胡祉冰，逄 勇，胥瑞晨，汪静娴

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

自2002年“引江济太”工程实施至今[1]，在区域供水、排涝等方面取得了重要成效，但由于长期以来长江总磷指标劣于太湖东部沿岸区[2]，且望虞河沿线支流大量氮、磷污染物随引水进入湖体，该工程对太湖水质及水生态的改善作用颇有争议[3-5]。太湖作为上海、苏州等地优质水源地，区域用水需求的快速增长导致“引江济太”规模扩大势在必行，走马塘作为“引江济太”水源地上游最主要的规划排水河道，其排水水量、水质对望虞河引江水源地水质有直接影响。

在对走马塘排水对长江下游水源地影响的相关研究方面，纪洪燕[6]采用指数法分析了走马塘排水后在长江的污染带长度，但未能反映污染物随长江潮位迁移规律；王超等[7]基于EFDC模型模拟了走马塘排水对“引江济太”水源地水质的影响，但其主要模拟污染物为CODMn，且未考虑到望虞河扩建工程建设后区域水情变化；杜德军等[8]建立了长江物理模型模拟得到望虞河引水枢纽移至铁黄沙后，走马塘排水造成望虞河引水枢纽处CODMn和氨氮浓度明显上升。但河工模型并不能很好反映污染物降解的生化过程，存在一定局限性，且以往研究并未考虑到望虞河扩建方案。

本文基于建立的长江江苏段二维水环境数学模型，研究了走马塘不同排水情况对望虞河扩建工程前后引水TP质量浓度的影响，并提出减缓对望虞河引水枢纽处水质影响的调度及污染控制措施，以期减轻“引江济太”工程扩建后带来的环境影响，确保望虞河入湖断面TP质量浓度满足管理要求。

1 研究区概况

望虞河(120°24′9″E～120°49′41″E，31°26′42″N～31°46′55″N)为长江中下游平原连接长江与太湖的一条骨干引排水通道(图1)，近年来其对太湖水资源的补充作用愈发明显[9]。为改善望虞河入湖水质，拟于望虞河西岸支流口门处设闸，西岸支流通过望虞河西北侧走马塘(120°24′48″E～120°49′58″E，31°27′55″N～31°50′54″N)入长江，以减少“引江济太”过程中氮、磷等污染物入湖量[10-12]。

(a) 研究区域

望虞河现状引水枢纽位于福山水道内侧，距离走马塘排水口沿长江岸线12.3 km，为解决望虞河河口处泥沙淤积带来的河口萎缩问题，望虞河扩建方案拟将望虞河引水枢纽外移至铁黄沙[13](图1(b))，移建后望虞河引水枢纽位于走马塘排水口下游沿长江岸线5.5 km处，走马塘排水势必对望虞河引水口水质造成更显著影响。

2 研究方法

2.1 二维水动力控制方程

模拟基于二维水环境数学模型，笛卡尔坐标系下的二维水动力控制方程是不可压缩流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程(式(1))和动量方程(式(2)(3))[14]：

(1)

(2)

(3)

2.2 二维水质控制方程

污染物扩散考虑二维平面扩散过程，水质控制方程采用污染物对流扩散基本方程[15]：

(4)

图2 二维水环境数学模型计算范围、地形及二维网格

(a) 南京站

2.3 模型建立及参数率定

水动力模型将长江马鞍山至堡镇段作为模拟区域，模型岸线及水下高程采用长江航道地形数据，采用非结构网格(三角形)对模拟区域进行离散，共划分网格数42 991个，平均网格边长250 m，模型计算二维网格如图2所示。

模型率定选取2013年12月南京站、镇江(二)站、营船港站、崇西闸站和大通站5个水文站监测资料，模型计算值与实测值对比见图3。采用平均相对误差(MRE)、均方根误差(RMSE)和相关系数(R2)3个指标对实测值与计算值做误差及相关性分析[16-17]，结果见表1，可见构建的模型各站点水动力计算值与实测值的RMSE较小，MRE小于5%，R2>0.95，模型可以较好地反映长江水动力过程。根据率定得到模拟区域河段主槽糙率的取值范围为0.01～0.02，风拖曳系数为0.001～0.001 5。

2.4 计算方案设置

在长江水动力计算基础上，采用二维水质控制方程计算走马塘排水对“引江济太”引水水质的影响，取90%水文保证率为模型计算边界水文条件，初始水位取水文年鉴中水位平均值2.6 m，温度 20 ℃，起始时刻流速设为0 m/s。

表1 水动力模型计算结果评价

由于污染物到达时间较短，仅考虑对流扩散过程，TP降解系数设为0，排水TP质量浓度取其水功能区标准质量浓度(地表水环境质量Ⅴ类，为 0.4 mg/L)。考虑到走马塘目前尚未排水，计算方案采用其设计平均排水量持续排水(工况1)、现状排水泵站最大排水量持续排水(工况2)、规划排水泵站最大排水量持续排水(工况3)、规划排水泵站最大排水量持续排水7 d后停止排水(工况4)、规划排水泵站最大排水量持续排水7 d后停止排水且排水质量浓度改善为地表水环境质量Ⅳ类(工况5)，工况4、5用于分析望虞河间隔引水效果，具体计算方案设置见表2。

表2 计算方案设置

3 结果与分析

3.1 走马塘排水对“引江济太”水源水质的影响

图4为望虞河引水枢纽处TP质量浓度增量随走马塘排水时间变化过程，可见走马塘开始排水后TP质量浓度增量随长江潮汐周期性波动。不同排水量的3种工况下望虞河现状引水枢纽处TP质量浓度增量呈现先上升后稳定的趋势，涨急时刻TP质量浓度增量达到峰值，走马塘持续排水40 h后望虞河引水枢纽处水质开始明显变差，持续排水80 h后水质趋于稳定，工况1、2、3 TP质量浓度最大增量分别为0.004 mg/L、0.006 mg/L和0.008 mg/L。规划引水枢纽外移后，走马塘排水持续18 h望虞河引水枢纽处TP质量浓度便开始明显上升，落急时刻质量浓度增量达到峰值，工况1、2、3 TP质量浓度最大增量可达0.008 mg/L、0.012 mg/L和0.019 mg/L。

2017年望虞河引水枢纽处TP监测质量浓度为0.09 mg/L，根据工况1、2、3条件计算得到走马塘排水对望虞河现状引水枢纽处TP最大质量浓度增幅为4.5%、6.7%和9.0%，而望虞河规划引水枢纽处受走马塘排水水质影响明显加剧，TP质量浓度增幅可达8.9%、13.5和21.3%。走马塘排水后望虞河引水枢纽处TP质量浓度最大可达0.11 mg/L，虽然满足望虞河TP质量浓度要求(0.2 mg/L)，但由于望虞河引水最终进入太湖，引水水源TP质量浓度将远超出太湖TP质量浓度标准(0.05 mg/L)，且随着日后望虞河引水规模的扩大，走马塘排水势必大幅增加望虞河引水的TP污染物通量，对太湖水质达标造成一定的影响[18-19]。

(a) 工况1

3.2 “引江济太”水源水质改善措施

为减缓走马塘排水对望虞河引水枢纽处的水质影响，选取最不利工况即走马塘排水量最大时，研究望虞河引水枢纽处的水质改善措施。分别计算工况4和工况5情况下望虞河引水枢纽处水质变化。模型计算结果表明，走马塘以地表水环境质量Ⅳ类标准排水相比Ⅴ类对规划望虞河引水枢纽处TP质量浓度有一定的改善作用，但平均改善率不足5%，而望虞河间隔引水对望虞河规划引水枢纽处TP质量浓度的降低效果更为明显。

图5为望虞河引水枢纽处TP质量浓度增量随走马塘停止排水后间隔时间(走马塘停止排水到望虞河开始引水所需时间)变化过程，表3为望虞河引水水质改善所需间隔时间。结合区域地形(图1)，工况4走马塘排水停止后望虞河引水枢纽处不同TP质量浓度增幅下所需间隔时间如下：①若望虞河引水枢纽处TP质量浓度增幅小于10%，现状引水枢纽处和规划引水枢纽处需分别在走马塘停止排水 9 h 和22 h后再引水，这是由于望虞河现状引水枢纽位于福山水道内侧，较外移后的规划引水枢纽受到走马塘排水水质直接影响更小；②若望虞河引水枢纽处TP质量浓度增幅小于5%，现状引水枢纽处和规划引水枢纽处分别需在走马塘停止排水53 h和32 h后再引水，可能是因为现状引水枢纽处由于走马塘排水带来的TP污染物随长江涨落潮在福山水道内侧难以扩散，而规划引水枢纽处的污染物扩散条件较好，可随长江水流输移至下游区域，对望虞河规划引水枢纽处TP质量浓度的影响随停止排水时间变长而不断减小；③若望虞河引水枢纽处TP质量浓度增幅小于1%，现状引水枢纽处和规划引水枢纽处需分别在走马塘停止排水72 h和55 h后再引水。工况5走马塘以地表水环境质量Ⅳ类排放，望虞河引水枢纽处TP质量浓度增量变化规律基本与工况4相似，日后若改善走马塘排水TP质量浓度到地表水Ⅳ类，在停止排水48 h后，望虞河规划引水枢纽处的TP质量浓度增幅小于1%，可保证望虞河引水水质基本不受影响。

图5 走马塘停止排水后望虞河引水枢纽处TP质量浓度增量变化

表3 望虞河引水水质改善所需间隔时间

4 结 论

a. 走马塘排水对望虞河引水枢纽处水质有一定影响，尤其在望虞河引水枢纽外移后受到走马塘排水水质影响加剧，TP质量浓度增幅最大可达21.3%。

b. 提高走马塘排水水质要求可减小对望虞河引水枢纽处水质影响，但加强两处枢纽的联合调度管理，采取间隔引水的方式对降低望虞河TP质量浓度的效果更为明显。

c. 为保障日后望虞河引水水质安全，需尽可能避免走马塘大量排水期间引水，在要求走马塘排水水质达到地表水环境质量Ⅳ类要求基础上停止排水48 h后引水，可以基本控制望虞河引水枢纽处TP质量浓度增幅在1%以下。