2007—2020年引江濟太環(huán)境效益分析及工程優(yōu)化調(diào)度研究

殷 鵬 華 萍 胡曉雨

(江蘇省水資源服務中心，江蘇 南京 210029)

引江濟太通過望虞河常熟水利樞紐引長江水,由望亭水利樞紐入太湖,為增加流域水資源供給、保障水源地水質(zhì)安全發(fā)揮了重要作用[1-3]。近期,有專家提出“長江總磷濃度要高于太湖湖體總磷濃度,引江濟太可能是造成2016年之后太湖總磷升高的原因之一”。本研究對2007—2020年引江濟太環(huán)境效益進行了統(tǒng)計研究,并分析了引江濟太工程調(diào)度管理中遇到的實際問題,提出了工程優(yōu)化調(diào)度的建議,為更好地發(fā)揮引江濟太工程效益,提供技術(shù)支撐。

1 引江濟太及環(huán)湖入湖河流水質(zhì)變化趨勢分析

根據(jù)江蘇省水文水資源勘測局監(jiān)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計了2007—2020年引江濟太期間望虞河入湖總磷、總氮濃度,并根據(jù)太湖流域管理局太湖健康狀況報告中入湖水量及入湖氮磷通量計算了太湖環(huán)湖入湖河流總磷、總氮平均濃度,結(jié)果見圖1和圖2。其中2007—2020年引江濟太期間,望虞河望亭立交入湖水質(zhì)總體穩(wěn)定,望虞河年均入湖總磷濃度在0.101～0.149mg/L之間波動,總體呈穩(wěn)定的趨勢,均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)河流Ⅲ類水標準,平均濃度為0.131mg/L;年均入湖總氮濃度在1.91～2.74mg/L之間波動,平均濃度為2.36mg/L。太湖環(huán)湖入湖河流總磷平均濃度在0.138～0.275mg/L之間波動,為Ⅲ～Ⅳ類水水質(zhì),濃度總體呈下降趨勢,平均濃度為0.193mg/L;年均入湖總氮濃度在5.67～2.85mg/L之間波動,平均濃度為4.12mg/L。

圖1 2007—2020年望虞河及環(huán)湖河流入湖總氮平均濃度

通過上述兩組數(shù)據(jù)比較分析,2007年以來,歷年望虞河入湖氮、磷濃度均低于太湖環(huán)湖入湖河流入湖氮磷濃度,其中總磷低12.4%～53.8%,平均低32.1%;總氮低30.0%～57.4%,平均低42.7%。

圖2 2007—2020年望虞河及環(huán)湖河流入湖總磷平均濃度

2 太湖藍藻生物量及湖泛統(tǒng)計分析

根據(jù)江蘇省水文水資源勘測局太湖湖泛巡查數(shù)據(jù),統(tǒng)計了太湖湖泛情況,并根據(jù)水利部太湖流域管理局數(shù)據(jù)統(tǒng)計了2007—2020年太湖逐月葉綠素a月均值,結(jié)果見圖3。結(jié)果顯示,2007年之后,太湖未發(fā)生大面積湖泛,但是共發(fā)生96次小范圍水質(zhì)異常(小范圍湖泛),集中分布在5—9月,其中5月16次,占16.7%,6月38次,占39.6%,7月27次,占28.1%,8月9次,占9.4%,9月6次,占6.3%;太湖5—10月,太湖葉綠素a濃度月均值均超過0.03mg/L,其余月份均低于0.03mg/L;5—10月,共有2個峰值,分別為5月(0.051mg/L)、8月(0.061mg/L)。

圖3 2007—2020年太湖葉綠素a平均濃度及湖泛發(fā)生次數(shù)

江蘇省政府印發(fā)了《江蘇省太湖藍藻暴發(fā)應急預案》,根據(jù)藍藻水華面積、藻密度、葉綠素a濃度等指標,制定了Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級預警標準,根據(jù)江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)統(tǒng)計了2020年太湖藍藻預警觸發(fā)次數(shù),見表1。結(jié)果表明2020年太湖共觸發(fā)藍藻預警21次,其中觸發(fā)Ⅱ級預警條件6次,觸發(fā)Ⅲ級預警條件16次,分布在5—10月。

表1 2020年太湖藍藻預警觸發(fā)次數(shù)統(tǒng)計

通過上述3組數(shù)據(jù)分析,定義5—10月為太湖藍藻湖泛高發(fā)期,1—4月以及11月、12月為太湖藍藻湖泛非高發(fā)期。

3 引江濟太入湖水量統(tǒng)計分析

3.1 引江濟太調(diào)度管理要求變化情況

2011年8月,國家防汛抗旱總指揮部批復《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》,引入了調(diào)水限制水位的機制,調(diào)水限制水位與時間的關(guān)系見圖4,該機制主要目的是為了保障太湖防洪安全,在汛期來臨之前,提前預降太湖水位,規(guī)定除突發(fā)水污染、水質(zhì)惡化等事件外,原則上太湖水位超過調(diào)水限制水位后,不得實施引江濟太[4]。

圖4 不同時間太湖調(diào)水限制水位

3.2 引江濟太入湖水量年際變化

根據(jù)江蘇省水旱災害防御調(diào)度指揮中心監(jiān)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計了望虞河引江濟太入湖水量情況,見圖5。結(jié)果表明2007—2020年望虞河引江濟太累計入湖水量105.2億m3,年均引水入湖水量7.52億m3、年均引水入湖持續(xù)99.6d,引水入湖水量與引水入湖持續(xù)時間成良好的正相關(guān)關(guān)系,引水期間,平均每天入湖水量755萬m3。

引江濟太入湖水量總體呈下降趨勢,調(diào)水限制水位機制實行之前(2007—2011年),年均引江濟太入湖水量10.6億m3,調(diào)水限制水位機制實行之后(2012—2020年),年均入湖水量降至5.81億m3,較之前減少45.2%,其中2015—2020年,年均入湖水量進一步下降至3.91億m3。

圖5 2007—2020年歷年望虞河引江入湖水量及引水入湖時間

3.3 太湖藍藻湖泛非高發(fā)期入湖水量年際變化

2007—2020年,太湖藍藻湖泛非高發(fā)期(1—4月以及11月、12月)累計引水60.5億m3,該段時間年均引水4.32億m3,其中2007—2011年年均引水4.45億m3,2012—2020年年均引水4.25億m3,歷年具體數(shù)據(jù)見圖6。調(diào)水限制水位機制實行之后,太湖藍藻、湖泛非高發(fā)期入湖水量僅比之前低4.5%,主要是由于太湖藍藻、湖泛非高發(fā)期同時也是一年當中的非汛期,這段時間太湖流域降雨偏少,水位偏低,調(diào)水限制水位的機制引入后,并沒有對該段時間的引水產(chǎn)生明顯影響。

圖6 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛非高發(fā)期引江濟太入湖水量

3.4 太湖藍藻湖泛高發(fā)期入湖水量年際變化

2007—2020年,太湖藍藻湖泛高發(fā)期(5—10月)累計引水44.8億m3,該段時間年均引水3.20億m3,其中2007—2011年年均引水6.14億m3,2012—2020年年均引水1.56億m3,歷年具體數(shù)據(jù)見圖7。調(diào)水限制水位機制實行之后,太湖藍藻湖泛高發(fā)期引水量較之前大幅度減少74.6%。主要原因是藍藻水華及湖泛高發(fā)期也是一年中的主汛期,加之這段時間太湖水位偏高,以及5月1日至7月19日這段時間太湖調(diào)水限制水位偏低,造成太湖調(diào)水限制水位機制引入后,藍藻水華及湖泛高發(fā)期引江入湖水量大幅度減少。

圖7 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛高發(fā)期引江濟太入湖水量

通過上述分析可以得出,調(diào)水限制水位機制實行之后,對太湖藍藻湖泛非高發(fā)期引江濟太沒有產(chǎn)生明顯影響,但是對太湖藍藻湖泛高發(fā)期影響制約明顯,調(diào)水限制水位機制實行前后引江濟太入湖水量對比情況見圖8。

圖8 調(diào)水限制水位機制實行前后引江濟太入湖水量變化

4 調(diào)水限制水位機制實行后水污染、水質(zhì)惡化等突發(fā)事件條款的實際運用

《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》實行之前,2007—2011年,在藍藻水華高峰期,在調(diào)水入湖時段每年平均有62.8d太湖實際水位超過了之后規(guī)定的調(diào)水限制水位,2011年之后,在調(diào)水入湖時段每年平均只有3.5d出現(xiàn)太湖實際水位超過調(diào)水限制水位的情況[5-6]。

這些調(diào)水入湖的時段太湖實際水位超過調(diào)水限制水位的情況集中發(fā)生在2012年、2017年、2020年,其中2012年5月貢湖灣發(fā)生了3起小范圍水質(zhì)異常(小范圍湖泛),威脅水源地供水安全,期間引水16d,其中超調(diào)水限制水位3d;2020年5月、6月貢湖灣共發(fā)生2起小范圍水質(zhì)異常,期間調(diào)水13d,其中超調(diào)水限制水位7d;2017年為2007年以來藍藻水華最嚴重的一年,衛(wèi)片監(jiān)測到的藍藻水華總面積、最大面積都是2008年以來最大的一次,5—9月共發(fā)生小范圍水質(zhì)異常17次,遠超年均發(fā)生次數(shù)(7.4次),期間調(diào)水38d,其中超調(diào)水限制水位25d,為2011年之后最多的一次[7-8]。

統(tǒng)計太湖藍藻湖泛高發(fā)期引江調(diào)水期間實際水位超調(diào)水限制水位最高高度情況,2011年之前最高為0.26m,發(fā)生在2009年;2011年之后最高為0.17m,發(fā)生在2017年。歷年具體情況見圖9。

圖9 太湖藍藻湖泛高發(fā)期超調(diào)水限制水位引水時間及最大高度

綜上分析,2011年《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》執(zhí)行之后,僅在貢湖灣發(fā)生小范圍水質(zhì)異常,嚴重威脅水源地供水安全的條件下,以及太湖藍藻水華及小范圍水質(zhì)異常(小范圍湖泛)異常嚴重的2017年,實施過超調(diào)水限制水位引江濟太入湖,時間總計只有35d。

5 引江濟太入湖水量與太湖水質(zhì)之間的關(guān)系

5.1 引江濟太入湖水量與太湖總磷濃度的關(guān)系

利用線性趨勢法分析了2007—2020年歷年藍藻湖泛高發(fā)期及非高發(fā)期引江濟太入湖水量與同時期太湖總磷濃度之間的關(guān)系,結(jié)果見圖10和圖11,結(jié)果表明藍藻湖泛高發(fā)期及非高發(fā)期引江濟太入湖水量的增加或降低均不會明顯影響太湖總磷濃度。

圖10 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛高發(fā)期引江濟太入湖水量與太湖總磷濃度的關(guān)系

圖11 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛非高發(fā)期引江濟太入湖水量與太湖總磷濃度的關(guān)系

5.2 引江濟太入湖水量與太湖葉綠素a濃度的關(guān)系

利用線性趨勢法分析了2007—2020年歷年藍藻湖泛高發(fā)期及非高發(fā)期引江濟太入湖水量與同時期太湖葉綠素a濃度之間的關(guān)系,見圖12和圖13,結(jié)果表明藍藻湖泛高發(fā)期及非高發(fā)期引江濟太入湖水量均與同時期太湖葉綠素a濃度成負相關(guān)關(guān)系。同時進行了統(tǒng)計假設檢驗,得出藍藻湖泛高發(fā)期及非高發(fā)期引江濟太入湖水量與同時期太湖葉綠素a濃度之間,P值分別為0.00469和0.00012,均小于0.01,說明2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛非高發(fā)期引江濟太入湖水量與太湖葉綠素a濃度的關(guān)系高度顯著。

綜上分析說明,增加引江濟太入湖水量有利于降低湖體藍藻生物量。

圖12 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛高發(fā)期引江濟太入湖水量與太湖葉綠素a濃度的關(guān)系

圖13 2007—2020年歷年太湖藍藻湖泛非高發(fā)期引江濟太入湖水量與太湖葉綠素a濃度的關(guān)系

6 結(jié) 論

a.2007—2020年,歷年望虞河引江入湖總磷、總氮濃度均低于當年太湖入湖河流總磷、總氮平均濃度,其中總磷濃度均達到河流Ⅲ類水標準。

b.5—10月 為藍藻、湖泛高發(fā) 易 發(fā) 期,根 據(jù)2007—2020年數(shù)據(jù)分析,6月為小范圍水質(zhì)異常(小范圍湖泛)發(fā)生最多的月份,共計38次,8月為太湖平均葉綠素濃度最高的月份,平均濃度為0.061mg/L。

c.2007—2020年太湖引江濟太水量總體呈下降趨勢,主要原因是2011年8月《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》執(zhí)行之后,藍藻、湖泛高發(fā)易發(fā)期(5—10月)引江濟太明顯受限,2012—2020年藍藻、湖泛高發(fā)易發(fā)期平均年引水1.56億m3,比2007—2011年年均引水量下降74.6%。

d.2012—2020年,歷年藍藻、湖泛高發(fā)易發(fā)期(5—10月),僅在發(fā)生小范圍水質(zhì)異常(小范圍湖泛)威脅水源地供水安全的情況下,實施了超調(diào)水限制水位引江濟太入湖,累計入湖時間僅為35d。

e.引江濟太水量增加并沒有增加太湖湖體總磷濃度,但有利于降低湖體藍藻生物量,可對確保太湖水源地水源安全發(fā)揮關(guān)鍵作用。

7 建 議

《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》確有提出在突發(fā)水污染、水質(zhì)惡化等事件時,可以在超調(diào)水限制水位的條件下實施引江濟太,但是并沒有對何為水污染、水質(zhì)惡化突發(fā)事件進行量化。2021年,生態(tài)環(huán)境部修訂了重點湖庫水華預警工作機制,明確了I級(紅色)、Ⅱ級(橙色)和Ⅲ級(黃色)預警標準,建議參照該標準,對《太湖流域洪水與水量調(diào)度方案》中“水污染、水質(zhì)惡化等突發(fā)事件”這一條款進行量化明確,更好地發(fā)揮引江濟太在湖泛及藍藻水華防控方面的功能效益。