1. 引言
太湖流域地处长三角中心区域，是我国经济最具活力、创新能力最强的区域之一。同时，太湖也是长三角水生态、水环境的集散中心，调配着流域内的水资源供给，支撑着社会经济的高质量发展，战略地位尤为重要。强化太湖流域水环境综合治理与水资源保护，提升太湖水域生态功能，不仅关系到流域内的水资源可持续利用，也关系到长三角一体化高质量发展。但随着经济的快速发展，太湖的富营养化程度不断加剧，蓝藻水华频发，严重危害居民正常的生产生活。随着国家和地方政府对太湖流域水体污染治理的不断加强，太湖的水环境质量有了明显改善，水体水质连续16年达标。然而，太湖天然的蝶形形态导致其环境容量十分有限，极易受到人类活动的影响，太湖营养过剩的难题仍未根本性扭转，蓝藻水华的防控形势依然严峻。
引调水工程是缓解区域内水资源短缺，提高水安全保障的重要方式[1]，在提升区域水循环，改善湖库水质等方面发挥着关键作用，也是国内富营养化湖泊治理的重要手段之一，在滇池、巢湖、大纵湖等都取得了一定的改善效果[2] [3]。为了缓解太湖水质恶化的趋势，太湖流域管理局于2002年开始实施以“引江济太”为核心的一系列引调水工程，以期通过望虞河将长江水引入太湖，实现太湖水环境持续改善的目标。基于此，许多学者对引江济太工程在提升太湖水体水质与改善区域水环境等方面进行了大量研究，发现引江济太调水工程合理调控了太湖水位，加快了河湖水体交换，缩短太湖尤其是贡湖湾换水周期，在一定程度上缓解了太湖蓝藻水华大面积暴发的问题[4] [5]。然而，引江济太工程对太湖水质改善的影响区域主要集中在贡湖区域，其对梅梁湾、竺山湖等受水流流动影响较小的区域水质改善效果需要进一步提升。面向太湖水域生态功能提升的迫切需求，如何优化太湖骨干引排工程的调度，以最大化其综合效益已成为亟待解决的重要问题。
为了进一步改善太湖水质，保障太湖水安全，太湖引江济太的新建工程——新孟河和新沟河工程于2020年正式启用实施，太湖流域形成了包括已有望虞河、太浦河工程和新建走马塘、新沟河、新孟河工程的“二引三排”调水新格局，为改善太湖水环境提供了新的解决方案[6]。然而，调水新格局对太湖水质水生态的改善效果如何仍少有报道。本研究以太湖为研究区域，聚焦于太湖水文水动力、水质、水生态等水域功能的提升需求，通过深入分析太湖流域关键水利工程联合调控对太湖水力停留时间，总氮(TN)、总磷(TP)等重要水质指标和叶绿素a (Chl-a)等水生态指标的影响，提出优化调度方案，为实现太湖流域水域功能的可持续提升提供科学依据和技术支撑。
2. 材料与方法
2.1. 研究区域
以太湖湖区为研究区域，其面积约3192 km2，平均水深1.9 m。根据《太湖流域水功能区域(2010-2030)》，太湖湖区主要可以划分为东部、西部和南部沿岸区，湖心区和东太湖区，以及北太湖区域的竺山湖、梅梁湖和贡湖等湖区，主要划分湖区如图1所示。
Figure 1. Division of the main lake areas of Taihu Lake
图1. 太湖主要湖区划分
2.2. 数据收集
2.2.1. 历史数据
Table 1. Historical data list
表1. 历史数据清单
数据类型 |
历史数据 |
数据收集范围 |
数据指标 |
水文数据 |
1990年至今 |
主要出入湖河道及太湖湖区四个水位监测点(夹浦、小梅口、西山、大浦口) |
水位、流量 |
水质数据 |
1992年至今 |
主要出入湖河道及太湖湖区 |
29项基础水质指标监测数据以及Chl-a浓度、蓝藻生物量、浮游植物生物量 |
气象数据 |
1990年至今 |
太湖湖区(以无锡站点为基础) |
平均风速、最大风风向、光照强度的日监测数据 |
遥感反演数据 |
2005年至今 |
太湖湖区 |
MODIS叶绿素a遥感反演数据 |
选取太湖流域各站点逐时逐日降雨数据、每日平均气温、每日平均风速、每日最大风速的风向数据、太湖范围站点和上下游入口的每日流量数据、每日水位和每日泥沙量数据、2015~2021年自动站或者人工监测的水质数据、太湖近年引排水情况、太湖周边支流和对应的流量与水位变化作为模型的基本数据，资料如表1所示。
2.2.2. 水平年选择
根据太湖历年引江济太水量及太湖水质，确定本研究的水平年和极端年(图2)。从引水量来看，望虞河引水量中位数为7.05亿m3，其中2021年的7.2亿m3最接近中位数。从太湖富营养化指数来看，太湖富营养化指数中位数为61.1，2021、2015、2012年最为接近中位数。因此，选择2021年作为研究的水平年。
Figure 2. Historical data on water diversion from the Yangtze River to Taihu Lake and water quality of Taihu Lake
图2. 引江济太引水量及太湖水质的历年数据
2.2.3. 调水情景设置
根据太湖现在的引调水新格局，设置了以望虞河、新孟河作为引水通道，太浦河、梁溪河、走马塘等其他河道作为出水通道进行设定，本研究模拟的调水情景见表2。
Table 2. Water diversion simulation scenario settings
表2. 调水模拟情景设置
序号 |
引水流量序列(m3/s) |
序号 |
新孟河水质调控序列(mg/L) |
新孟河 |
望虞河 |
TP |
TN |
1 |
无引水 |
75 |
4-1 |
0.18 |
4.36 |
2 |
20 |
4-2 |
0.13 |
2.4 |
3 |
60 |
4-3 |
0.10 |
2.0 |
4 |
80 |
备注：引水量Q = 80 m3/s |
其中，望虞河设置为水平年平均引水流量75 m3/s，新孟河则分别设置4个引水流量梯度，从无引水至80 m3/s。根据现场检测结果，望虞河各水质因子均符合入湖河道水质要求，但新孟河水质因子中的TP和TN超过限制范围。因此，在模拟情景4下，新增设置了3个新孟河入湖水质梯度，分别为情景4-1 (水平年浓度)、情景4-2 (达标浓度)、情景4-3 (水质较好浓度)。
2.3. 模型构建
本研究选取威廉玛丽大学弗吉尼亚海洋科学研究所开发的三维EFDC模型，解析不同调水情境下太湖水龄、水质(TP和TN)和水生态(Chl-a)的变化，模型计算范围为整个太湖湖区。基于太湖清淤实测数据并通过网格加载差分湖区底高程(平均高程约−0.53 m)，插值后获得模型网格。通过EFDC生成太湖湖区模型计算网格，共划分为2032个三角形网格，最小角度为26˚。太湖湖区网格划分如图3所示。
Figure 3. Lake area grid division
图3. 湖区网格划分
水质生态模型中共含21个变量，模拟各变量在水动力条件下的迁移转化、风力风向对水体水动力特征的影响、硝化作用、反硝化作用、泥沙吸附、沉降、有机物水解矿化、复氧作用、藻类生长捕食和死亡、泥水界面释放通量等物理、化学、生物过程。
2.3.1. 模型初始及边界条件设定
太湖边界的出入湖河流信息如表3所示，该模型各河道出入湖水量、水质均采用水平年实测数据。
Table 3. Information table of rivers flowing into and out of Taihu Lake
表3. 太湖出入河流信息表
序号 |
河流 |
属性 |
湖区 |
1 |
望虞河 |
出/入流 |
贡湖 |
2 |
沿湖小闸段 |
入流 |
3 |
大渲河泵站 |
出流 |
梅梁湖 |
4 |
梁溪河 |
出流 |
5 |
五里湖闸站 |
入流 |
6 |
直湖港闸站 |
入流 |
7 |
武进港闸站 |
入流 |
8 |
雅浦桥站 |
入流 |
竺山湖 |
9 |
太滆运河 |
入流 |
10 |
殷村港 |
入流 |
11 |
社渎桥 |
入流 |
西沿岸区 |
12 |
官渎桥 |
入流 |
13 |
洪巷港桥 |
入流 |
14 |
大浦桥 |
入流 |
15 |
乌溪桥 |
入流 |
16 |
城东港桥 |
入流 |
17 |
大港桥站 |
入流 |
18 |
夹浦港 |
入流 |
19 |
合溪新港河 |
出/入流 |
20 |
长兴港河 |
出/入流 |
21 |
杨家浦港 |
出/入流 |
22 |
杨家埠站 |
出/入流 |
南沿岸区 |
23 |
杭长桥站 |
出/入流 |
24 |
幻溇闸段 |
出/入流 |
25 |
团结桥段 |
出流 |
东太湖 |
26 |
太浦闸站 |
出流 |
27 |
联湖桥段 |
出流 |
28 |
瓜泾口段 |
出流 |
29 |
苏东运河 |
出流 |
30 |
胥江 |
出/入流 |
胥湖 |
31 |
穹窿桥 |
出/入流 |
漫山湖 |
2.3.2. 模型率定与验证
通过对模型进行灵敏性分析来分析模型参数取值对模型结果的影响。由于水流运动的物理特性已经十分成熟，在EFDC模型中，大部分水流运动的物理参数都未作改变，本模型采用100 s时间步长保证稳定性。在水位率定过程中，粗糙高度的明显变化对模型运行结果中的水深和流速所造成的影响很小，因此利用《水力计算手册》中的天然湖底糙率表进行率定，模型糙率系数设置为0.02 m。通过2021年太湖多点水位实测数据与模型计算水位值进行率定合理性，水面高程和流速的均方根误差小于1%，最大平均绝对误差低于10 cm，总体水平与实测值符合较好。模型TN、TP、Chl-a的模拟值与历史数据和现场实测值等多源数据进行比对，平均相对误差均低于30%，模型模拟的可靠性较好。
3. 太湖水域功能提升效果预测分析
3.1. 太湖水生态现状模拟
结合现场调查数据，太湖水平年的水质水生态模拟结果如图4所示。结果显示，整个湖区的Chl-a平均浓度为10.34 μg/L，高浓度区域主要分布在竺山湖(34.56 μg/L)、梅梁湖(18.24 μg/L)、西部沿岸区(25.71 μg/L)、南部沿岸区(21.66 μg/L)。一般而言，水体中的Chl-a浓度与水体中的藻类生物量呈现正相关性，较高的Chl-a浓度意味着较大的蓝藻爆发潜能。依照《湖泊营养物基准—中东部湖区(总磷、总氮、叶绿素a)》的相关规定，我国中东部湖区水体中Chl-a的湖泊营养物基准为3.4 μg/L，太湖整个湖区的Chl-a水平均高于此值，其中竺山湖的浓度超出基准范围的9倍以上。水质方面，全湖湖区的平均TN浓度为0.81 mg/L，高浓度区域主要分布在竺山湖(2.00 mg/L)、梅梁湖(1.24 mg/L)和西部沿岸区(1.35 mg/L)。全湖的平均TP浓度为0.08 mg/L，高浓度区域也主要分布在竺山湖(0.19 mg/L)和西部沿岸区(0.15 mg/L)。按照《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》，太湖湖区的TN和TP总体上处于III类和IV类水质标准，竺山湖等严重区域则均为V类水质。综合来看，竺山湖、梅梁湖、西部沿岸区的水质和水生态安全较其他湖区更为严峻，这一发现与王亚平等人[4]的研究结果基本一致。竺山湖地处梅梁湾西部，为太湖西北角半封闭型湖湾，水质较差，可能与其作为入湖河道(太滆运河、沙塘港和殷村港)接受区域有关，大量居民日常生活产生的污染物会经太滆运河等进入此区域，造成严重污染[5]。此外，城东港作为太湖最大的入湖段面(42 %)，其从上游宜兴等区域带来的污染有关。
Figure 4. Annual simulation results of water quality and water ecological level of Taihu Lake
图4. 太湖水质水生态水平年模拟结果
3.2. 调水对太湖水龄的提升
Figure 5. Distribution of water age of Taihu Lake under different water diversion scenarios under the new diversion and drainage pattern
图5. 新引排格局不同调水情景下太湖水龄的分布
水龄是指水质点离开水源后到达特定位置所需要的时间，其在一定程度上可以反映出异质空间水交换效率，并揭示出水环境水动力特性[7]。例如，Li等人[8]利用EFDC模型，以水龄为评估指标揭示了“引江济太”工程对太湖水质演替的影响。Gai等人[9]通过Delft3D模型，也利用水龄分析了香溪河库湾水体水质垂向分布的时间动态。本研究分析了新孟河不同引水流量序列下太湖的水龄变化，结果如图5所示。无调水情况下，太湖湖区水龄平均值为225 d，低水龄值主要分布在太湖河流入湖口周围，以竺山湖、西部沿岸区、贡湖、南部沿岸区为主。在新孟河不同调水流量引入后，太湖湖区的平均水龄值分别降低了6%~9%，流量越大，水龄值降低越多。低水龄值的分布范围也有所拓展，延伸至贡湖和湖心区等区域。此外，研究发现竺山湖—湖心区—太浦河出口水龄值明显低于其他水域，且水龄值随着调水流量增加而降低，表明调水流量增强了湖泊的水动力交换。同样，胥等人[10]通过多元线性逐步回归法发现出入湖流量是影响水龄主要因素，影响权重高达64.41%。在情景1-4下，湖西区、湖心区、东部沿岸区存在湖泊环流引起的高水龄区。故引水流量的增加可显著增强湖泊水动力交换能力，减少湖水滞留区。
3.3. 调水对太湖水质的影响
新孟河现状水质调水下，调水流量的增加引起了湖区TN和TP污染负荷的增加，两者分别升高了1.2%~9.9%和6.3%~13.8% (图6)。因此，新孟河在维持现状水质调水情况下会导致湖泊水体氮磷负荷的增加。进一步优化新孟河入湖水质后，TN和TP的浓度从增加转变为下降3.7%~6.2%和6.3%~8.8%。因此，在引水流量调配的同时，应首先控制引水河道的水质，进而提升太湖湖区的水质。
调水在一定程度上可以改善湖水的交换效率，但流量的增加也会同时带入更多的外源污染源，尤其是在引江济太工程中，从长江引入的水源中磷污染负荷较高[11]。同时，调水过程也可能促进底泥中氮磷的再悬浮和释放，从而增加其在水体中的浓度[12]。因此，调水可能通过引入外源污染和促进内源污染扩散释放而提升湖区的总氮和总磷浓度。这表明调水过程必须充分考虑不同水域的水文条件和污染负荷。在水质管理中，应在提高水体流动性和促进水质改善的同时，合理控制外源营养盐的输入，以避免调水措施导致水体富营养化问题的加剧。
Figure 6. Water quality response of Taihu Lake under different water diversion scenarios under the new diversion and drainage pattern
图6. 新引排格局不同调水情境下太湖湖区水质响应
3.4. 调水对太湖水生态的提升
蓝藻防控是太湖水生态安全保障的主要目标，而Chl-a是指示湖区蓝藻聚集和爆发情况的重要指标。新孟河不同引水流量下，太湖湖区的Chl-a浓度变化如图7所示。无调水情况下，太湖湖区Chl-a平均浓度为10.34 μg/L，高浓度区分布在竺山湖、梅梁湖、西部沿岸区、南部沿岸区。在新增新孟河20、60和80 m3/s调水流量下，太湖湖区的Chl-a平均浓度分别下降了13.34%、20.1%和21.5%，表明无论引水水质如何，调水流量的增加均会通过稀释作用降低湖区的Chl-a浓度。其中，竺山湖、西部沿岸区和梅梁湖的Chl-a浓度降低幅度更为明显，竺山湖的Chl-a浓度最高降低了26%。竺山湖作为新孟河引水的入湖通道，直接受到引水的冲击，明显降低了该区域内的藻类聚集和爆发风险。
Figure 7. Chl-a distribution in Taihu Lake area under different water diversion scenarios under the new diversion and drainage pattern
图7. 新引排格局不同调水情景下太湖湖区的Chl-a分布
3.5. 太湖调水工程的优化调度
Figure 8. Taihu Lake water quality optimization degree under different water diversion scenarios of the new diversion and drainage pattern
图8. 新引排格局不同调水情景下的太湖水龄水质优化程度
新引排格局不同调水情景下太湖湖区平均水龄、水质(TN、TP)和水生态(Chl-a)的变化程度如图8所示。水龄和Chl-a的浓度随调水流量的增加而降低，水龄优化比例为−6.2%~−9.0%，Chl-a的优化幅度为−13.5%~−21.5%，调水对两者的优化缓解效果较为明显。然而，调水流量的增加引起了湖区TN、TP的显著增加，两者在现状水质调水情景下分别升高了1.2%~9.9%和6.3%~13.8%。因此，在维持水质现状情况下，提高新孟河调水流量会引起太湖水体氮磷负荷的增加。
基于此，选取情景4的调水流量(80 m3/s)，通过进一步优化新孟河入湖水质，解析调水对湖区水生态功能的影响。研究发现，新孟河入湖水质提升后，湖区的Chl-a浓度进一步优化至−23.2%和−25.8%，TN浓度分别下降了3.7%和6.2%，TP浓度下降了6.3%和8.8%，入湖水质提升越高，湖区的水生态功能缓解和保障效果越好。因此，在引水流量调配的同时，控制河道进水水质有助于同时实现湖泊的水质提升和藻类防控。
4. 结论
新引排格局下，新孟河引水可以显著降低湖区水龄和Chl-a浓度，增强水体的流动性，降低藻类生长聚集的风险，引水流量越大，提升效果越明显，尤其在流动性较差的竺山湖和梅梁湖区域。同时，新孟河引水流量的增加也可能通过外源输入和内源释放等途径增加太湖湖区的氮磷等营养盐水平，入湖水质优化提升后，其污染负荷得以消减。因此，“二引三排”新格局下，综合考虑藻类抑制和水质、水龄等变化，望虞河现状调水和新孟河60~80 m3/s调水量下，太湖面向太湖水生态功能的提升效果最为明显，合理的引水量可有效抑制藻类过度生长，并应当避免过量或不足引水可能引发的水质问题。
基金支持
本研究得到江苏省水利科学院“水域专项研究”项目支持。
NOTES
*通讯作者。