi)河水流，使水體在流動中增氧自凈。引水同時為后續(xù)排水提供水源和動力水頭。

2.1.2 排水對水環(huán)境的修復

排水使河道廢水進入環(huán)境容量相對較大的江海水域，為引水置換提供庫容。同時，排水產(chǎn)生了水流流速，使水體納污能力增大。

在水質(zhì)降解系數(shù)和長江上游來水水質(zhì)濃度相對穩(wěn)定的條件下，引江調(diào)水對水環(huán)境的修復主要取決于引排水流速和流量。因此，通過頻繁的引江排水能夠有效提高內(nèi)河水域環(huán)境容量，達到修復水環(huán)境的目的。

2.2 模型建立及其參數(shù)的率定、驗證

a. 建立典型區(qū)域水量、水質(zhì)綜合調(diào)度模型，量化引江調(diào)水。通過河網(wǎng)概化，突破了河道單一、水流方向單一的狀態(tài)，在河網(wǎng)交錯、流向不定、非穩(wěn)定流地區(qū)建立水量、水質(zhì)節(jié)點線性方程組演算模型，實現(xiàn)由傳統(tǒng)的定性調(diào)度向定量調(diào)度的轉(zhuǎn)變。

一維河道非恒定水流運動的Saint-Venant 方程為

式中:t 為時間;x 為橫向距離;u 為斷面平均流速;n為糙率;A 為過水斷面面積;B 為主流斷面寬度;R為水力半徑。

河網(wǎng)交錯、流向不定、非穩(wěn)定流地區(qū)引排水水質(zhì)變化模型為

式中:Ex為縱向分散系數(shù);S 為污染源項。

通過節(jié)點線性方程組模型演算可以計算任意時段引排水不同組合情況下的相鄰行政區(qū)域斷面的水位、流量及某一時段進出該區(qū)域的水量;通過水質(zhì)模型演算，可以計算任意斷面水質(zhì)參數(shù)的變化過程。

b. 模型參數(shù)由2008 年6 月相關水文、水質(zhì)同步監(jiān)測資料進行率定、驗證。通過2010 年和2011年引江調(diào)水水量、水質(zhì)同步監(jiān)測資料驗證，計算值與實測值吻合良好，主要參數(shù)和結(jié)果誤差約為10%，最大相對誤差不超過18%。

2.3 有利條件

a. 長江為南通地區(qū)提供了充沛的水量和優(yōu)質(zhì)的水源，為引水提供了可靠的保證。南通地處長江口感潮河段，上承大通來水，大通站多年平均徑流量為2.88 萬m3/s，多年監(jiān)測資料顯示，長江南通段水質(zhì)符合GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ～Ⅲ類地表水要求。

b. 潮汐為引排水提供了天然動力。長江南通段為長江近河口段，受海洋潮汐影響，該江段為不規(guī)則半日潮，呈周期性變化，農(nóng)歷每月月初和月半為潮汛期。長江的潮汐特性為引水和排水提供了基本的水動力條件，形成自引、自排的引江調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)，如調(diào)節(jié)得當可達到改善水環(huán)境的目的。

c. 現(xiàn)有河網(wǎng)相互貫通。南通市濱江臨海，內(nèi)河水網(wǎng)密布，水系貫通，尤其是通呂運河、通啟運河等骨干河道不僅相互貫通，而且直接通江達海。

d. 引排控制工程較多。多年來，在沿江、沿海建造了70 座涵閘，其中具有引水功能的涵閘29 座，工程設計最大引水能力40 多億m3/a;70 座涵閘都具有排水功能，設計最大排水能力達5 000 m3/s。這些已有河道和水工建筑物工程為引江調(diào)水的實施提供了較為有力的基礎保障。

2.4 制約條件

a. 現(xiàn)有的引水調(diào)蓄能力有限。依靠潮汐動力引水，水源受制于上游來水、潮汐、工程規(guī)模等條件，引水能力有限;南通市為平原河網(wǎng)地區(qū)，主要依靠河道庫容蓄水，近年河道淤積量大，在滿足生態(tài)及正常生產(chǎn)、生活用水需求的前提下，機動庫容小。

b. 河道可調(diào)度水位幅度有限。①南通市企業(yè)取水口、排水口一般設于內(nèi)河沿線，高程固定，排水后水位不能低于正常取水口高程，否則影響企業(yè)正常取水。②南通城區(qū)及長江沿線地區(qū)，地勢較低，同時河道沿線密布大量企業(yè)、居民區(qū)，河道引水過多，超過沿線控制水位，會影響沿線正常生產(chǎn)和居民生活。③南通市內(nèi)河大多為通航航道，為了保證河道正常通航，河道排水必須保證一定的通航水位。

c. 局部污染源轉(zhuǎn)移和擴散。水體的流動使滯留于固定水域的廢水得到稀釋和消解，并向長江、黃海排放。途經(jīng)相鄰地區(qū)，使相鄰地區(qū)水源水質(zhì)下降。為此必須合理調(diào)度水流線路，保證清水取水區(qū)域不受污染。

d. 引排線路單一，低水系區(qū)域環(huán)境容量不堪客水壓力。南通沿江地區(qū)成陸有先后，地面高程差距較大。南通市區(qū)傳統(tǒng)采用高水系向低水系排水調(diào)度模式，可調(diào)度水源有限;同時低水區(qū)域水體在承擔內(nèi)部環(huán)境壓力的同時，還需接納過境廢水的壓力，使低水區(qū)域環(huán)境容量下降。

2.5 優(yōu)化水利工程運行，提高水源保證能力

a. 科學定位水利工程調(diào)度目標，由防汛抗旱安全單一目標向水資源、水環(huán)境安全多目標轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)水利工程調(diào)度為確保防洪、排澇目標的實現(xiàn)，以及為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供水源，以內(nèi)河水位作為控制目標和引排的依據(jù)。隨著生產(chǎn)、生活方式轉(zhuǎn)變，需要通過水利工程運行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)水利工程調(diào)度目標多元化［3-5］。近期，引江調(diào)水修復方案要求沿江、沿海涵閘以內(nèi)河水位、水質(zhì)狀況多重目標作為控制依據(jù)。在保證內(nèi)河取水、通航的同時，保證內(nèi)河水體一定的流速和置換頻次，以增加水體自凈能力和水環(huán)境容量。

b. 優(yōu)化水利工程調(diào)度的主要方式。①逐步恢復沿江地區(qū)通啟區(qū)域引排水涵閘的設計能力，改變沿江涵閘引排水頻次較少的現(xiàn)狀，增加沿江涵閘的排水頻次，啟動水流，使內(nèi)河水體有效置換。②利用高水系引水能力補充低水系水源，多方位增加低水系水環(huán)境容量。沿江通啟地區(qū)北臨高水系通呂運河，該河道水源相對充沛、水質(zhì)較好，在通啟水系引水能力有限的情況下，通過沿通呂運河提水站、節(jié)制閘向南部低水系補充水源，啟動水流，起到稀釋、降解的作用，同時為低水系內(nèi)河水體外排長江提供動力水頭和水源。③南通市區(qū)(包括主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、港閘區(qū))沿江涵閘，改變過去只排不引的運行方式，漲潮期全力引水，落潮期全力排水，保證城區(qū)河道水體貫通、城區(qū)雨水及生活廢水能夠及時外排。④高水系地區(qū)，沿海在冬、春季充分排水，預排沿海各級河道Cl-超標水體，同時將內(nèi)河接納的農(nóng)田廢水和生活廢水外排入海。高水系地區(qū)內(nèi)河雨后大量接納農(nóng)田廢水，各級河道水質(zhì)明顯下降，通過沿海全力排水，將農(nóng)田廢水直接排海。加大沿江大型骨干涵閘引水力度和頻次，保證內(nèi)地和沿海地區(qū)的排水水源。

c. 中、遠期通過工程措施，增加沿海引水蓄水能力。近期通過優(yōu)化水利工程調(diào)度，可以有效恢復大部分區(qū)域河道引排水能力，使水環(huán)境容量得到大幅提升。但南通市沿海開發(fā)對水資源和水環(huán)境容量的需求將會有較大增長，通過現(xiàn)有工程優(yōu)化調(diào)度不能完全滿足需求，需要結(jié)合各項水利專業(yè)規(guī)劃的實施，在南通沿江增建提水泵站，沿海建設如東、啟東等平原水庫。疏浚各級河道，增加引水能力和河道蓄水能力，則全市引排水量在現(xiàn)有基礎上將近期增加4 億～5 億m3，中期將增加8 億～10 億m3。

3 引江調(diào)水實踐取得的預期效果

在引江調(diào)水修復水環(huán)境研究的基礎上，制定了“引江調(diào)水規(guī)劃方案”，通過2010 年和2011 年2 a的實施，取得了預期效果。

3.1 2010 年改善情況

2010 年沿江、沿海各級相關部門引排水力度大幅度增加，引江調(diào)水方案通過近一年的實施，取得了明顯的效果。特別是通過“引江排咸”，保障了沿海農(nóng)業(yè)灌溉水源;改善了內(nèi)河水廠的水質(zhì)。如皋、海安、通州大部、南通市區(qū)主要骨干河道已經(jīng)消除了劣Ⅴ類水質(zhì)。一、二級河道水質(zhì)改善比較明顯，三級以下河道水質(zhì)污染有所遏制。其中，一級河道Ⅲ類水斷面數(shù)量增加20.0%以上;消除了Ⅴ類和劣Ⅴ類水斷面;二級河道Ⅲ類水斷面數(shù)量增加33.0%，Ⅳ類水斷面數(shù)量減少33.3%，劣Ⅴ類水斷面數(shù)量下降8.4%。

引排前三級河道主要為Ⅴ類、劣Ⅴ類水體，通過引江調(diào)水，Ⅴ類、劣Ⅴ類水斷面數(shù)量相應減少約29% ～43%，Ⅳ類水斷面有所增加。

通過引江調(diào)水主要水廠取水口水質(zhì)明顯改善。其中呂四水廠水質(zhì)2010 年7 月份為Ⅴ類，至11 月份已恢復至Ⅲ類，磨頭水廠、搬經(jīng)水廠水質(zhì)8 月份為劣Ⅴ類，10 月份恢復至Ⅲ類。

3.2 2011 年改善情況

2011 年通過“引江調(diào)水規(guī)劃方案”的實施，南通市一、二級河道、主城區(qū)、開發(fā)區(qū)、港閘區(qū)等熱點區(qū)域水質(zhì)明顯改善。全市水功能區(qū)達標率逐步提高，2011 年平均達標率達到41.2%，達標功能區(qū)達到了75 個，較2009 年的56 個和2010 年的68 個達標功能區(qū)，分別上升了33.9%和10.3%。

3.3 水源保證效益

通過引江調(diào)水修復水環(huán)境，新增長江優(yōu)質(zhì)水源4.1 億m3/a，其中高水系地區(qū)新增約2.4 億m3/a，水質(zhì)型缺水的態(tài)勢得到遏制。特別是通過沿海排水，沿江引水置換，使沿海水質(zhì)得到明顯改善。沿海區(qū)域可用水源顯著增加。內(nèi)河水廠取水口取水得到保障，農(nóng)業(yè)用水高峰期缺水現(xiàn)象得到緩解。沿海地區(qū)沿海開發(fā)所需用水保障能力得到提高。

3.4 社會效益

引江調(diào)水工作是南通市政府確定的為民辦實事項目，南通市政府十分重視“引江調(diào)水規(guī)劃方案”的實施。該方案實施兩年來取得了良好的社會反響。中國建設報、網(wǎng)易網(wǎng)站、長江水利網(wǎng)站、江蘇水利網(wǎng)站、南通網(wǎng)站等知名媒體、網(wǎng)站紛紛報道。

配合“四位一體”、“五城同創(chuàng)”等活動，較好改善了生態(tài)環(huán)境和城鄉(xiāng)容貌，沿河居民、企業(yè)交口稱贊，紛紛表示政府做了一件大好事。社會各界對水利部門牽頭實施的引江調(diào)水工作給予充分肯定和支持。

4 引江調(diào)水對南通近海水環(huán)境的影響

a. 春季排咸的目的是轉(zhuǎn)移含Cl-較高水體。每年春季，沿海河道水體中接納了大量土壤中的Cl-等物質(zhì)，不能用于農(nóng)業(yè)灌溉，通過引江調(diào)水將原來河道中咸度較高水體進行置換排海。因其主要污染物為Cl-，排海后對近海水環(huán)境不會產(chǎn)生影響。

b. 引江調(diào)水使排海污染物總量下降。引江調(diào)水使內(nèi)河水體產(chǎn)生較大的流速，在水體流動的過程中，由于流動過程中的補氧作用，水體中有機污染物得到較好的降解，特別是NH3-N、COD 等指標在水體流動過程中降低明顯。根據(jù)2008 年夏季監(jiān)測資料分析降解系數(shù)發(fā)現(xiàn)，水體中有機污染的降解按距排?？诰嚯x不等，降解比例在10% ～50%之間。

c. 引江調(diào)水使排海廢水濃度降低。在引排過程中，一方面污染物逐步降解;另一方面，引水增加了水體總量，內(nèi)河污染物濃度在引水過程中得到稀釋，排海廢水濃度降低，單位時段內(nèi)對沿海水體的污染強度下降。

d. 引江調(diào)水使廢水排海有序可控。在沒有制定引江調(diào)水方案前，一般在內(nèi)河水體水質(zhì)惡化時，不得不采取沿海排水的方案。容易對沿海水域產(chǎn)生污染，有時還會產(chǎn)生糾紛。制定引江調(diào)水修復水環(huán)境方案后，采取主動的預排措施，使排海廢水控制在下游地區(qū)可接受的濃度和時段內(nèi)。同時根據(jù)下游潮汐特點，充分利用近海地區(qū)較大的水環(huán)境容量，使排海的廢水能夠得到迅速稀釋。

5 結(jié) 語

引江調(diào)水修復水環(huán)境是水利工作內(nèi)涵的延伸和拓展，是在鞏固防汛抗旱和排澇等傳統(tǒng)水利成就、保證生產(chǎn)生活生態(tài)用水安全基礎上，向資源水利、生態(tài)水利轉(zhuǎn)變所作的新探索，為南通市的沿海開發(fā)提供了必要的水資源保障和水環(huán)境容量，是南通建設生態(tài)城市、保持經(jīng)濟社會建設可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。在南通沿海開發(fā)大背景下，利用天然的潮汐動力條件和現(xiàn)有水利工程條件，獨立探索，建立模擬數(shù)學模型，分區(qū)制定調(diào)度方案，在實踐中取得了較好效果。

南通為平原河網(wǎng)地區(qū)，水系條件復雜，社會生產(chǎn)生活對水資源和水環(huán)境的需求將不斷變化和提高，引江調(diào)水修復水環(huán)境的探索將在實踐過程中進一步優(yōu)化和深入。

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