引水流量对城市平原河流网络水质改善及饱和度阈值的影响

《Environmental Research》：Effect of Water Diversion Flow on Water Quality Improvement and Saturation Threshold in Urban Plain River Networks

水动力耦合模型模拟显示，在苏州盛泽地区平河网系统中，增加引水流量可显著提升水质，其中COD和TP的改善率随流量增加至57m3/s和81m3/s后趋于饱和，NH3-N在46m3/s后提升有限，且不同监测断面的响应差异揭示水动力条件与污染分布的复杂关联。研究为动态水资源管理提供量化阈值依据。

　　

陆世瑞|高成|王倩

中国江苏省南京市河海大学水文与水资源学院，210098

摘要

尽管联合使用水闸和泵在平原河流网络中得到了广泛应用，但在水动力条件较弱的情况下，引水流量与水质改善之间的定量关系仍不够明确。因此，本研究采用了耦合的MIKE 11-21水动力和水质模型，模拟了江苏省苏州市胜泽镇云东地区60种不同引水流量下的情景。然后分析了水质改善情况——特别是化学需氧量（COD）、总磷（TP）和氨氮（NH?-N）——对引水流量变化的响应。结果表明，随着流量的增加，COD和TP的改善率上升，并分别在约57 m3/s和81 m3/s时达到饱和阈值。相比之下，NH?-N的改善幅度有限，其饱和阈值为约46 m3/s。此外，不同监测断面的水质对流量的响应不同，在某些情况下，支流的水质甚至会恶化，这反映了局部水动力条件与污染负荷分布之间的复杂相互作用。本研究揭示了平原河流网络区域中引水流量与水质改善效果之间的定量关系，确定了水质改善的饱和阈值，并为类似地区的动态水资源管理和水环境治理提供了科学参考和决策支持。

引言

随着中国城市化和工业化的加速，平原河流网络的水质问题日益严重（Li等人，2024；Harvey等人，2018；Liu等人，2022；Ejigu & Amosa，2021）。在这些地区，道路、堤坝和水闸显著减弱了水流速度，导致水体停滞时间比正常情况更长。这导致了持续的污染，化学需氧量（COD）和总磷（TP）等指标经常超过安全水平。黑水和恶臭水现象频繁发生，严重威胁着生态系统和公共健康（Harvey等人，2018；Lan等人，2022；Feng等人，2022；Chen等人，2024；Shiferaw等人，2025；Gao等人，2023）。虽然传统的污染控制和工程解决方案是最基本的方法，但它们通常需要较长的建设周期和巨额投资，使得快速改善变得不现实（Fu等人，2020；Serra-Llobet等人，2022；Wohl等人，2024）。

为了解决这些问题，通过联合使用水闸和泵来增强水流并减少水体停留时间——即动态水资源管理——已成为太湖流域和蠡霞湖地区等典型平原河流网络区域的标准方法。这一策略已经在改善水质方面取得了积极成果（Harvey等人，2018；Bu等人，2025；M. Jiang等人，2024；Wu等人，2024）。国际经验也支持了这些发现。例如，芝加哥的河流引水项目有效降低了TP，但对有机物的影响有限（Peterson等人，2021），而东京的隅田河、荷兰的Flevo湖和欧洲的多瑙河类似项目显著降低了生化需氧量（BOD）和TP水平（Hosper & Meyer，1986；Habersack等人，2016；Lane等人，2001）。

尽管取得了这些进展，但对于引水流量与水质改善效果之间的定量关系仍了解不足。太湖流域的研究表明，引水流量仅能带来有限的COD降低，通常低于10%（Yan等人，2024；Peng等人，2025），而蠡霞湖地区的研究表明，氮和磷的去除对流量增加有很强的响应（C. Jiang等人，2024）。在一个涉及典型小型浅水富营养化湖泊的案例中，从长江引水仅15天就显著降低了总磷含量（Zhu等人，2007）。包括太湖“长江至太湖”计划、上海苏州河的整治以及南水北调二期工程在内的重大项目表明，动态管理可以改善水体循环和水质（Peng等人，2025；Xu & Liao，2013；Jiang等人，2022）。然而，大多数研究仅比较了少于5种典型情景，仅提供了相对优化方案，而没有回答关键问题：实际上需要多少水流？这不仅代表了水动力学和水质领域的科学空白（Harvey等人，2018；Bu等人，2025；M. Jiang等人，2024；Wu等人，2024；C. Jiang等人，2024；Zhou等人，2020；Liu等人，2024），也是水资源管理者面临的实际挑战。没有定量的指导，引水项目可能会低估所需流量，导致改善效果有限，或者高估流量，从而造成不必要的能源消耗和成本。因此，建立引水流量与水质改善之间的明确定量关系对于平原河流网络的有效、高效和可持续管理至关重要。

为了解决这一空白，本研究选择了江苏省苏州市胜泽镇的云东地区作为典型研究地点。使用经过校准和验证的耦合MIKE 11-21水动力和水质模型（MIKE Flood）（Tuan等人，2024；Wei等人，2024；Guo等人，2025；Gomes等人，2023；Zheng等人，2024），我们设计并模拟了60种不同流量下的引水情景。该研究系统地分析了随着引水流量增加，COD、TP和氨氮（NH?-N）水平如何改善，建立了水流与水质改善之间的定量关系，并确定了相应的饱和阈值。这项研究不仅加深了我们对平原河流网络中水环境动态的理解，还为城市水质管理和调度提供了直接的理论和实践指导（C. Jiang等人，2024；Zhou等人，2020；Liu等人，2024；Yanxia等人，2022）。

研究区域

胜泽镇位于江苏省苏州市吴江区，处于长江三角洲的核心区域。它是太湖流域内的一个典型下游圩田区，面积约为145.15平方公里。地形平坦，地面海拔在3.0至5.5米之间。该地区的河流网络密度约为2 km·km?2，包括301条水道和36个湖泊和池塘。其中包括7个典型的组合圩田：胜北、振渠、南坤圩、群铁、集桥、新安等。

耦合水动力-水质模型

为了准确模拟研究区域平原河流网络中的复杂水动力和水质过程，本研究采用了之前由Gao（Gao等人，2023）开发、校准和验证的MIKE系列建模框架。MIKE 11是一维水动力模型，适用于模拟相互连接的河流渠道中的水流路径和污染物传输，而MIKE 21则提供了更广阔水体和区域的二维模拟能力。

水动力响应

本节分析了胜泽镇云东地区河流网络在不同引水情景下的水动力响应，特别关注流速和循环模式的变化。

在基准条件下，胜泽镇云东地区河流网络的流速普遍较低，大多数河段的流速低于0.10 m/s，存在大量水体停滞区域，水循环能力不足。模拟结果表明

水质改善机制分析

本研究的结果表明，平原河流网络中水质改善效果与引水流量之间存在显著关系。总体而言，COD浓度的降低主要归因于稀释效应和氧气补充效应（Lan等人，2022；Feng等人，2022；Chen等人，2024；Shiferaw等人，2025；Gao等人，2023；Zhou等人，2022）。随着流量的增加，水交换速率加快，外部污染物被稀释，溶解氧水平上升。

结论

以江苏省苏州市胜泽镇云东地区为研究地点，本研究使用耦合的MIKE Flood模型系统地模拟了60种不同的引水调度情景，揭示了平原河流网络中“引水流量—水质改善效果”之间的定量关系。主要结论如下：

8.

水动力改善；

引水显著提高了河流网络的流速（增加了30%-50%），减少了水体停滞区域

作者贡献声明

高成：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。陆世瑞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、方法论设计、调查、数据分析、概念化。王倩：撰写——审稿与编辑

未引用参考文献

Jiang等人，2024。

数据可用性声明

研究中呈现的原始数据包含在文章中，如需进一步信息，请联系相应的作者。

资金支持

本研究部分由新疆维吾尔自治区重点研发计划（项目编号：2023B02044-2）、水利部的重大科技项目（项目编号：SKS-2022021）、苏州水利局以及水利科技项目（项目编号：2025001）资助和支持。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：高成报告获得了新疆维吾尔自治区的财务支持；高成报告获得了水利部的财务支持；高成报告获得了苏州水利科技项目的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有其他已知的利益冲突。

致谢

我要感谢高教授、王倩、胡鹏宇、张志辰等人在本手稿准备过程中提供的宝贵帮助。在准备本手稿期间，作者使用了Claude Haiku 4.5软件对文本进行了语言润色。作者已审查并编辑了最终成果，并对本文内容负全责。