夏季引流條件下蘇州古城區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)變化研究

廖軼鵬，周鈺林，范子武，賈本有，李 云

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098； 3.蘇州市河道管理處，江蘇 蘇州 215004)

長江下游平原河網(wǎng)密布，河網(wǎng)對下游城市群的發(fā)展和水生態(tài)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，城市河網(wǎng)為人類提供生產(chǎn)生活用水，并兼具防洪排澇功能，改善城市景觀。但長期以來，隨著河網(wǎng)城市群城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的快速發(fā)展，入河污染物負(fù)荷增加。同時城市河網(wǎng)的自然形狀過多地被人為改造，使得河網(wǎng)水動力條件惡化，不利于流入河網(wǎng)中污染物的遷移擴散，從而加劇了城市河網(wǎng)的污染[1-2]。近年來太湖流域的平原河網(wǎng)城市如蘇州等地，通過建設(shè)一大批水工調(diào)控工程來控制并提高河網(wǎng)水動力，從而達(dá)到提升水質(zhì)的效果。不同于天然河流，由于城市河流的水環(huán)境機理十分復(fù)雜，目前尚不完全明確。國內(nèi)外學(xué)者在城市河網(wǎng)水環(huán)境方面開展了一些卓有成效的研究工作[3-7]，發(fā)現(xiàn)透明度、濁度等指標(biāo)在城市渠化河道中具有其獨特的理化特征和形成機理[8]。有學(xué)者認(rèn)為城市河道中的污染物大部分儲存于河道懸浮物或沉積物中，在水動力變化的刺激下會向上覆水體釋放或向水生生物遷移[9-12]，并且水動力的變化也可能造成水體氧化還原的改變，從而促進碳酸鹽的釋放[13]。良好的流速條件也可以使河道內(nèi)的水生植物更好地對營養(yǎng)鹽進行吸收，進而抑制藻類過度生長[14]。目前國內(nèi)外已有一些通過引調(diào)流提升水動力來改善城市局部河網(wǎng)水環(huán)境的實例[15-19]。但引調(diào)流工程帶來的水動力提升對城市水環(huán)境的改善效應(yīng)還無法被定量化，引水效益沒有被很好地評估。因此，探索水動力條件的改變對河網(wǎng)水環(huán)境的改善影響，優(yōu)化城市河網(wǎng)水質(zhì)提升的閘泵調(diào)度方式，對太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

依托蘇州古城區(qū)河網(wǎng)，基于野外原型觀測結(jié)果，分析河網(wǎng)水環(huán)境特征，通過取樣數(shù)據(jù)結(jié)合綜合水質(zhì)指數(shù)分析法(WQI)來討論河網(wǎng)水質(zhì)與流量條件變化之間的響應(yīng)關(guān)系，分析變化流量條件下河網(wǎng)水質(zhì)的分布特征及時空演變規(guī)律。量化蘇州古城區(qū)河網(wǎng)引水調(diào)流所帶來的水環(huán)境改善效果，為更加經(jīng)濟有效地提高蘇州城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域及原觀方案

圖1 古城區(qū)河網(wǎng)水系及引水監(jiān)測示意

蘇州古城區(qū)位于蘇州城市中心區(qū)域，面積14.2 km2，居住人口39.3萬，河流總長度約34.72 km，其中包括“三橫三直”骨干河道和閶門支流、平江水系、南園水系、其他內(nèi)部河道等支河道。圖1為古城區(qū)現(xiàn)有河網(wǎng)水系結(jié)構(gòu)情況。

2017年6月15日至7月10日，進行了蘇州古城區(qū)河網(wǎng)調(diào)水原觀試驗研究。時逢太湖流域夏季汛期，河網(wǎng)來水資源十分充沛，滿足試驗的引水需求，蘇州古城區(qū)內(nèi)完善的河道閘泵工程也使得大部分河道的流量調(diào)控成為可能，為水動力提升和水質(zhì)改善之間定量化關(guān)系提供一定的條件。河網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)狀況受自身污染負(fù)荷和水體自凈能力兩方面作用影響。較好的水動力意味著河網(wǎng)水體的內(nèi)部交換強度能夠得到保證，有利于污染物的及時遷移。

調(diào)水試驗在符合古城區(qū)防汛水位高度要求的前提下，設(shè)計齊門閘、平門閘、學(xué)士河南閘的低流量、中流量與大流量3種引調(diào)流方案。在試驗方案的控制下，北環(huán)城河引流從古城區(qū)北面平門閘和齊門閘進入古城區(qū)河網(wǎng)，并在干將河匯合之后部分流入下游學(xué)士河?？紤]到在整個河網(wǎng)流向上能實現(xiàn)基本覆蓋，因而在水流方向上設(shè)置上游、中游、下游3個重要監(jiān)測斷面。斷面名稱分別為齊門河的堵帶橋斷面(斷面G1)、干將河的太平橋斷面(斷面G2)及學(xué)士河的百花橋斷面(斷面G3)，并在河流方向沿程也分布一系列的取樣斷面來監(jiān)測水質(zhì)沿程變化情況。其中堵帶橋斷面地處蘇州拙政園風(fēng)景區(qū)，斷面前后無排污口，且離齊門閘進水口接近，可保證其水質(zhì)一致性，因而在所有斷面中屬取樣最佳斷面。由于平門河水源與齊門河一樣，都來自于北環(huán)城河，且同為古城區(qū)內(nèi)南北向河流，因而設(shè)置平門河斷面(斷面G4)，可作為良好的對照斷面。水流方向如圖1所示。試驗中水質(zhì)取樣于每日上午10:00與下午3:00進行，水質(zhì)樣品利用卡蓋式采水圓筒于水面下50 cm處采集，并在2 h內(nèi)送至實驗室冷藏箱中避光低溫保存。所采水樣的水溫(Tem)、溶解氧(DO)和pH等指標(biāo)采用哈希HQ40d便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀進行現(xiàn)場測定。其余水質(zhì)指標(biāo)參照標(biāo)準(zhǔn)化方法測定。試驗采用ADCP進行流速流量率定，早上8:00至下午4:00間每小時1次，并同時記錄水溫與pH值。本次試驗共獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)512組，水動力數(shù)據(jù)1 134組。

表1 流量調(diào)控方案

本次研究中為將水動力變化以外因素的影響減小到最低，所有數(shù)據(jù)均在非雨天情況下收集。因6月20日至27日蘇州當(dāng)?shù)赜羞B續(xù)陣雨，故調(diào)水試驗中斷，此8天為非調(diào)水期。試驗于6月28日恢復(fù)進行。由于汛期需求，齊門閘與平門閘進口流量無法同時低于4 m3/s。根據(jù)方案設(shè)定，6月15日至6月19日進口齊門河流量為3 m3/s，平門小河進口流量為4 m3/s，學(xué)士河南閘半開，6月28日至7月3日齊門河進口流量調(diào)整為4 m3/s，并于7月4日提高至5 m3/s。學(xué)士河南閘從7月1日起閘門全開。試驗中的實際流量存在著小幅度的波動，流量情況見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 引調(diào)流下的水質(zhì)變化特征

原觀試驗期間古城區(qū)齊門河進水口的引水水源來自于連接外塘河的北環(huán)城河，相比于往年同期(2016年6月)的北環(huán)城河水質(zhì)，以氨氮含量為例，在非引調(diào)水期間并無顯著差別。水流經(jīng)北環(huán)城河進入古城區(qū)后由于河道變窄、水深降低，水環(huán)境容量減小，因而污染物指標(biāo)相對略高。意味著在水動力條件差的情況下，水環(huán)境容量減小，污染物在古城區(qū)內(nèi)停留時間長是水環(huán)境問題的主要原因。調(diào)水前后的水質(zhì)指標(biāo)插值驗證了這一點。正常情況下蘇州河網(wǎng)的氨氮含量保持在Ⅴ類甚至更差。引水2天后，古城區(qū)內(nèi)水質(zhì)開始出現(xiàn)提升并逐漸進入穩(wěn)態(tài)。前后兩次調(diào)水原觀時間連接緊密，水溫受夏季氣溫影響，且變化不大，所有監(jiān)測點水溫都介于26.4～30.7 ℃。

古城區(qū)進水口處的齊門河(G1)與平門小河(G4)的DO含量受水動力作用，較調(diào)水前有明顯下降。在古城區(qū)中部的干將河處(G2)和南部的學(xué)士河處(G3)則變化略小。DO作為表征城市河網(wǎng)水體質(zhì)量的重要指標(biāo)，一定程度上反映了水體的自身凈化能力，且當(dāng)流速在0.2～0.4 m/s區(qū)間內(nèi)水體不會產(chǎn)生明顯的復(fù)氧變化。G2與G3的溶解氧曲線表明較高的污染物含量消耗了部分溶解氧?？傮w在各監(jiān)測點中DO含量的空間變化分布為：G4>G1>G2>G3(圖2)。而氨氮含量隨水動力變化的響應(yīng)時間較DO相對滯后，且數(shù)據(jù)上隨水動力的提升僅出現(xiàn)平緩的下降趨勢。與DO相比，古城區(qū)各點位的氨氮含量變化率并不明顯(圖3)，其中G2干將河斷面為調(diào)水前后下降最多的監(jiān)測點位，下降幅度為23%。氨氮在水中的降解過程較為復(fù)雜。城市河網(wǎng)水體的氨氮主要來源于生活污水，它本身既是水體污染物，同時也是淡水系統(tǒng)中浮游生物生長所必需的營養(yǎng)鹽。在古城區(qū)生活水動力的提升會促進水生植物對氨氮的吸收；在變化的水動力條件下，這種吸收作用經(jīng)過2～3 d進入新的吸收穩(wěn)態(tài)。同時在水體自凈過程中，DO含量的增加會促進氨氮營養(yǎng)鹽向硝酸根鹽轉(zhuǎn)化，因而氨氮含量與DO也存在自相關(guān)。氨氮本身也是水體中BOD降解過程中的中間產(chǎn)物，這也可能是響應(yīng)水動力變化滯后的原因之一。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，試驗期間蘇州古城區(qū)氨氮日排放量相對穩(wěn)定，這也一定程度上造成指標(biāo)值受試驗流量調(diào)控方案影響較小。由圖4可知，古城區(qū)河網(wǎng)南部的COD指標(biāo)偏高，且受引水量的影響較為明顯，屬于水動力響應(yīng)敏感性指標(biāo)；在一些時段中，與DO指標(biāo)結(jié)果呈負(fù)相關(guān)性。一方面河網(wǎng)水體由北向南，流經(jīng)學(xué)士河處污染物量已有一定的累積；另一方面，以學(xué)士河為典型的南面河流，一般情況下長期處于流動不明顯狀態(tài)。由圖4中各點位的COD指標(biāo)比較可見，這種不流動狀態(tài)可能比現(xiàn)場的視覺效果更為嚴(yán)重。而流動性較好的北面測點(G1，G4)也有明顯的下降曲線，但在COD排放基值較小的情況下，峰值與谷值差別不大。引調(diào)流前后COD總體下降8.76 mg/L，學(xué)士河改善最優(yōu)。

作為表征河網(wǎng)水體浮游植物生物量最常用的指標(biāo)之一，葉綠素a含量(Chl.a)可以反映出藻類及浮游植物的現(xiàn)存量，通常與溶解氧指數(shù)一起作為衡量水體富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)。由此次試驗所得數(shù)據(jù)(圖5)對比發(fā)現(xiàn)，古城河網(wǎng)內(nèi)各監(jiān)測點的含量空間分布差別不大，且古城區(qū)河網(wǎng)內(nèi)各點調(diào)水前后的Chl.a含量均高于北環(huán)城河來水的Chl.a含量。引調(diào)流前后也沒有鮮明的升高或降低變化，其中G1和G4的Chl.a含量高于調(diào)水前，G2和G3的Chl.a含量低于調(diào)水前。說明此次引調(diào)水在全面改善古城區(qū)河網(wǎng)DO的狀態(tài)下并沒有讓Chl.a含量明顯下降，表明在蘇州河網(wǎng)中調(diào)水后Chl.a含量與DO缺乏顯著的相關(guān)性。這與藻類在河網(wǎng)中分布的空間隨機性有很大關(guān)系，短期的調(diào)水很難對城市河網(wǎng)中的藻類群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。前人的室內(nèi)試驗結(jié)果中顯示水動力提升會產(chǎn)生一定的抑藻性效果[20]，但在原型觀測中實際上存在的其他干擾因子使得水動力提升對藻類的影響并不直觀。

圖3 引流期間不同監(jiān)測斷面的氨氮指數(shù)變化

圖4 引流期間不同監(jiān)測斷面的COD指數(shù)變化

圖5 引流前后的監(jiān)測斷面葉綠素含量變化

2.2 引流下的污染物通量變化

基于本次試驗所得實測數(shù)據(jù)，可利用污染物通量法分析監(jiān)測斷面在試驗期間的水質(zhì)變化情況。在實際的污染物通量計算過程中，原觀實測時間段可直接采用實測數(shù)據(jù)，無實測資料時段可采用過程線趨勢差值法計算。污染物通量通用計算式為：

(1)

式中：Q(t)為瞬時流量；C(t)為瞬時濃度。

但在實際原觀過程中，想要獲得連續(xù)的瞬時流量與污染物含量數(shù)據(jù)難度極大，只能獲得一定時間間隔內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因而在原觀監(jiān)測時段通量概化為：

(2)

式(2)中第1項為時均流量和時均含量的乘積，第2項為離散項。實際計算過程中，式(2)中離散項有關(guān)數(shù)據(jù)無法獲得，所以采用如下簡化計算過程：

(3)

試驗期間各斷面污染物通量計算結(jié)果如表2所示。

表2 試驗監(jiān)測斷面污染物通量計算結(jié)果

根據(jù)表中污染物通量計算結(jié)果分析，在最大引水量方案下，各斷面污染物通量削減率分別為15.2%(齊門河)、16.5%(平門小河)和13.2%(學(xué)士河)。

2.3 水動力改善效果的權(quán)重分析

引水調(diào)度帶來的水動力變化對古城區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)改善有兩個方面的積極作用：一是引入來自西塘河的北環(huán)城河水進入古城區(qū)可有效提升古城區(qū)水環(huán)境質(zhì)量；二是提升河道水體流動性可加快水中污染物的降解反應(yīng)，進一步削減水體污染物含量。由原觀監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，古城區(qū)北面齊門河(G1)與平門河(G4)的流速顯著增加。如圖3和4所示，在水動力條件提升良好的兩個點位，COD與DO受水動力提升影響顯著，屬敏感性因子。且由于斷面條件的差別，在相同流量提升下，平門河(G4)的DO改善效果更優(yōu)于齊門河(G1)。試驗期間同比監(jiān)測作為引水水源的外塘河的水質(zhì)狀況，發(fā)現(xiàn)除溶解氧外，外塘河的各項水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于古城區(qū)河網(wǎng)，這體現(xiàn)兩處點位的溶解氧改善效果來自于水動力提升。同時，這也表明了水動力條件的變化與水質(zhì)狀況的改變存在一定的相關(guān)性。

然而受水系結(jié)構(gòu)影響，引流帶來的水動力提升效果在古城區(qū)河網(wǎng)空間上差異明顯，在同等的閘泵工作條件下，學(xué)士河斷面在所有監(jiān)測斷面中流量和水質(zhì)改善效果最弱。在實際的原型觀測中，河網(wǎng)各區(qū)域由于外界條件各異，即使在相同的水動力提升效果下，受原觀的其他環(huán)境因子影響，水質(zhì)情況也各不相同。因此對古城區(qū)河網(wǎng)而言，在其水動力與水質(zhì)存在一定相關(guān)性的前提下，識別水動力因子在水質(zhì)改善中的影響權(quán)重，顯得尤為必要。

主成分分析(PCA)法為綜合水質(zhì)評價(water quality index，WQI)的環(huán)境因子權(quán)重計算方法[21]。該方法基于降低數(shù)據(jù)維度，在損失較少原始信息的前提下通過協(xié)方差計算將多個影響因子轉(zhuǎn)變?yōu)閹讉€主成分因子，進而解釋多影響因素的數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抓住主要權(quán)重并減少變量數(shù)目。最終可以壓縮數(shù)據(jù)，提高分析效率[22]。適用于城市河網(wǎng)的WQI公式由Pesce和Wunderlin[22-23]提供，公式如下：

(4)

式中：n為試驗中所分析水質(zhì)參數(shù)的數(shù)量；Ci為水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化單位；Pi為水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境因子影響權(quán)重，由主成分分析法(PCA)計算。

參與權(quán)重評價的環(huán)境因子為流量、流速、溫度和pH值，計算前首先將各因子的原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便消除數(shù)據(jù)之間量綱與數(shù)量級的影響，利用的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

x′ij=(xij-μj)/sji=1，2，…，m；j=1，2，…，n

(5)

式中：x′ij為處理后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；xij為各因子的原始數(shù)據(jù)；μj，sj則分別為第j個因子指標(biāo)樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；m為因子的樣本數(shù)量；n為指標(biāo)數(shù)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的各項數(shù)據(jù)計算相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)n·n，該矩陣為n階對稱矩陣，相關(guān)系數(shù)rij的意義為第i個指標(biāo)和第j個指標(biāo)之間的相關(guān)程度大小，由下式計算可得：

(6)

從相關(guān)系數(shù)矩陣中可得出特征根與特征向量，其中特征根λi即為主成分Fi的方差。并通過計算方差貢獻(xiàn)率來確定主成分，貢獻(xiàn)率Ei即主成分Fi的方差占總方差的比重，環(huán)境因子的影響權(quán)重最終由主成分荷載值和主成分的方差貢獻(xiàn)率決定，計算式為：

(7)

(8)

(9)

式中：ωj為第j個評價因子的權(quán)重[24]；r為選取的評價因子數(shù)；lij為主成分荷載值。

利用Spss軟件對各環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，檢驗結(jié)果如圖6所示，以流量(Q)和流速(V)兩個環(huán)境因子為例，點離直線越近，或多數(shù)點都在直線上，表明數(shù)據(jù)有較好的正態(tài)性。

圖6 流量與流速數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)，計算初選評價因子的相關(guān)系數(shù)矩陣，見表3。通過表3中數(shù)據(jù)顯示，流速與DO，流量與COD，溫度與DO及葉綠素含量，DO與COD，pH與氨氮含量相關(guān)性較強。

表3 試驗各項因子相關(guān)系數(shù)矩陣

依據(jù)主成分因子協(xié)方差矩陣計算評價因子流量、流速、溫度、pH對水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果分別為0.145，0.141，0.109和0.089。權(quán)重計算結(jié)果與實測值通量計算結(jié)果趨勢基本吻合，比較準(zhǔn)確地反映了水動力提升后的河網(wǎng)水質(zhì)狀態(tài)。主成分分析結(jié)果表明，對于蘇州古城區(qū)河網(wǎng)而言，增強河網(wǎng)水體流動性和水體交換是改善水質(zhì)的可行辦法，但權(quán)重影響并不那么突出。進一步改善古城南部區(qū)域的河網(wǎng)水質(zhì)，需要基于更好的水利調(diào)度及水系結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

3 結(jié) 語

對于蘇州古城區(qū)而言，水環(huán)境質(zhì)量狀況隨河網(wǎng)流量增大得到明顯改善，這表明增強河網(wǎng)水體流動性是保證河網(wǎng)水質(zhì)的有效方法之一。隨著蘇州防洪大包圍網(wǎng)的建成，配合各河道密集的閘站設(shè)置及合理的調(diào)度，能夠保證古城區(qū)河網(wǎng)一年四季下水量的總體穩(wěn)定，污染物含量水平各季節(jié)保持相近。

在梯級調(diào)水方案條件下，齊門河、平門小河和學(xué)士河的總體污染物通量分別下降15.2%，16.5%和13.2%。古城區(qū)河網(wǎng)中COD和DO受水動力影響敏感性較強，可以作為當(dāng)?shù)氐牡湫退|(zhì)指標(biāo)參數(shù)，較好地反映水動力調(diào)控的影響效果，并對調(diào)控方案有很好的指導(dǎo)作用。在試驗研究過程中，古城區(qū)河網(wǎng)水體中氨氮含量變化受水動力影響較小，如需進一步削減蘇州古城區(qū)河網(wǎng)水體的氨氮含量，則需尋求其他有效方法。