基于有序流动的平原河网区水环境联合调度探讨

基于有序流动的平原河网区水环境联合调度探讨
蔡梅;李敏;马农乐
【摘要】平原河网地区是城市发达,人口密集的地区,同时又具有水系复杂,水流无规律等特色,合理调控水利工程,促使河湖水体有序流动,对于改善区域水生态环境意义重大.目前,国内外关于水环境调度尚处在探索阶段,以杭嘉湖区作为典型研究区,通过对该区域水体有序流动格局和目标参数分析,采用太湖流域河网水量水质数学模型,研究区域水利工程不同的调度方案对于水体流动性及河网水环境的改善作用.结果表明,通过合理调控杭嘉湖区闸泵水利工程,妥善处理杭嘉湖区三向引水格局,以东导流和太湖为主要引水水源,结合南排工程运行,辅以从太浦河进行引水,可以保持适当的水位差,促进水体流动,对水环境改善起到了一定作用.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2018(039)002
【总页数】5页(P60-64)
【关键词】调度;水环境;有序流动;效果;杭嘉湖区
【作者】蔡梅;李敏;马农乐
【作者单位】太湖流域管理局水利发展研究中心,上海 200434;太湖流域管理局水利发展研究中心,上海 200434;上海东南工程咨询有限责任公司,上海 200434【正文语种】中文
【中图分类】TV213.9
太湖流域是中国大中城市最密集、经济最具活力的地区，流域独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水利条件。

杭嘉湖区位于太湖流域的南部，北与阳澄淀泖区和太湖区相邻，以太湖南岸大堤和太浦河南岸为界；东自斜塘、横潦泾至大泖港；西部与浙西区接壤；南滨杭州湾和钱塘江。

杭嘉湖区行政区划大部分属浙江省，小部分属江苏省和上海市。

随着社会经济的快速发展，太湖流域的水资源水环境问题日益突出，位于下游的杭嘉湖区最为典型，近2 a随着浙江省“五水共治”实施，水质略有好转，但水体水质以Ⅳ类-劣Ⅴ类为主[1]。

在全面整治污染源的同时，通过开展水利工程联合调度，人工控制、调度连通对象中的水资源，可促进水体有序流动，保障自然-人工复合水网体系的运转和维持，从而改善区域水生态环境[2]。

《太湖流域综合规划(2012—2030年)》也提出“通过流域综合治理工程布局的完善和水利工程的科学调度，促进河湖水体有序流动，实现雨洪资源利用，增加河湖水体自净能力和水环境承载能力，进一步发挥水利工程防洪、供水与水环境的综合作用”。

因此，河湖水体有序流动是平原河网地区水环境改善的重要手段之一，而合理有效的开展水利工程调度，是实现河湖水体有序流动的重要途径。

水环境调度，即利用水利工程来实现水资源时空的重新分配，从而满足水生态改善的需求[3]。

目前，关于水环境调度的研究还处在探索阶段，本文以杭嘉湖区为研究对象，通过对该区域水体有序流动格局分析的基础上，采用太湖流域河网水量水质数学模型，研究区域水利工程不同的调度模式对于水体流动性及河网水环境的改善作用。

1 杭嘉湖区概况
1.1 水系及水利工程概况
杭嘉湖区水流自然流向由西南向东北流入太湖、太浦河和黄浦江，水系分为运河水系和上塘河水系，其中上塘河水系自成系统，与其他区域交换较少；运河水系有北
排入太湖、东排入黄浦江及南排入杭州湾等河道。

根据地形地貌、河道水系分布和治理特点等，运河水系主要以新、老运河及平湖塘、乍浦塘为界分为3个水利分片，分别为运西片、运东片和南排片，上塘河以南为上塘河自排片[4]，见图1。

杭嘉湖区现有太浦河、东苕溪、京杭运河等主干河道及杭嘉湖南排、环湖大堤东段、太浦河闸、东苕溪导流沿线诸闸等重要水利工程，为有效开展水资源调度提供了基础保障[5]。

图1 杭嘉湖区水系分片示意
1.2 水环境状况
根据嘉兴市近几年水质监测结果，自2013年末浙江省推进“五水共治”以来，嘉兴河网地区水质有了明显的改善。

2014年，全年期Ⅲ类水体监测断面占2.3%；
Ⅳ类水体监测断面占29.7%；Ⅴ类水体占37.5%；劣Ⅴ类水体占30.5%。

杭嘉湖
区域的边界水体中，西侧的东导流来水总体为III类，仅有部分时间为IV类，北边的太湖来水主要为III～IV类，其中，氨氮指标可达II类标准，东侧的太浦河来水
与太湖来水水质相似，主要为III～IV类。

与边界来水相比，区域内部河道水体因
人类活动频繁，水质相对较差，水体总体为IV～劣V类，氨氮是区域内部河网水
体水质的主要决定因素。

1.3 现状水体流动特征
随着流域骨干水利工程建设和区域内部河湖整治工程先后实施，区域水体流动格局基本成型。

根据相关研究[6、7]，杭嘉湖地区除了汛期东、西苕溪上的瓶窑、梅溪等站点受山区洪水影响水位变幅较大外，其余时间各点水位差异不大，河网水面坡降平缓，基本在1/100 000左右；平枯水期水位总体呈现西高东低、北高南低之势，即西部山区高、东部平原低，北面太湖高、南面河网低；汛期水位则有所不同，表现为西南高、东北低，水流流向为北入太湖和往东进入黄浦江。

现状引水期，杭嘉湖平原与太湖通过东、西苕溪与太浦河(太浦闸)以及沿太湖的各
个溇港进行水量交换(包括天然流动和人工控制)，具体为太湖水主要通过湖州市境内尾闾河道进入杭嘉湖东部平原地区，从长兜港、小梅港及大钱港等多个口门入东部平原，其中长兜港、小梅港来水倒灌进入东西苕溪，沿东苕溪进入导流港，通过导流6闸进入东部平原。

东部平原的水量一部分流向东南，通过南排工程的盐官
下河、长山河、海盐河排入钱塘江(南排开启的情况)；另一部分通过頔塘、双林塘、练市塘、澜溪塘流向东北，进入嘉北平原，再分为两支，一支通过三店塘、俞汇塘、红旗塘、上海塘、广陈塘东泄入黄浦江，另一支通过苏嘉运河、伍子河、苏州塘、芦墟塘、和尚塘、长生塘北排入太浦河(如太浦河水位高则向南流),具体见图2。

图2 现状引水期杭嘉湖区水体流动特征
2 区域有序流动格局及目标参数研究
2.1 区域水体有序流动格局研究
杭嘉湖区位于浙西区下游，太湖及太浦河南部，结合杭嘉湖区地形特点，区域可以实现三向引水，即上引东导流、中引太湖、下引太浦河。

为探索杭嘉湖区有序流动格局，研究不同水源引水的水量水质响应关系，通过改变不同水源的水量水质响应关系，研究提出基于水环境改善的区域水体有序流动格局。

经相关项目研究[8]，以东导流为引水水源的话，运西片水质改善明显；京杭运河
练市、乌镇段在10 d左右可以显现改善效果，在引水20 d后会得到明显改善。

新塍塘—平湖塘沿线基本在25 d后会得到明显改善。

以太湖为引水水源，运西区相应断面水质改善明显；随着引水时间推移京杭运河以东区域也会出现一定改善，引水5 d后嘉兴以西区域水质浓度明显下降，嘉兴市以东区域基本在25 d后会得到改善。

此外，杭嘉湖区从太浦河引水的受益范围主要集中在太浦河以南、南浔、乌镇、嘉兴、嘉善以北河网地区，嘉兴以南、长山河以东地区则需要南排口门运行配合以提高水头差来实现水体继续向南流动，由于受口门调度原则控制(嘉兴水位
低于3.0 m关闸)，所以杭嘉湖区维持相对较低水位，流动性不足。

综合前述分析，杭嘉湖区运西片呈现东北和东南两个主要流向，嘉善地区则主要受潮汐影响为主，结合杭嘉湖区调度控制站主要为嘉兴站，因此杭嘉湖区的水体流动格局以东导流、太湖为主要引水方向。

同时根据实际情况实施从太浦河引水，通过南排杭州湾口门运行降低南部区域水位，增大与引水水源的水位差来促进水体流动。

嘉兴以东地区以太浦河为主要引水水源，借助潮汐作用促进水体流动，具体见图3。

图3 杭嘉湖区有序流动格局
2.2 有序流动目标参数研究
平原河网地区的水利工程综合调度要在保障流域防洪排涝、供水安全的基础上，兼顾水生态环境安全；水体有序流动通过人为科学调度构建满足防洪、供水、水生态环境等的水体流动方式[9-10]。

经流域多年治理管理和调控经验，为体现水体有序流动，本研究提出杭嘉湖区3个重点控制指标：水体流速、代表站水位、重要断
面的水质改善。

a) 水体流速。

杭嘉湖区的河网水体流动基本呈现出从环湖、东导流引水南向杭州
湾排水、东向黄浦江排水的格局，区域内骨干河道的年均流速为0.01～0.4 m/s，平均流速约为0.16 m/s。

已有调水试验监测成果表明[11-13]，试验期间，杭嘉湖区水体流速普遍升高，其中，东导流、南排口门附近河道流速升高幅度最大，一般为原河道流速的2～3倍，河网内部升高幅度相对较小，基本在20%～60%之间。

总体来看，试验期间，河网平均流速在0.3 m/s左右，整体水质会有明显的改善。

b) 代表站水位。

杭嘉湖区的主要水位代表站为南浔、新市和嘉兴(杭)，3个代表站的允许最低旬平均水位均为2.55 m[14](镇江吴淞高程，下同)。

相关研究表明[15]，嘉兴站与区域内其他水位代表站的相关性较高，可以作为杭嘉湖区的典型代表站。

嘉兴站位于浙江省嘉兴市秀洲新区庙浜的杭嘉平运河，规划允许最低旬平均水位为2.55 m，对嘉兴站长系列旬平均水位进行频率分析，水位资料系列为1956—2000年。

以50%频率水位作为常水位，嘉兴站50%频率旬平均水位为2.86 m。

综上，初步提出嘉兴站的最低水位目标为2.55 m，适宜水位目标为2.9 m。

c) 重要断面的水质改善。

根据近年来实际开展的杭嘉湖区调水试验成果分析，采
用南排口门加大排水量增加河网水动力，配合东导流和环湖口门利导引湖，采取合适的换水周期，可以实现重要断面水质改善13%左右。

本次研究考虑了太嘉河工
程和杭嘉湖环湖河道整治工程及扩大杭嘉湖南排工程[16]，结合区域水环境改善的实际需求，基于实际调水成效，考虑仅仅通过水利工程调度对水环境改善的实际可达性，确定重要断面的水质改善目标为13%。

3 水环境调度效果研究
3.1 研究方法
目前，水利工程调度对河湖水生态环境作用的理论研究还处在探索阶段，为避免因环境变化导致的多因子影响，数学模型已成为当前国内外科学研究的重要手段，为解决水利实际问题提供参考依据。

本次研究采用在太湖流域内广泛使用的河网水量水质数学模型[17]，该模型由太湖局组织研发，在流域防洪规划、水资源综合规划、引江济太和实时调度预报等工作中得到了充分的应用，模型模拟成果合理可信，主要参数取值为：河道糙率0.025，氨氮的硝化速率0.08～0.1 d-1，氨氮底泥释放
系数0.004～0.008 g/(m2·d)。

3.2 方案设计
为实现杭嘉湖区水体有序流动格局，基于区域现状水体流动特征，通过合理调控东导流口门、环湖口门、太浦河南岸口门以及南排工程，设计了方案1(加大引水和
排水，通过提高河网流动速率，增加水体自净能力)、方案2(加大引水，减少排水，通过保水增强水体自净能力)、方案3(保水的同时，适度增加排水)，分析不同组合方案的水环境作用。

具体方案设计见表1。

3.3 成果分析
依据前述章节研究确定的区域水体有序流动目标参数，对不同组合方案下水体流速、
代表站水位及重要断面水质改善3项重要指标进行分析，以期提出促进杭嘉湖区水体有序流动，改善区域河网水环境的调度方案建议。

a) 水体流速。

通过改变杭嘉湖区有关控制线的口门调度，一定程度上加快非汛期杭嘉湖区河道水体流速，但幅度不大，具体结果见表2。

可以看出，3个不同组合方案中，组合方案3的加快效果较其他两个组合方案的效果明显。

仅个别断面出现流速减缓外，不考虑南排口门附近的流速变化，杭嘉湖运河及以西大部分断面的流速出现了0.4～1.3 cm/s的加速，促进了杭嘉湖区水体流动，加速后的部分区域水体最大流速可以达到0.2 m/s，但与流速0.3 m/s目标仍有一定的的差距。

表2 各方案较断面流速均值分布 cm/s水利片区基础方案平均组合方案1平均最小最大组合方案2平均最小最大组合方案3平均最小最大运西片
8.578.735.8012.038.725.8911.939.136.0812.60运东片
10.9210.856.0115.5210.826.1015.9411.175.2115.44南排片
13.7113.956.9120.9013.905.6222.9114.1511.3017.01
表1 杭嘉湖区水环境调度设计方案方案序号调度方案备注基础方案东导流:闸上水位<3.8m或分洪水位<闸上水位,开闸,其余时间关闸环湖口门:太湖水位在下调度线和上调度线之间时,开闸;太湖水位低于下调度线,7—10月嘉兴水位低于2.8m开闸引水,否则关闸;1—6月和11—12月嘉兴水位低于2.7m开闸引水,否则关闸太浦河南岸口门:太湖水位在2.65m和上调度线之间,松浦大桥流量大于150m3/s;嘉兴站低于2.8m开闸引水,高于2.8m关闸南排口门:嘉兴水位高于2.8m或3.0m开闸排水,否则关闸。

现状调度组合方案1东导流:闸上水位<3.8m或分洪水位<闸上水位,开闸;3.8m<闸上水位<分洪水位,新市水位<3.2m,半开;3.2m<新市水位,关闸环湖口门:太湖水位在下调度线和上调度线之间时,3.2m<双林水位,半开;双林水位
<3.2m,全开。

其余不变太浦河南岸口门:松浦大桥流量大于100m3/s可引水;嘉兴站>3.0m关闸;2.8^3.0m半开;低于2.8m全开引水南排保持原调度不变增大导流
引水,控制太湖引水组合方案2其他工程调度不变,改变南排工程调度,嘉兴大于3.0m排水,小于3.0m关闸保水组合方案3其他工程调度不变,改变南排工程调度,嘉兴大于3.0m排水,开度0.8,2.9^3.0m,开闸适度保水
b) 代表站水位。

各代表站水位计算结果见表3。

与基础方案相比，组合方案1的区域典型代表站的年均水位和旬均最低水位保持基本不变，变幅不超过5 mm；组合方案2代表站年均水位和旬均最低水位均不同程度的出现抬升，其中嘉兴站旬均水位抬升了9.3 cm，双林旬均水位保持不变，新市旬均水位抬升1.3 cm，嘉兴站年均水位抬高2.8 cm，新市年均水位抬高1 cm，双林抬高0.8 cm；组合方案3嘉兴年均水位降低1.1 cm，旬均水位抬升了6.7 cm，双林年均水位降低0.7 cm，旬均水位降低0.5 cm，新市年均水位降低0.6 cm，旬均水位抬升0.8 cm。

组合方案2和组合方案3基本体现了保水和适度保水的调度目的。

各方案嘉兴站的旬均最低水位满足了区域生活、生产、生态用水旬均最低水位，组合方案2嘉兴站年均水位达到了适宜水位的要求。

表3 主要站点水位情况统计单位 m站点基础方案年均水位最低旬均水位组合方案1年均水位最低旬均水位组合方案2年均水位最低旬均水位组合方案3年均水位最低旬均水位双林3.1112.9173.1092.9153.1182.9173.1032.911嘉兴
2.8882.6692.8842.6722.9162.7622.8772.736新市
3.1202.9143.1192.9113.1302.9273.1142.922
c) 重要断面的水质改善。

根据区域水环境现状，氨氮是区域内部河网水体水质的主要决定因素，本次研究采用氨氮作为水质分析指标。

通过改变杭嘉湖区东导流、环湖、太浦河南岸及沿杭州湾控制线的口门调度，对非汛期杭嘉湖区水质起到了一定的改善作用。

与基础方案相比，不同组合方案的改善效果为：组合方案3>组合方案1>组合方案2，其中组合方案3改善幅度在0.8%～15.3%，部分区域可以达到水质改善13%的目标，说明在控源减排的同时，若能合理调度水利工程，可以
实现区域水质的提升(表4)。

表4 各方案氨氮浓度与基础方案相比均值改善幅度 %水利片区组合方案1平均最
小最大组合方案2平均最小最大组合方案2平均最小最大运西片
1.130.411.601.010.301.504.403.505.30运东片0.78-0.308.900.32-
3.808.505.332.2015.30南排片0.010.000.02-0.80-1.20-0.603.400.805.20
4 调度方案
研究表明，通过改变杭嘉湖东导流、环湖、太浦河南岸及沿杭州湾控制线的口门调度，加大东导流引水，适当减少太湖引水，同时结合南排口门运用，适当降低区域河网水位，抬高水位差，可在一定程度上促进杭嘉湖区水体流动，对区域水环境起到改善作用，但是仅依靠水体流动对水环境的改善效果并不明显，仍需从控源节污的角度加大根源治理。

杭嘉湖区基于水体有序流动的调度方案建议如下。

a) 东导流口门。

诸闸闸上水位低于3.8 m时，原则上各闸敞开；洪水期，当各闸
上水位涨到关闸水位，且水位继续上涨时按计划关闸，拦洪。

水位继续上涨至分洪水位(5.4～6 m)时，开闸向东部平原分洪，削减洪峰，以确保湖州城和导流东大堤安全。

为确保多引水，增加调度控制站新市站，如果闸上水位高于3.8 m后尚未
达到分洪水位时，新市水位低于3.2 m还可适当开闸引流。

b) 环湖口门。

太湖水位在下调度线和上调度线之间时，流域进行区域水资源调度。

当双林水位大于3.2 m，环湖口门适度开闸引水；双林水位低于3.2 m时，环湖
口门方可全开进行引水。

c) 南排口门。

长山闸、南台头闸在6月1日—10月16日，嘉兴水位高于3.0 m
开闸排水，否则关闸。

其余时间，嘉兴水位高于2.8 m开闸排水，否则关闸。

独
山排涝闸在嘉兴水位高于3.10开闸排水，高于2.9 m半开闸排水，否则关闸。

d) 太浦河南岸口门。

考虑太浦河引水仅能维持在杭嘉湖东北部的小范围区域，太
湖水位在2.65 m和上调度线之间，松浦大桥流量大于100 m3/s；嘉兴站低于
2.8 m开闸引水，高于2.8 m关闸。

5 结语
城镇化快速发展带来的水环境问题已经成为当今社会的焦点和热点，在控源截污的基础上，合理调控已建水利工程，促进河湖水体有序流动，增加水体环境容量，是改善区域水生态环境的重要手段之一[18]。

本文基于实地调研及模型模拟，研究得出的结论和建议如下。

a) 杭嘉湖区三向引水格局中，以东导流和太湖为主要引水水源，结合南排工程运行，辅以从太浦河进行引水，保持了适当的水位差，促进水体流动，对水环境改善起到了一定作用。

b) 平原河网地区可以选择水体流速、代表站水位、重要断面水质改善可以作为水体有序流动的目标参数，为水环境调度实践提供科学依据。

c) 在平原河网地区，合理调度水利工程，可在一定程度上促进水体流动，对区域水环境起到改善作用，但是仅依靠水体流动对水环境的改善效果并不明显，仍需从控源节污的角度加大根源治理。

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