改善杭嘉湖河网水环境水利工程总体布局及效果分析

【摘 要】本文根据杭嘉湖地区水文特性及水质状况，提出了改善区域水环境的水利工程总体布局，并运用一维水质模型，分析了工程实施后的效果；计算结果表明，在现状污染源情况下，遇1971年型枯水年，杭嘉湖地区CODcr年均浓度值平均可降低约8.4%，NH3-N降低18.4%。

【关键词】杭嘉湖地区；水环境；水利工程；总体布局；调水引流

0 前言

近十余年来，随着社会经济的发展以及缺乏有效的保护措施，杭嘉湖地区河网水质日趋恶化，部分城市水源地在枯水季节的水质甚至为劣Ⅴ类，不仅存在较大的安全隐患，长期引用还严重影响当地群众的生活质量和身体健康。在感潮河网地区，调水引流是一项重要的改善水环境的措施。本文从水利角度出发，结合区域水文特性及水质状况，研究改善杭嘉湖水环境的水利工程总体布局，并通过一维河网水质模型，分析实施后的效果，为工程建设提供决策依据。

1 区域水文特性及水质状况

1.1 水文

（1）水位

杭嘉湖地区水位具有如下特点：除了洪汛期东、西苕溪受山区洪水影响水位较陡外，其余时间各点水位差异不大，河网水面坡降平缓，基本在1/100000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。

（2）水量

杭嘉湖平原河网北面受太湖水位控制，西面承接山区来水，东面则受黄浦江潮汐影响，因而与周边水体之间存在密切的水量交换。

与太湖水量交换是以太湖逆流进入杭嘉湖地区为主，与江苏、上海水量交换总体以北排入江苏、东泄入黄浦江为主。2002年～2007年，净水量为太湖进入杭嘉湖地区7.86亿m3；杭嘉湖地区北排进入江苏境内6.49亿m3，东排进入上海境内49.53亿m3。

1.2 水质

2005年杭嘉湖地区废水排放总量为7.47亿m3，其中，工业废水3.60亿m3，生活污水3.87亿m3。根据杭州、嘉兴和湖州三市的水质监测数据，杭嘉湖地区地表水质为Ⅱ～劣Ⅴ类，其中Ⅱ～Ⅲ类水质断面占总断面数的31.8%，Ⅳ类占15.9%；Ⅴ～劣Ⅴ类占52.3%，主要超标因子为氨氮、总磷、BOD5、CODMn和DO。从各水系来看，以东、西苕溪水质最好，基本在II类～III类；湖州河网和泗安溪水系其次，主要为III类～Ⅳ类；杭州河网、嘉兴河网和运河水质最差，普遍在Ⅴ类～劣Ⅴ类。

2 总体布局研究

水利工程调水引流改善水质的原理主要是增加引入清水量，稀释河水，降低污染物的浓度，调活河网水体，提高河水的复氧、自净能力，加快污染物的降解，并使污水不再在感潮河流中回荡积存[1]。因此，研究水利工程总体布局时必须先分析杭嘉湖地区实施调水引流的各种条件。

2.1 引用水源分析

钱塘江每年有近300亿m3的下泄水量，其杭州段水质平均在III类左右；西面的东、西苕溪流域面积均超过2000km2，不仅山区来水丰富，而且水质稳定在Ⅱ～III类；目前南太湖水质平均在III～Ⅳ类。钱塘江、苕溪和太湖的水质均要好于平原河网水质，具备调水引流的基本条件。

2.2 调水引流动力条件分析

目前沿钱塘江北岸建有盐官排涝枢纽、长山闸和南台头闸等水利工程，通过杭州湾低潮位时开闸排水，加大苕溪、太湖与嘉兴河网的水位差，增加引清水入嘉兴的能力。钱塘江、杭州湾与平原河网之间的水位差为调水引流提供了天然的动力条件。

2.3 调水试验的实践

2005年和2007年杭嘉湖地区先后进行了两次大规模的南排调水试验。试验结果表明，利用现有的南排工程为区域内河流置换水体，对改善水质具有十分显著的效果。以2005年调水试验为例，调水后，在河网干流的31个监测断面中，高锰酸盐指数符合III类水体的监测断面增加了12个，增加38.7%；氨氮劣于V类水体监测断面减少了4个，减少13.0%；总磷符合III类水体的监测断面增加了9个，增加29.0%。

2.4 总体布置方案

杭嘉湖地区改善河网水环境骨干水利工程由钱塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、环湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程及扩大杭嘉湖南排工程等6项工程组成。其总体布置原则是：在“治污为本”的前提下，加强源头保护，保证苕溪清水入湖；同时通过增加水的流动性，确保钱塘江和太湖清水在杭嘉湖东部平原能“进得来、流得动、排得出”，以达到“以动治静，以清释污，以丰补枯，改善水质”的效果。

3 一维河网水质模型建立及工程效果分析

运用MIKE11软件的水动力模块（HD模块）、对流扩散模块（AD模块）[2]，模拟计算杭嘉湖地区水利工程总体布置方案实施前后的河网水动力及水质变化情况。

3.1 模型建立

3.1.1 河网概化

北以太湖和太浦河为界；西北分别取合溪水库和泗安塘的天平桥，包括整个长兴平原；西苕溪边界取横塘村；东苕溪边界取余杭，并考虑了中苕溪、北苕溪、余英溪和埭溪区间汇流情况；南以钱塘江北岸为界；东至上海的米市渡。模拟河道共计254条，18个闸节点，6个泵站，布设3000余个实测断面。

3.1.2 污染源概化

入河排污口概化是在2006年浙江省水文局调查统计杭嘉湖地区主要入河排污口的基础上，再根据污水排放去向和就近排放原则，分点源和面源两种类型放入概化河道。

3.1.3 边界条件

模型验证计算选择2005年杭嘉湖地区的实测水文条件进行复演，方案计算选择太湖流域1971年型枯水年水文条件。

3.2 模型验证

3.2.1 水位

选择11个较有代表性水位站点的2005年实测逐日水位过程对模型进行验证。限于篇幅，仅给出 “德清大桥”和“嘉兴”2个站点的验证过程。从逐日水位验证结果来看，模型计算的逐日水位变化曲线与实测逐日水位变化曲线吻合良好，峰值水位基本接近。

3.2.2 流量

选择 “杭长桥”和“三里桥”等2个流量站点的2005年实测逐日流量过程对模型进行验证。从验证结果来看，2个流量站点模型计算的逐日流量变化曲线与实测逐日流量变化曲线吻合较好，峰值流量也较为接近。

3.2.3 水质

以CODcr、NH3-N作为研究对象，模拟了杭嘉湖地区河网内的CODcr、NH3-N浓度的时空分布情况，并选择9个水质监测断面实测资料对计算结果进行验证（限于篇幅，仅列出双林验证断面）。

从计算的CODcr、NH3-N浓度变化曲线与实测值的比较情况来看：在大多数情况下，模型计算值与实测值吻合较好，各水质监测断面的计算值与实测值相对误差小于30%，在水质模型允许的误差范围内。

3.3 计算结果分析

3.3.1 水位变化

由于疏通了5条主要入湖河道的“卡口”断面，使太湖水体能较顺畅进入杭嘉湖东部平原腹地，平原河网最低水位较工程前均有不同程度提高；而通过南排闸门调度，平原河网最高水位总体有所降低；另外，从年均水位来看，除靠近南排出口的海宁、海盐和平湖断面略有降低以及靠近沪浙交界的红旗塘大坝、嘉善断面基本不变外，其余断面年均水位均有抬高。表明工程实施后，太湖南岸与南排出口的水位差有所增大，有利于促进太湖及东苕溪清洁水体向杭嘉湖东部平原水质状况较为恶劣的海宁、桐乡、海盐等地流动。

3.3.2 水量变化

导流八闸中德清大闸和洛舍闸进入东部平原水量均有所增加，这主要是水利工程疏通了德清大闸、洛舍闸与东部平原京杭运河的连接河段，部分原本下泄进入太湖的水量，经南排闸门拉动后，转而沿京杭运河和京杭古运河，流向嘉兴的桐乡、海宁、海盐等地。入湖港各河道由于进行了拓宽、疏浚，引水能力增加也十分明显，但另一方面港地区水位抬升使得平原河网自西向东的水面坡降变缓，造成导流其余六闸水量下降。但从总水量来看，工程实施后通过东苕溪导流八闸和环湖河道进入杭嘉湖东部平原的总水量，由40.44亿m3提高到45.85亿m3，增加了5.41亿m3，增幅13.4%。

3.3.3 水质变化

（1）由于南太湖和东苕溪上游来水水质普遍好于杭嘉湖地区河网水质，经水体置换后，河网水质改善明显，CODcr年均浓度值可降低约8.4%，NH3-N降低18.4%。

（2）从水质指标改善效果来看，工程对NH3-N水质指标的改善情况要好于CODcr。这是由于杭嘉湖地区河网的NH3-N浓度普遍较高，而引入的水体NH3-N浓度又相对较低，因而对降低NH3-N浓度十分有效。两次杭嘉湖南排调水试验也说明了这一点。

（3）从水质改善范围来看，杭嘉湖东部平原以京杭运河为界，运河以西的港地区水质改善程度相对较小，而运河以东的海宁、海盐、桐乡、嘉兴市区等地水质改善效果明显。

调水引流水质改善效果与现状河网水质状况有很大关系。杭嘉湖东部平原除了双林塘以北河网水质相对较好外，其余地区水质普遍较差，且越往南面，各项水质指标浓度越高，水质越差。水利工程实施后，将太湖及东苕溪导流港清洁水体引入双林塘以南及运河以东区域，有效改善了这些区域水质；而港地区由于其本身水质相对较好，故其改善效果较不明显。

4 结语

（1）杭嘉湖地区具备调水引流的水情和工情。改善杭嘉湖河网水环境的骨干水利工程总体布局为：钱塘江引水入城工程、苕溪清水入湖工程、太嘉河工程、环湖河道整治工程、平湖塘延伸拓浚工程和扩大杭嘉湖南排工程。

（2）运用一维河网水质模型分析了工程实施后的效果，结果表明，运河以东的海宁、海盐、桐乡、嘉兴市区等地水质改善效果明显，而运河以西的港地区水质改善程度相对较小；杭嘉湖地区CODcr年均浓度值平均可降低约8.4%，NH3-N降低18.4%。

【参考文献】

[1]徐贵泉，褚君达.上海市引清调水改善水环境探讨[J].水资源保护，2001，3，26-30.

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