改善杭嘉湖河網(wǎng)水環(huán)境水利工程總體布局及效果分析

章宏偉 李曉燕 黃 昉

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.國(guó)家海洋局 第二研究所，浙江 杭州310012）

0 前言

近十余年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及缺乏有效的保護(hù)措施，杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)日趨惡化，部分城市水源地在枯水季節(jié)的水質(zhì)甚至為劣Ⅴ類，不僅存在較大的安全隱患，長(zhǎng)期引用還嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝罕姷纳钯|(zhì)量和身體健康。在感潮河網(wǎng)地區(qū)，調(diào)水引流是一項(xiàng)重要的改善水環(huán)境的措施。本文從水利角度出發(fā)，結(jié)合區(qū)域水文特性及水質(zhì)狀況，研究改善杭嘉湖水環(huán)境的水利工程總體布局，并通過(guò)一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，分析實(shí)施后的效果，為工程建設(shè)提供決策依據(jù)。

1 區(qū)域水文特性及水質(zhì)狀況

1.1 水文

（1）水位

杭嘉湖地區(qū)水位具有如下特點(diǎn)：除了洪汛期東、西苕溪受山區(qū)洪水影響水位較陡外，其余時(shí)間各點(diǎn)水位差異不大，河網(wǎng)水面坡降平緩，基本在1/100000左右；平枯水期水位總體呈現(xiàn)西高東低、北高南低之勢(shì)，即西部山區(qū)高、東部平原低，北面太湖高、南面河網(wǎng)低。汛期水位則有所不同，表現(xiàn)為西南高、東北低，水流流向?yàn)楸比胩屯鶘|進(jìn)入黃浦江。

（2）水量

杭嘉湖平原河網(wǎng)北面受太湖水位控制，西面承接山區(qū)來(lái)水，東面則受黃浦江潮汐影響，因而與周邊水體之間存在密切的水量交換。

與太湖水量交換是以太湖逆流進(jìn)入杭嘉湖地區(qū)為主，與江蘇、上海水量交換總體以北排入江蘇、東泄入黃浦江為主。2002年～2007年，凈水量為太湖進(jìn)入杭嘉湖地區(qū)7.86億m3；杭嘉湖地區(qū)北排進(jìn)入江蘇境內(nèi)6.49億m3，東排進(jìn)入上海境內(nèi)49.53億m3。

1.2 水質(zhì)

2005年杭嘉湖地區(qū)廢水排放總量為7.47億m3，其中，工業(yè)廢水3.60億m3，生活污水3.87億m3。根據(jù)杭州、嘉興和湖州三市的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，杭嘉湖地區(qū)地表水質(zhì)為Ⅱ～劣Ⅴ類，其中Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占總斷面數(shù)的31.8%，Ⅳ類占15.9%；Ⅴ～劣Ⅴ類占52.3%，主要超標(biāo)因子為氨氮、總磷、BOD5、CODMn和DO。從各水系來(lái)看，以東、西苕溪水質(zhì)最好，基本在II類～I(xiàn)II類；湖州河網(wǎng)和泗安溪水系其次，主要為III類～Ⅳ類；杭州河網(wǎng)、嘉興河網(wǎng)和運(yùn)河水質(zhì)最差，普遍在Ⅴ類～劣Ⅴ類。

2 總體布局研究

水利工程調(diào)水引流改善水質(zhì)的原理主要是增加引入清水量，稀釋河水，降低污染物的濃度，調(diào)活河網(wǎng)水體，提高河水的復(fù)氧、自凈能力，加快污染物的降解，并使污水不再在感潮河流中回蕩積存[1]。因此，研究水利工程總體布局時(shí)必須先分析杭嘉湖地區(qū)實(shí)施調(diào)水引流的各種條件。

2.1 引用水源分析

錢塘江每年有近300億m3的下泄水量，其杭州段水質(zhì)平均在III類左右；西面的東、西苕溪流域面積均超過(guò)2000km2，不僅山區(qū)來(lái)水豐富，而且水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ～I(xiàn)II類；目前南太湖水質(zhì)平均在III～Ⅳ類。錢塘江、苕溪和太湖的水質(zhì)均要好于平原河網(wǎng)水質(zhì)，具備調(diào)水引流的基本條件。

2.2 調(diào)水引流動(dòng)力條件分析

目前沿錢塘江北岸建有鹽官排澇樞紐、長(zhǎng)山閘和南臺(tái)頭閘等水利工程，通過(guò)杭州灣低潮位時(shí)開閘排水，加大苕溪、太湖與嘉興河網(wǎng)的水位差，增加引清水入嘉興的能力。錢塘江、杭州灣與平原河網(wǎng)之間的水位差為調(diào)水引流提供了天然的動(dòng)力條件。

2.3 調(diào)水試驗(yàn)的實(shí)踐

2005年和2007年杭嘉湖地區(qū)先后進(jìn)行了兩次大規(guī)模的南排調(diào)水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用現(xiàn)有的南排工程為區(qū)域內(nèi)河流置換水體，對(duì)改善水質(zhì)具有十分顯著的效果。以2005年調(diào)水試驗(yàn)為例，調(diào)水后，在河網(wǎng)干流的31個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中，高錳酸鹽指數(shù)符合III類水體的監(jiān)測(cè)斷面增加了12個(gè)，增加38.7%；氨氮劣于V類水體監(jiān)測(cè)斷面減少了4個(gè)，減少13.0%；總磷符合III類水體的監(jiān)測(cè)斷面增加了9個(gè)，增加29.0%。

2.4 總體布置方案

杭嘉湖地區(qū)改善河網(wǎng)水環(huán)境骨干水利工程由錢塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、環(huán)湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程及擴(kuò)大杭嘉湖南排工程等6項(xiàng)工程組成。其總體布置原則是：在“治污為本”的前提下，加強(qiáng)源頭保護(hù)，保證苕溪清水入湖；同時(shí)通過(guò)增加水的流動(dòng)性，確保錢塘江和太湖清水在杭嘉湖東部平原能“進(jìn)得來(lái)、流得動(dòng)、排得出”，以達(dá)到“以動(dòng)治靜，以清釋污，以豐補(bǔ)枯，改善水質(zhì)”的效果。

3 一維河網(wǎng)水質(zhì)模型建立及工程效果分析

運(yùn)用MIKE11軟件的水動(dòng)力模塊 (HD模塊)、對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD模塊）[2]，模擬計(jì)算杭嘉湖地區(qū)水利工程總體布置方案實(shí)施前后的河網(wǎng)水動(dòng)力及水質(zhì)變化情況。

3.1 模型建立

3.1.1 河網(wǎng)概化

北以太湖和太浦河為界；西北分別取合溪水庫(kù)和泗安塘的天平橋，包括整個(gè)長(zhǎng)興平原；西苕溪邊界取橫塘村；東苕溪邊界取余杭，并考慮了中苕溪、北苕溪、余英溪和埭溪區(qū)間匯流情況；南以錢塘江北岸為界；東至上海的米市渡。模擬河道共計(jì)254條，18個(gè)閘節(jié)點(diǎn)，6個(gè)泵站，布設(shè)3000余個(gè)實(shí)測(cè)斷面。

3.1.2 污染源概化

入河排污口概化是在2006年浙江省水文局調(diào)查統(tǒng)計(jì)杭嘉湖地區(qū)主要入河排污口的基礎(chǔ)上，再根據(jù)污水排放去向和就近排放原則，分點(diǎn)源和面源兩種類型放入概化河道。

3.1.3 邊界條件

模型驗(yàn)證計(jì)算選擇2005年杭嘉湖地區(qū)的實(shí)測(cè)水文條件進(jìn)行復(fù)演，方案計(jì)算選擇太湖流域1971年型枯水年水文條件。

3.2 模型驗(yàn)證

3.2.1 水位

選擇11個(gè)較有代表性水位站點(diǎn)的2005年實(shí)測(cè)逐日水位過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。限于篇幅，僅給出 “德清大橋”和“嘉興”2個(gè)站點(diǎn)的驗(yàn)證過(guò)程。從逐日水位驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，模型計(jì)算的逐日水位變化曲線與實(shí)測(cè)逐日水位變化曲線吻合良好，峰值水位基本接近。

3.2.2 流量

選擇 “杭長(zhǎng)橋”和“三里橋”等2個(gè)流量站點(diǎn)的2005年實(shí)測(cè)逐日流量過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，2個(gè)流量站點(diǎn)模型計(jì)算的逐日流量變化曲線與實(shí)測(cè)逐日流量變化曲線吻合較好，峰值流量也較為接近。

3.2.3 水質(zhì)

以CODcr、NH3-N作為研究對(duì)象，模擬了杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)內(nèi)的CODcr、NH3-N濃度的時(shí)空分布情況，并選擇9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（限于篇幅，僅列出雙林驗(yàn)證斷面）。

圖1

圖2

從計(jì)算的CODcr、NH3-N濃度變化曲線與實(shí)測(cè)值的比較情況來(lái)看：在大多數(shù)情況下，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差小于30%，在水質(zhì)模型允許的誤差范圍內(nèi)。

表1 工程實(shí)施前后代表斷面年均水質(zhì)變化

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 水位變化

由于疏通了5條主要入湖河道的“卡口”斷面，使太湖水體能較順暢進(jìn)入杭嘉湖東部平原腹地，平原河網(wǎng)最低水位較工程前均有不同程度提高；而通過(guò)南排閘門調(diào)度，平原河網(wǎng)最高水位總體有所降低；另外，從年均水位來(lái)看，除靠近南排出口的海寧、海鹽和平湖斷面略有降低以及靠近滬浙交界的紅旗塘大壩、嘉善斷面基本不變外，其余斷面年均水位均有抬高。表明工程實(shí)施后，太湖南岸與南排出口的水位差有所增大，有利于促進(jìn)太湖及東苕溪清潔水體向杭嘉湖東部平原水質(zhì)狀況較為惡劣的海寧、桐鄉(xiāng)、海鹽等地流動(dòng)。

3.3.2 水量變化

導(dǎo)流八閘中德清大閘和洛舍閘進(jìn)入東部平原水量均有所增加，這主要是水利工程疏通了德清大閘、洛舍閘與東部平原京杭運(yùn)河的連接河段，部分原本下泄進(jìn)入太湖的水量，經(jīng)南排閘門拉動(dòng)后，轉(zhuǎn)而沿京杭運(yùn)河和京杭古運(yùn)河，流向嘉興的桐鄉(xiāng)、海寧、海鹽等地。入湖溇港各河道由于進(jìn)行了拓寬、疏浚，引水能力增加也十分明顯，但另一方面溇港地區(qū)水位抬升使得平原河網(wǎng)自西向東的水面坡降變緩，造成導(dǎo)流其余六閘水量下降。但從總水量來(lái)看，工程實(shí)施后通過(guò)東苕溪導(dǎo)流八閘和環(huán)湖河道進(jìn)入杭嘉湖東部平原的總水量，由40.44億m3提高到45.85億 m3，增加了 5.41億 m3，增幅 13.4%。

3.3.3 水質(zhì)變化

（1）由于南太湖和東苕溪上游來(lái)水水質(zhì)普遍好于杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)，經(jīng)水體置換后，河網(wǎng)水質(zhì)改善明顯，CODcr年均濃度值可降低約8.4%，NH3-N降低18.4%。

（2）從水質(zhì)指標(biāo)改善效果來(lái)看，工程對(duì)NH3-N水質(zhì)指標(biāo)的改善情況要好于CODcr。這是由于杭嘉湖地區(qū)河網(wǎng)的NH3-N濃度普遍較高，而引入的水體NH3-N濃度又相對(duì)較低，因而對(duì)降低NH3-N濃度十分有效。兩次杭嘉湖南排調(diào)水試驗(yàn)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

（3）從水質(zhì)改善范圍來(lái)看，杭嘉湖東部平原以京杭運(yùn)河為界，運(yùn)河以西的溇港地區(qū)水質(zhì)改善程度相對(duì)較小，而運(yùn)河以東的海寧、海鹽、桐鄉(xiāng)、嘉興市區(qū)等地水質(zhì)改善效果明顯。

調(diào)水引流水質(zhì)改善效果與現(xiàn)狀河網(wǎng)水質(zhì)狀況有很大關(guān)系。杭嘉湖東部平原除了雙林塘以北河網(wǎng)水質(zhì)相對(duì)較好外，其余地區(qū)水質(zhì)普遍較差，且越往南面，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度越高，水質(zhì)越差。水利工程實(shí)施后，將太湖及東苕溪導(dǎo)流港清潔水體引入雙林塘以南及運(yùn)河以東區(qū)域，有效改善了這些區(qū)域水質(zhì)；而溇港地區(qū)由于其本身水質(zhì)相對(duì)較好，故其改善效果較不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）杭嘉湖地區(qū)具備調(diào)水引流的水情和工情。改善杭嘉湖河網(wǎng)水環(huán)境的骨干水利工程總體布局為：錢塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、環(huán)湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程和擴(kuò)大杭嘉湖南排工程。

（2）運(yùn)用一維河網(wǎng)水質(zhì)模型分析了工程實(shí)施后的效果，結(jié)果表明，運(yùn)河以東的海寧、海鹽、桐鄉(xiāng)、嘉興市區(qū)等地水質(zhì)改善效果明顯，而運(yùn)河以西的溇港地區(qū)水質(zhì)改善程度相對(duì)較小；杭嘉湖地區(qū)CODcr年均濃度值平均可降低約8.4%，NH3-N降低18.4%。

［1］徐貴泉，褚君達(dá).上海市引清調(diào)水改善水環(huán)境探討[J].水資源保護(hù)，2001，3，26-30.

［2］Mike11：user&reference manual[R].Danish Hydraulics Institute，Horsholm，Denmark.2000.