鄒朝望，孫媛媛

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064）

城市淺水湖泊水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度研究

鄒朝望*，孫媛媛

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064）

長(zhǎng)江湖泊群富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題是水環(huán)境目前最為突出的問(wèn)題之一，并且將伴隨湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化、水環(huán)境惡化而越來(lái)越突出。構(gòu)建生態(tài)水網(wǎng)工程，增加水體流動(dòng)性是改善湖泊水環(huán)境的有效措施之一。本文以武漢 “大東湖生態(tài)水網(wǎng)工程”實(shí)施為工程應(yīng)用背景，借助湖泊水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境模擬分析的有關(guān)理論成果，建立大東湖二維水生態(tài)環(huán)境耦合調(diào)度模型，探討湖泊連通、水力調(diào)度對(duì)湖泊水生態(tài)環(huán)境影響的規(guī)律，為城市湖泊水生態(tài)環(huán)境治理和水力工程調(diào)度的實(shí)施提供借鑒。

長(zhǎng)江湖泊群；生態(tài)水網(wǎng)；水生態(tài)環(huán)境；水力工程調(diào)度

本文以武漢 “大東湖生態(tài)水網(wǎng)工程”實(shí)施為工程應(yīng)用背景，借助湖泊水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境模擬分析的有關(guān)理論成果，建立大東湖二維水生態(tài)環(huán)境耦合調(diào)度模型，探討湖泊連通、水力調(diào)度對(duì)湖泊水生態(tài)環(huán)境影響的規(guī)律，為城市湖泊水生態(tài)環(huán)境治理和水力工程調(diào)度的實(shí)施提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

“大東湖”位于湖北省武漢市武昌片區(qū)長(zhǎng)江干流右岸 （114°09'~114°39'E，30°22'~30°41'N）?！按髺|湖”水系由東沙湖水系和北湖水系組成，其中東沙湖水系主要湖泊有東湖、沙湖、楊春湖；北湖水系主要湖泊有嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖，區(qū)間還有竹子湖、青潭湖等小型湖泊。東湖水系東面、西面和北面被江圍繞，南面是以喻家山為代表的幾列低山丘陵，把東湖和南湖隔離開(kāi)來(lái)。東湖與楊長(zhǎng)春湖、沙湖、戴家湖、嚴(yán)西湖等湖泊通過(guò)新東湖港、東沙湖港、新溝渠、九峰渠等相連，嚴(yán)西湖通過(guò)花山渠與嚴(yán)東湖相連，通過(guò)北嚴(yán)港與北湖連通，最后與竹子湖、青潭湖等小湖泊一起構(gòu)成東湖水系。大東湖生態(tài)水網(wǎng)跨武漢市武昌片大部分地區(qū)，其中包括洪山區(qū)、東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)和東湖生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)，國(guó)土面積約為436 km2，湖泊匯水總面積約為376 km2，容積約為1.2×108m3，其中東湖集水面積約為119 km2，東湖水系整體分布情況如圖1。

圖1 東湖水系區(qū)域分布圖Fig.1 Distribution of Donghu drainage area

2 淺水湖泊群水質(zhì)水量調(diào)度模型構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)大東湖生態(tài)水網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)不同的引調(diào)水線路、引水流量、引水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究和情景分析，建立水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，分析不同引水方案的水流特性及其對(duì)湖泊水質(zhì)的影響，為大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建工程提供技術(shù)支持。水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型可以用微分方程組描述如下[2]：

初始條件：

邊界條件：

模型中將氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮之和作為總氮，可溶性磷酸鹽作為總磷，則主要污染物N，P的轉(zhuǎn)換公式為：

式中：CNH3，CBOD，CDO分別表示NH3，BOD，DO濃度；YBOD為有機(jī)物中的氮含量 （mgNH3-N/mgBOD）；K3、K4分別為20℃下有機(jī)物的降解系數(shù)和硝化反應(yīng)速率 （1/d）；θ3為有機(jī)物降解的阿列紐斯溫度系數(shù)；T表示實(shí)測(cè)溫度 （℃）；HS_CBOD為有機(jī)物降解的半飽和濃度 （mg·L-1）；θ4為硝化反應(yīng)的阿列紐斯溫度系數(shù)；UNP為植物攝取氨氮系數(shù)；P為植物光合作用；R1為植物呼吸速率；R2為植物攝取氨氮時(shí)的呼吸速率；θ1為植物呼吸作用的阿列紐斯溫度系數(shù)；θ2為阿列紐斯溫度系數(shù)；F（N，P）為營(yíng)養(yǎng)鹽限制函數(shù)；UNb為細(xì)菌攝取氨氮的系數(shù)；HS_CNH3為細(xì)菌攝取氮的半飽和濃度 （mg·L-1）。

其中CTN，CNH3，CNO2，CNO3分別表示對(duì)應(yīng)污染物濃度；K4為20℃下硝化反應(yīng)速率 （1/d）；θ4為硝化反應(yīng)的阿列紐斯溫度系數(shù)；T表示實(shí)測(cè)溫度；HS_nitr為硝化作用的半飽和濃度 （mg·L-1）；K5為20℃下亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率 （1/d）；θ5為亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的溫度系數(shù)；K6為下20℃反硝化反應(yīng)速率（1/d）；θ6為反硝化作用的阿列紐斯溫度系數(shù)。

式中：Y2表示有機(jī)物中的磷含量 （mgP/mgBOD）；K3為20℃下有機(jī)物的降解系數(shù) （1/d）；θ3為有機(jī)物降解的阿列紐斯溫度系數(shù)；HS_CPO4為有機(jī)物降解的半飽和磷濃度 （mg·L-1）；UPP植物攝取磷系數(shù)；P為植物光合作用；R1為植物呼吸速率；θ1為植物呼吸作用的阿列紐斯溫度系數(shù)；F（N，P）為營(yíng)養(yǎng)鹽限制函數(shù)；UPb為微生物攝取磷系數(shù)；HS_CPO4為細(xì)菌攝取磷的半飽和濃度 （mg·L-1）。

3 計(jì)算區(qū)域和邊界

3.1 計(jì)算網(wǎng)格

本次模擬按照Beijing 1954 3 Degree GK CM 114E投影生成適用于復(fù)雜邊界的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格。網(wǎng)格三角形部分參數(shù)最大單元格面積、最小允許角度、節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量分別為40 000，25，50 000，共計(jì)生成節(jié)點(diǎn)2104個(gè)，網(wǎng)格2980個(gè)，如圖2。

圖2 模擬計(jì)算使用的網(wǎng)格分布圖Fig.2 The grid map used for simulation calculation

3.2 定解條件

3.2.1 邊界條件

考慮各港渠過(guò)流能力，設(shè)計(jì)調(diào)水方案如表1所示。

表1 東湖引水調(diào)度方案Table1 Donghu （East Lake） water diversion scheduling scheme

3.2.2 初始條件

模型初始值以2004-2007年沙湖和東湖各湖區(qū)的平均水質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)，選取PO43--P，NO2-N，NO3-N，NH3-N，BOD、DO以及Chla為指標(biāo)對(duì)象，其中Chla為富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)。最后取近似值，TP由PO4確定；忽略有機(jī)氮，TN=NO2-N+NO3-N+NH3-N，其中TN中主要是NH3-N；最后各評(píng)價(jià)指標(biāo)初始值確定如表2所示。

表2 模型指標(biāo)初始值Table 2 The Initial Values of Model Indexes

模型初始條件采用武漢市6月多年平均風(fēng)速3.5 m·s-1，風(fēng)向105 deg；東湖初始水深設(shè)置為-0.37 m；溫度為實(shí)測(cè)值；鹽度0.95 psu；源匯項(xiàng)考慮青山港和曾家港2個(gè)引水口，新溝渠、九峰渠和沙湖港3個(gè)排水口，以及7個(gè)污染物入湖口。

4 水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度模擬結(jié)果及分析

在二維水質(zhì)水量調(diào)度模型的構(gòu)建中，考慮到不同風(fēng)場(chǎng)、不同輸水條件、不同污染負(fù)荷量下湖泊中各類污染元素的時(shí)空分布，結(jié)合大東湖水網(wǎng)的3種調(diào)度模式，因此設(shè)計(jì)出7種代表性工況，具體如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)工況表Table 3 Design of Operating Conditions

根據(jù)前文邊界條件及率定的參數(shù)值，運(yùn)行設(shè)置的7種典型工況，得出相應(yīng)的污染物時(shí)空分布，進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)對(duì)比分析。模型模擬時(shí)段為2007年6月10日12點(diǎn)至2007年7月10日12點(diǎn)。

4.1 不同污染負(fù)荷量工況下污染物分布分析

工況1、4、5其他條件相同，但具有3種不同的污染負(fù)荷量，分別為實(shí)際、削減50%和削減100%。運(yùn)行30天后的污染物分布情況如圖3至圖6所示。

圖3 TP初始值與工況1、4、5運(yùn)行30天后TP值分布圖Fig.3 TPvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4,and 5,respectively

圖4 TN初始值與工況1、4、5運(yùn)行30天后TN值分布圖Fig.4 TNvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4 and 5,respectively

圖5 COD初始值與工況1、4、5運(yùn)行30天后COD值分布圖Fig.5 COD values at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4 and 5,respectively

圖6 Chla初始值與工況1、4、5運(yùn)行30天后Chla值分布圖Fig.6 Chla values at the initial condition and after 30 days running for the working conditions 1,4,5,respectively

可以看到在同一引水模式、不同污染負(fù)荷量下，運(yùn)行30天后，3種工況污染物的改善程度，說(shuō)明污染負(fù)荷量大小與引水模式的改善效果基本成正比；其次在不同污染負(fù)荷量下，同一引水模式改善后的湖區(qū)污染物分布基本相似，說(shuō)明污染負(fù)荷量對(duì)污染物的分布影響較小 （針對(duì)同一引水模式）。

4.2 不同風(fēng)場(chǎng)工況下污染物分布分析

工況1、6、7其他條件相同，但具有3種不同的風(fēng)場(chǎng)條件。運(yùn)行30天后的污染物分布情況如圖7至圖10所示。

圖7 TP初始值與工況1、6、7運(yùn)行30天后TP值分布圖Fig.7 TPvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

圖8 TN初始值與工況1、6、7運(yùn)行30天后TN值分布圖Fig.8 TN values at the intial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

圖9 COD初始值與工況1、6、7運(yùn)行30天后COD值分布圖Fig.9 COD values at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

圖10 chla初始值與工況1、6、7運(yùn)行30天后Chla值分布圖Fig.10 Chla values at the intial time and after 30 days running for the working conditions 1，6，and 7，respectively.

在不同風(fēng)場(chǎng)條件下，工況1，6，7運(yùn)行30天后結(jié)果相較于初始值都有一定程度的改善；可以看到風(fēng)力條件對(duì)于TP、Chla影響效果不顯著，對(duì)于TN和COD有一定程度的影響，主要是因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)條件會(huì)影響湖區(qū)流場(chǎng)的分布，導(dǎo)致污染物在不同湖區(qū)的擴(kuò)散。

5 小結(jié)

本文以武漢 “大東湖生態(tài)水網(wǎng)工程”實(shí)施為工程應(yīng)用背景，借助于已有研究成果中有關(guān)湖泊水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境模擬分析的有關(guān)理論成果，建立大東湖二維水生態(tài)環(huán)境耦合調(diào)度模型，探討湖泊連通、水力調(diào)度對(duì)湖泊水生態(tài)環(huán)境影響的規(guī)律。結(jié)果表明，污染負(fù)荷量大小與引水模式的改善效果基本成正比，同一引水模式改善后的湖區(qū)污染物分布基本相似，說(shuō)明污染負(fù)荷量對(duì)污染物的分布影響較小，另外風(fēng)力條件對(duì)于TP、Chla影響效果不顯著，對(duì)于TN和COD有一定程度的影響，主要是因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)條件會(huì)影響湖區(qū)流場(chǎng)的分布，導(dǎo)致污染物在不同湖區(qū)的擴(kuò)散。但對(duì)于多工況下的湖泊群連通后水生態(tài)如何變化還有待下一步研究探討。

[1]郜會(huì)彩，李義天，何用，等.改善漢陽(yáng)湖群水環(huán)境的調(diào)水方案研究[J].水環(huán)境保護(hù)，2006，22（5）：41-44.

[2]俞建軍.引水對(duì)西湖水質(zhì)改善的回顧[J].水資源保護(hù)，1998（2）：50-55.

[3]黎育紅，賀石磊.基于粗糙-信息熵的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2014（1）：109-116.

[4]俞建軍.引水對(duì)西湖水質(zhì)改善的回顧[J].水資源保護(hù)，1998（2）：50-54.

[5]嚴(yán)江涌，黎南關(guān).武漢市大東湖水網(wǎng)連通治理工程淺析[J].人民長(zhǎng)江，2010，41（11）：82-84.

[6]Jin K R，Ji Z G.Case Study：Modeling of Sediment Transport and Wind-wave Impact in Lake Okeechobee[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（11）：1055-1067.

[7]Chen X J，Sheng Y R.Three-dimensional Modeling of Sediment and Phosphorus Dynamics in Lake Okeeehobee，F(xiàn)lorida：Spring 1989 Simulation[J].Journal of Environmental Engineering，2005，131（3）：359-374.

[8]Na E H，Park SS.A Hydrodynamic and Water Quality Modeling Study of Spatial and Temporal Patterns of Phytoplankton Growth in a Stratified Lake With Buoyant Incoming Flow[J].Ecological Modelling，2006，199（3）：298-314.

[9]Simons T J.Development of Numerical Models of Lake Ontario[J].Journal of Great Lakes Research，1971（14）：654-669.

[10]Oonish Y ，Imasato N.Study on the Currents in Lake Biwa（II）[J].Journal of the Ocean Geographical Society of Japan，1975，31（2）：53-60.

責(zé)任編輯：孫啟耀

Joint Operation of Water Quality and Volume for Urban Shallow Lakes

ZOU Chaowang*,SUN Yuanyuan

（Hubei Provincial Water Resource and Hydropower Planning Survey and Design Institute,Wuhan，Hubei 430064,China）

Eutrophication of lakes in the Yangtze River basin is one of the most outstanding problems at present,and may become more and more prominent along with the degradation of the lake ecosystem and deterioration of water environment.To build ecological water network and improve the lake water environment,one of the effective measures is to increase water flow ability.Based on the implementation of“the Project of Dadong Lake Ecological Water Network”in Wuhan and with the help of the simulation analysis theory for water ecological environment,a two-dimensionally coupled operation model of Dadong lake water ecological environment was established to explore the mechanisms and effects of lake connectivity and hydraulic regulation on lake water ecological environment,and to provide a reference for the city ecological environment governance and the implementation of the hydroelectric project scheduling.

Yangtze River lake group;ecological water network;water ecological environment;hydraulic project scheduling

X14

A

2096-2347（2017）03-0025-10

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.03.04

長(zhǎng)江湖泊群富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題是水環(huán)境目前最為突出的問(wèn)題之一，并且將伴隨湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化、水環(huán)境惡化而越來(lái)越突出。作為水體修復(fù)物理方法之一的引調(diào)水工程，能夠通過(guò)水利工程調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域河湖水網(wǎng)的聯(lián)系，引清水入湖，促進(jìn)水體流動(dòng)，增加水體自凈能力，改善生境，使其產(chǎn)生最大的生態(tài)效益，在國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)環(huán)境治理中有很多成功的案例[1]。如何科學(xué)合理地確定湖泊調(diào)水模式，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度是引清調(diào)水的重要研究課題[2]。

近二十多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)淺水湖泊生態(tài)環(huán)境修復(fù)的相關(guān)問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)展了較為廣泛的研究，取得了眾多成果[3-10]。但通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)者將研究重點(diǎn)放在建立單個(gè)湖泊水動(dòng)力、水質(zhì)模型，研究求解算法，求解簡(jiǎn)化條件下的解或者通過(guò)軟件模擬得到數(shù)值解。即使對(duì)于某一區(qū)域多個(gè)湖泊進(jìn)行研究時(shí)，注重的多是各個(gè)湖泊內(nèi)部的水動(dòng)力、水質(zhì)情況，對(duì)湖泊之間相互影響的研究不是很充分，至于引清調(diào)水對(duì)于湖泊群總體影響的研究就更為少見(jiàn)。在各湖泊連通引水以后，其水動(dòng)力、水質(zhì)條件勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較大的變化，需要通過(guò)一定的計(jì)算手段，研究不同連通調(diào)水方案下湖泊群水動(dòng)力、水質(zhì)的具體變化情況，并且需要構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)體系，為連通調(diào)水方案的選擇以及相應(yīng)的工程措施提供建議。

2017-04-01

湖北省水利重點(diǎn)科研項(xiàng)目 （HBSLKY201403，HBSLKY201504）

鄒朝望(1979-)，男，湖北監(jiān)利人，高級(jí)工程師，主要從事水資源與水環(huán)境研究。E-mail：80065587@qq.com