平原河網區(qū)水系連通改善水環(huán)境效果評估

崔廣柏，陳 星，3，向 龍，3，張其成，許 欽

（1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學研究院 水文水資源研究所，江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

近年來，由于水資源統(tǒng)籌調配、河湖健康保障、水旱災害防御等方面的需要，江河湖水系連通已經成為國家江河湖治理的重大需求［1-2］。隨著城市化進程的加快，一方面，人類生產生活用水、生態(tài)環(huán)境需水和社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展對水量、水質、洪澇防御提出更高要求；另一方面，人類經濟社會活動對江河水系的影響不斷加劇，導致江河水系連通性不足或減弱，進而引發(fā)水資源與水環(huán)境承載能力不足、洪澇宣泄不暢、水安全風險加大等問題。良好的水系連通條件和豐沛的可調水源是城市水系發(fā)揮功能的前提，水系連通調控是水生態(tài)文明建設的基礎保障和重點內容［3-6］。

平原河網地區(qū)水流運動復雜，加上水利工程的控制，水系連通不暢，影響了河道自凈能力。近年來，很多城市通過從外部引調水，實施生態(tài)引水改善城市水環(huán)境，增加水力流動性，提高水體自凈能力，通過對河網水循環(huán)水系連通進行科學有效的調控，從而改善城市水生態(tài)環(huán)境問題［7-9］。響應水環(huán)境問題的調水工程是改善河流水質的一項有效的輔助措施，改善河流水質的根本措施是對污染源進行有效的治理，但是要截除所有排入河流的污染源十分困難。通過綜合調水，科學地調度河網水流，引入清潔水源，盡量提高水體的流動性，在一定程度上能夠緩解區(qū)域水質惡化的問題［10-11］。目前，調水工程作為一種改善水環(huán)境的輔助措施在我國多有實踐，但關于引水效率與評價體系等問題還有待進一步研究。國內外學者從水文、地貌、景觀生態(tài)等角度提出了多種水系連通評價體系，本文針對平原河網區(qū)水系連通，目標是改善水環(huán)境。平原河網區(qū)水系人工改造程度高，不符合基于水文地貌的河流分級規(guī)律，且隨著城市化影響，水系衍生出多樣的社會功能屬性。基于此，本文將水系連通分為三個層次并在此基礎上構建評估體系：一是結構連通性，指連接通道的相互聯系暢通；二是水力連通性，是指有水流且水流能夠保證一定轉移效率；三是河道水環(huán)境改善水平。

開展平原河網地區(qū)水系連通性改善水環(huán)境研究，可為優(yōu)化平原水網區(qū)水系結構、尋求科學合理的水利工程調度運行規(guī)則提供理論支持。常熟市北臨長江，地理位置獨特，具備良好的調水提高水系水力連通性的條件。因此，本文以常熟城區(qū)作為一個典型區(qū)，根據區(qū)域特點著力于探索河網水力連通的方法，提出適用于平原河網地區(qū)的水系連通改善水環(huán)境的研究體系。

2 研究區(qū)域概況

常熟位于太湖流域下游，屬長江三角洲沖積平原，地面高程大多在3～7 m之間（吳淞基面），境內水網密布，湖蕩較多。常熟市屬北亞熱帶季風氣候，年平均溫度15.4℃。年平均降水量1 030.8 mm，年平均蒸發(fā)量1 100.0 mm，降水量年內分配不均勻， 6—9月的降水量平均占年降水量的54%。

常熟市共有水功能區(qū)36個，由于河道治理與截污工程的實施，2008—2013年水功能區(qū)達標率不斷提高。2008年常熟市水功能區(qū)達標率為18.2%、2010年為43.6%、2013年為64.9%。2008年沿江河道以劣Ⅴ類為主，2013年大部分沿江河道水質改善為Ⅳ類、Ⅴ類，海洋涇水質由2008年的劣Ⅴ類逐漸改善為2013年的Ⅲ類；白茆塘以南河道水質也有所改善，2008年以Ⅴ類、劣Ⅴ類為主，2013年河道水質以Ⅳ類、Ⅴ類為主。

常熟城區(qū)環(huán)形河有護城河、環(huán)城河和東環(huán)河3條，放射形河道有11條：南福山塘、耿涇、海洋涇、常滸河、青墩塘、白茆塘、橫涇塘、元和塘、辛安塘、太平港、山前塘。雖然常熟城區(qū)緊鄰望虞河，但由于望虞河東控工程的實施，原本與望虞河連通的河道白龍港、常清河、南福山塘、羅卜涇、新涇等均受閘門控制，目前正常水位在3.6 m左右，最高引水位達4.0 m。海洋涇是常熟城區(qū)最直接的通江引排河道，在保障防洪安全和改善水環(huán)境方面的地位日益重要。

3 數據與方法

3.1 引水試驗針對常熟市水流條件，在分析水系結構特點與人工調度特點的基礎上，根據江河水系連通及城區(qū)河道連通情況，開展水位、流量、水質同步監(jiān)測，作為常熟市城區(qū)河網水量水質模型與水系連通調控方案的研究基礎。開展引水實驗的目的，一是掌握實際調度規(guī)則下城區(qū)主要河道水位、流量的沿程變化情況，闡明江河連通調控條件下各區(qū)水系連通特征及問題；二是通過實測水位、流量、水質數據對水量水質模型參數進行率定。

常熟城區(qū)引水實驗在2014年5月14日開展，設置水文水質監(jiān)測斷面8個、水文監(jiān)測斷面12個，水文監(jiān)測指標為流量和水位，每隔30 min監(jiān)測；水質監(jiān)測指標為：TP、TN、NH3-N和CODMn，每隔60 min取樣。引水實驗監(jiān)測斷面分布見圖1，主要水利工程調度規(guī)則見表1，監(jiān)測斷面涉及河道的特性見表2。引水河道為海洋涇，排水河道為耿涇和常滸河。利用高潮位海洋涇閘開啟自引，為延長引水時間加大引水量，海洋涇泵站在低潮位時開啟；排水依靠常滸河閘和耿涇閘在低潮位時自排。

3.2 基本方程選擇MIKE11的水動力模塊（HD）和對流擴散模塊（AD）分別模擬河網在引水過程中的水量分配情況與水質變化過程。HD模塊采用圣維南方程組，它是由描述質量守恒的連續(xù)方程（式（1））和能量守恒的動量方程（式（2））組成，差分格式采用了六點中心隱式格式，數值計算采用追趕法，基本方程組如下所示：

圖1 常熟市主城區(qū)位置及引水實驗監(jiān)測斷面

表1 引水實驗引排閘門調度規(guī)則

式中：x為距離坐標，m；t為時間坐標，s；A為河道過水斷面面積，m2；Q為相應河道斷面上的流量，m3/s；q為單位長度上的旁側入流流量，入流為正，出流為負，m2/s；α為動量修正系數，為無量綱數；g為重力加速度，m/s2；h為水位，m；χ為謝才系數。

AD模塊的控制方程為一維對流擴散方程，根據HD模塊計算的水動力條件進行計算，基本方程為：

式中：C為污染物濃度，mg/L；D為縱向擴散系數，m/s；K為降解系數，1/d；S為源匯濃度，mg/L。

3.3 模型構建

（1）河網概化與斷面設置。為體現模型模擬結果的準確性與計算效率，河道概化以引排水過程中常熟市主城區(qū)骨干河道為主（圖1），概化河道連通情況與實際現狀、模擬方案條件保持一致。為盡可能達到精確模擬計算的要求，在斷面文件中輸入斷面數據時，斷面間距不大于100 m；為達到計算精度的預期目標，在特定地點（如河流交匯處）加密斷面數據，以作控制。

（2）邊界設定與調度。常熟市北臨長江入海口，區(qū)域各沿江口門處水位受長江潮汐作用影響顯著，因此以河口潮位作為水位邊界條件，區(qū)域全局水位值采用正常水位3.2 m。潮位選擇8月15日逐時監(jiān)測資料作為典型潮位過程。具體調度利用潮水的漲落進行引排控制，在潮位上升至與內河水位相當時，考慮開啟部分節(jié)制閘向市內補水，在潮位開始回落至內河常水位時，關閉引水河道閘門，并調節(jié)排水河道控制閘門，保持適當的排水量。

（3）模擬時段。模擬時段為8月15日13∶00—8月16日13∶00，共24 h，模擬時段包含兩個引排周期，第一周期為8月15日13∶00—8月16日1∶00，其中引水期為前6 h，排水期為后6 h；第二周期為8月16日1∶00—13∶00，引排水時段與第一周期一致。

表2 常熟市主城區(qū)引水實驗監(jiān)測河道特性與水量水質模型模擬相對誤差

3.4 模型率定根據常熟城區(qū)引水實驗監(jiān)測成果，對水動力模型中的糙率系數進行率定。率定得到的研究區(qū)河道糙率值為0.03～0.05，對于河床較平整河道順直，斷面規(guī)則，岸壁為石質斷面，糙率值取0.03；對于水流不夠通暢，岸壁為土質并且長有雜草的斷面，糙率系數值取0.04；對于河道彎曲，岸壁為土質，且雜草稠密的斷面，糙率系數值取0.05。各斷面流量模擬相對誤差在15%以內，平均相對誤差9.38%，見表2。

根據常熟河網污染特征，選用COD—NH3-N耦合模型，率定的主要參數為污染物降解系數，模型計算邊界條件取用邊界斷面各時段水質實測值。結合污染源調查數據，在水質模型中加入工業(yè)和生活廢水的點污染源，率定得到的CODMn降解系數為0.08～0.15/d，NH3-N降解系數為0.08～0.2/d。各斷面水質模擬相對誤差在25%以內，COD模擬平均相對誤差12.2%，氨氮模擬平均相對誤差13.97%，見表2。

4 結果與討論

4.1 引水實驗水量、水質變化規(guī)律常熟市城區(qū)引水實驗監(jiān)測時間為8∶00—24∶00，在此期間，海洋涇實測引水總水量達106.4萬m3，其中閘引88萬m3，泵站引水18.5萬m3。

圖2所示為引水實驗在引水期與排水期的流量與流速分布。引水期間海洋涇沿線交匯河道的閘門均為開啟，分流作用明顯，進入城區(qū)（內環(huán)河以內）的流量小，常滸河與耿涇作為排水河道對整個區(qū)域的退水拉動較好。引排水總體來看，一些骨干河道過水斷面寬，分水能力強，引排水效果好，但一些小河道，水環(huán)境改善需求更大，但過水能力制約了其水力連通性，包括內環(huán)河區(qū)域以及南福山塘與白龍港之間的三角區(qū)。

表3所示為引水實驗期間各項水質指標實測變化范圍，主要引水通道海洋涇監(jiān)測斷面H-15除TN指標，各項水質要素濃度符合Ⅲ類地表水環(huán)境質量標準，最值與均值差異度較小，表明海洋涇引水水質較好且穩(wěn)定，區(qū)域引水水源可靠。綜合來看，研究區(qū)河道主要污染物為總氮、氨氮與COD，大部分斷面這三項指標均為劣V類水平。在引水過程中，總磷、總氮、氨氮指標的變異性較大，且達標率低，說明在引水過程中，河道自凈能力的提升不足以改善研究區(qū)主要河道水質，并且監(jiān)測斷面距引水水源地愈遠，引清水源愈難以改善斷面水環(huán)境。

圖2 常熟市城區(qū)引水實驗引水期與排水期主要河道流量分配與流速分布情況

表3 各斷面引水期間水質要素濃度變化狀況

為更明確地表達引水過程對各河道的水質影響情況，計算引水前后水質指標改善率，以及引水過程中水質最優(yōu)值相對引水前水質的改善率，如圖3所示。可以看出引水對各斷面的水質改善以正效應為主，但是對于城區(qū)河道水環(huán)境的改善不足以改變其水質類別，一方面由于骨干河道的分流，進入城區(qū)水量較少；另一方面部分河道的污染較重，在引水過程中發(fā)生污染轉移。因此對于城市引水改善水環(huán)境實踐，首先需要完善對污染源的控制，在截污的基礎上增加河道水力連通性，才能夠實現改善水生態(tài)環(huán)境的目標。

表4 情景一與情景二引水河道引水流量設計 （單位：m3/s）

圖3 常熟市城區(qū)引水實驗引水期與排水期主要河道流量分配與流速分布情況

4.2 水系連通情景方案設定及模擬常熟城區(qū)引水條件良好，通過水利工程的合理調度可以進一步改善水體連通性，河道的輸水量和水體置換速度得到提高，稀釋自凈能力得到加強。引水實驗的結果表明，該區(qū)域水系的結構連通性有待提高，現狀工況制約了引入水量在城區(qū)的分配。因此首先從提升研究區(qū)水系結構連通性出發(fā)，對研究區(qū)內青墩塘、山前塘、南福山塘、耿涇塘、五里浜、方浜、草鞋浜、王六涇、羅卜涇、大灘塘、沈村河等11條河道進行拓寬疏浚，提升河道過流能力與連通性。在此基礎上考慮不同的水源組合、引排調度模式，提升研究區(qū)水系水力連通性，設置以下兩種情景模式：（1）引水河道為海洋涇、老海洋涇、山前塘、白龍港，排水河道為耿涇、常滸河、白茆塘；（2）引水河道為海洋涇、老海洋涇、山前塘、白龍港、耿涇，排水河道為常滸河、白茆塘。情景二與情景一相比，增加了耿涇作為引水河道，擴大了引水影響范圍，并且加大了引水量（表4），有利于促進研究區(qū)的水力連通性提升。但耿涇是海洋涇以西片區(qū)唯一排水河道，當遭遇汛期或暴雨時，耿涇應維持排水功能，不宜引水。因此，情景一適用于全年期的環(huán)境引水需求，而增強引水的情景二適用于非汛期。

圖4 不同情景下常熟市城區(qū)引水模擬流量分配情況

圖5 常熟市城區(qū)引水實驗不同情景下引水前后水質平均改善百分比

表5 水系連通性評價指標體系層次結構

情景一模擬結果表明（圖4（a）），由于局部河道的拓浚，滯水區(qū)有所減少，區(qū)域內流量分配得到優(yōu)化。白龍港引水流量增加，引水經常青河、新九節(jié)、南福山塘、方浜匯入耿涇，南福山塘以西三角區(qū)域的河道流量在1～5 m3/s左右，耿涇退水通暢，帶動海洋涇以西河道的水動力條件明顯改善。同時，張家港河的分流增大，入城流量略有增加。

情景二模擬結果表明（圖4（b）），海洋涇沿程分支河道分水流量減少，進入城區(qū)的流量略有增加，流量為26.2 m3/s，南福山塘、耿涇流量分別增加至10、7.2 m3/s。耿涇引水流量較大，引水可至大灘塘，并由大灘塘-陶沙涇匯入常滸河，形成區(qū)域小循環(huán)，河道水動力條件明顯改善。其余節(jié)點流量分配基本不變。

相對于引水實驗，情景一和情景二模擬條件下的研究區(qū)河道結構連通性有很大提升，使得進入主城區(qū)的水量增加，引水在區(qū)域內的分配也更加合理，由此各斷面水質改善程度也有較大提升（圖5）。情景二相比情景一在引水調度上有所不同，造成局部水流條件和水環(huán)境改善程度有所差別，但兩者在整體研究區(qū)的平均效果相差不大。在實際操作中，可以根據需要改善的重點區(qū)域來選擇方案。4.3 水系連通度評價綜合考量平原河網地區(qū)水系特征對連通性的影響敏感度，篩選主要因子并進行歸納和分類，從中遴選出能夠較為靈敏地反映河網水系連通水平變化的關鍵性指標（表5）。將連通性評價指標體系分成3個層次，分別為目標層、準則層和指標層。目標層為水系連通性指數，準則層包括：結構連通性、水力連通性、水質改善度3項。

河道斷面尺寸為定量指標，實際操作中將河道斷面概化為矩形或梯形，表達為Ai（1≤i≤e）（單位：m2），其中e為組成河段數。河道功能定位與河道空間位置為定性指標，取值表達為Fui（1≤i≤e）與Loi（1≤i≤e），共分為5級：9（很重要）、7（比較重要）、5（一般重要）、3（不太重要）、1（不重要）。河道功能方面，認為級別較高，承擔區(qū)域引排水的骨干河道對結構性連通的影響高于生態(tài)景觀等功能為主的河道，以及一些級別較低的河道。河道空間位置方面，河道在溝通的水系片越多，或者流經區(qū)域的重要性越高，例如重要街道、居住區(qū)等，則認為其對結構連通性影響越大。河道流速為定量指標，以模型模擬結果為計算各河段平均流速，表達為Vi（1≤i≤e）（單位：m/s）。換水周期為定量指標，河道槽蓄量除以河道平均流量，表達為Ti（1≤i≤e）（單位：d）。采用內梅羅指數［12］定量反映綜合水質情況，內梅羅指數在引水前后的變化率作為水質改善指數，在本文中污染物為COD與NH3-N。

表6 水系連通性指數計算值

在確定指標權重前，須對各指標進行歸一化處理。指標值歸一化時，評價數據存在相對最佳值，則以最佳值為1，以其與最佳值的比值或比值的倒數為歸一化后的值。本文利用熵權法對評價指標因子賦權，即由評價指標值構成的判斷矩陣確定指標權重，權重計算結果見表5。通過指標歸一化和權重的確定，建立線性加權綜合評價模型（式（4）），最終得到以改善水質為目標的水系連通性指數（表6），依據評價指數的大小評價水系連通性水平高低。

式中：S為河網覆蓋區(qū)域面積；li為河段i長度；Ki為水系連通性指標取值向量；Wi為指標熵權向量。

情景一和情景二的連通性指數明顯高于引水實驗條件，主要原因是對水系結構連通性進行了優(yōu)化，并且優(yōu)化的引排水調度方案，使得研究區(qū)水力連通性與水質指標也大幅度提升。情景二相對于情景一增加了耿涇作為引水水源，加大了引水流量，對耿涇周邊區(qū)塊，特別是提升了海虞鎮(zhèn)河道起到了很好的水力連通性。但總體來說，相對情景一連通性指數提升并不顯著。因此對常熟市城區(qū)水環(huán)境改善，可以海洋涇引水為主，如需強化海洋涇西片區(qū)的水環(huán)境改善，可以增加耿涇為引水河道。

5 結論

常熟市屬典型的平原河網地區(qū)，地勢平坦，河網密布，流速緩慢，水體自凈能力弱，維持江河水系連通和河網良性水系連通對提升常熟市水環(huán)境質量具有重要意義。然而在實踐中由于實際河網條件未充分考慮、引排水規(guī)劃不合理等原因而造成河道水流不暢，水質更加惡化。本論文以常熟市城區(qū)為研究區(qū)，探討了在水系連通實踐中，以引水實驗現場監(jiān)測結合模型數值模擬，科學制定區(qū)域水系連通方案，并定量評價連通水平，為水系連通改善水環(huán)境建立了系統(tǒng)性的方案。

本文的研究結果表明結構連通是水力連通的基礎，而水力連通性代表了河道對污染物的稀釋、轉化、降解能力，是水環(huán)境改善的必要條件。引水實驗條件下，結構連通性較差，研究區(qū)水量分配與水質改善均受到限制，部分斷面水質甚至出現惡化，暴露出河道截污問題，引水能夠增加水體含氧量、促進污染物降解，但由此增加的水環(huán)境容量有限，因此截污仍是水環(huán)境治理根本措施，也是引水改善水環(huán)境的前提條件。在引水實驗的基礎上提出了河道連通提升方案與不同的水利工程調度方式，結合水量水質模型分析了兩個情景模式下區(qū)域水量分配與河道水環(huán)境提升效果，證明河道連通條件的提高與合理的調配方案使得引水效果進步明顯。在分析平原河網區(qū)特點的基礎上，綜合考量水系連通的自然屬性與社會屬性，提出了水系連通度的評價體系，體現了平原河網的水系特點與城市河道的社會屬性，評價結果能夠合理地反映出水系連通改善水環(huán)境的效果，為我國水系連通實踐提供一定理論依據。

［1］李宗禮，李原園，王中根，等 .河湖水系連通研究：概念框架［J］.自然資源學報，2011（3）：513-522.

［2］李原園，酈建強， 李宗禮，等 .河湖水系連通研究的若干問題與挑戰(zhàn)［J］.資源科學，2011（3）：386-391.

［3］COTE D，DAN G K，BOURNE C，et al.A new measure of longitudinal connectivity for stream networks［J］.Landscape Ecology，2009，24（1）：101-113.

［4］LANE S N，REANEY S M，HEATHWAITE A L.Representation of landscape hydrological connectivity using a topographically driven surface flow index［J］.Water Resources Research，2009，45（8）：2263-2289.

［5］GONZALES-INCA，KALLIOLA R，KIRKKALA T，et al.Multiscale landscape pattern affecting on stream water quality in agricultural watershed，SW Finland［J］.Water Resources Management，2015，29（5）：1669-1682.

［6］趙進勇，董哲仁，翟正麗，等 .基于圖論的河道-灘區(qū)系統(tǒng)連通性評價方法［J］.水利學報，2011，42（5）：537-543.

［7］王中根，李宗禮，劉昌明，等 .河湖水系連通的理論探討［J］.自然資源學報，2011，26（3）：523-529.

［8］左其亭，崔國韜 .河湖水系連通理論體系框架研究［J］.水電能源科學，2012（1）：1-5.

［9］徐慧，徐向陽，崔廣柏 .景觀空間結構分析在城市水系規(guī)劃中的應用［J］.水科學進展，2007，18（1）：108-112.

［10］孟祥永，陳星，陳棟一，等 .城市水系連通性評價體系研究［J］.河海大學學報：自然科學版，2014，42（1）： 24-28.

［11］竇明，靳夢，張彥，等 .基于城市水功能需求的水系連通指標閾值研究［J］.水利學報，2015，46（9）：1089-1096.

［12］徐彬，林燦堯，毛新偉 .內梅羅水污染指數法在太湖水質評價中的適用性分析［J］.水資源保護，2014，30（2）：38-40.