李冬冬,魏月華,胡棟輝,羅佳敏，李東風(fēng)

(1. 余姚市海塘管理所，浙江 余姚 315400；2.寧波顥潤生態(tài)建設(shè)有限公司，浙江 余姚 315400;3. 余姚市水利局，浙江 余姚 315400；4.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

浙江沿海平原河湖水網(wǎng)密布，河網(wǎng)流動(dòng)性差，水質(zhì)日益惡化，河流湖泊水體富營養(yǎng)化時(shí)有發(fā)生，區(qū)域外引水與河湖水系連通是平原河湖水環(huán)境改善的重要措施[1-2]。虞東平原六湖連通綜合整治工程是浙江省水利重點(diǎn)項(xiàng)目，六湖包括皂李湖、白馬湖、小越湖、孔家岙泊湖、東泊湖和西泊湖，其中，白馬湖地形狹長，腹地內(nèi)有較多零散分布的沙洲、島嶼，見圖1。由于白馬湖水體流通不暢，加上生活污水排入湖中，造成局部水體高度富營養(yǎng)化，水質(zhì)為V類水。為改善白馬湖水環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源狀況，區(qū)域外引水和河湖水系連通是改善白馬湖水環(huán)境比較可行的措施，但是引水改善的效果還需要經(jīng)過可行性研究論證。利用平面二維水動(dòng)力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行水環(huán)境改善的重要工具和手段[3-7]。虞東平原六湖連通的實(shí)施，是通過引杭甬運(yùn)河的清水到皂李湖，然后通過引水隧洞到白馬湖、小越湖、孔家岙泊湖、東泊湖和西泊湖，本文即利用二維模型對(duì)引水改善白馬湖水環(huán)境指標(biāo)BOD和DO進(jìn)行了時(shí)空分析。

1 平面二維水動(dòng)力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型理論和驗(yàn)證

1.1 模型理論

模型的基本理論包括水動(dòng)力理論和污染物輸移擴(kuò)散[8]。

1.2 模型的建立和驗(yàn)證

1.2.1 模型建立

1) 模型范圍

河網(wǎng)水系是一個(gè)整體，以紹興虞東整個(gè)河網(wǎng)為模型。由于六湖位于上虞河網(wǎng)的中部，其模型的入流和出流的邊界條件不確定因素太多，從整個(gè)河網(wǎng)水系的角度上來說，倘若僅僅挑選出河網(wǎng)中的幾條河流和湖泊出來，那么就會(huì)遇到邊界條件不準(zhǔn)確、研究范圍過小等的情況。因此，只能把整個(gè)上虞平原河網(wǎng)作為一個(gè)整體系統(tǒng)才能確定正確的邊界條件，綜合分析考慮水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、污染范圍情況，得出最有利的治理措施方式。這樣就可以把南部山區(qū)降雨、上浦閘引水，曹娥江引水、四明湖引水、以及二號(hào)閘和新東進(jìn)閘等確定流量和水位工程作為邊界條件，使模型建立在正確的邊界條件基礎(chǔ)之上。模型的研究區(qū)域、網(wǎng)格剖分和邊界條件見圖1。

圖1 模型研究區(qū)域、網(wǎng)格剖分和邊界條件

2) 模型邊界條件的選取

水流運(yùn)動(dòng)的邊界條件對(duì)于模型模擬計(jì)算出來的結(jié)果有著非常重大的影響,控制條件越精確、越確定，算出的結(jié)果也就越與實(shí)際的流動(dòng)情況相符合，把上虞河網(wǎng)作為一個(gè)整體，模型的邊界就包括各個(gè)引水邊界、降雨匯流邊界、四明湖引水邊界、曹娥江引水邊界、上虞與余姚聯(lián)通的河網(wǎng)邊界以及擋潮排澇閘等各種確定的流量和水位潮位等邊界條件。

1.2.2 模型的驗(yàn)證

本次驗(yàn)證計(jì)算采用洪澇發(fā)生時(shí)間較近，降雨情況較為典型，實(shí)測資料較完整的“20131006”菲特臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。由于受到2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)的影響，上虞區(qū)10月5日20時(shí)開始普遍降雨，到9日8時(shí)基本結(jié)束。按水利部門實(shí)測統(tǒng)計(jì)，市域平均面雨量434.8 mm，有11個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)超過500 mm，其中山區(qū)平均面雨量376.1 mm，平原平均面雨量523 mm，比虞北平原百年一遇過程雨量460.5 mm多62.5 mm。筆者需驗(yàn)證虞東平原模型是否與實(shí)際相符。本次驗(yàn)證計(jì)算，選取小越湖上、小越湖下和崧廈3個(gè)代表站計(jì)算水位與實(shí)測水位進(jìn)行比較，選取時(shí)間為2013年10月5日0時(shí)至10月12日0時(shí)。小越湖上實(shí)測最高雨量4.53 m，計(jì)算雨量4.51 m，相差-0.02 m。小越湖下實(shí)測最高雨量4.37 m，計(jì)算雨量4.31 m，相差-0.06 m。崧廈實(shí)測最高雨量4.42 m，計(jì)算雨量4.35 m，相差-0.07 m?？梢钥闯?，驗(yàn)證計(jì)算與實(shí)際情況較為吻合，計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置可用于引水方案預(yù)測計(jì)算。

2 引水改善水動(dòng)力水環(huán)境分析

由于白馬湖過于狹長，水域分布較廣，為方便分析每個(gè)區(qū)域的水體流動(dòng)和水環(huán)境改善的狀況，將白馬湖分為8個(gè)區(qū)域，分別命名為a至h，選擇18個(gè)典型位置,對(duì)引水湖泊水動(dòng)力和水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析(圖2)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)各個(gè)區(qū)域河湖連通前后白馬湖的流速進(jìn)行分析。

圖2 研究水域分區(qū)和分析選點(diǎn)位置圖

2.1 水動(dòng)力增加分析

圖3為引水湖泊連通前后白馬湖研究點(diǎn)流速對(duì)比圖，由圖3可以看出，河湖連通前研究點(diǎn)流速均較小，最大流速小于0.007 m/s，1，2，8，9，11，12，13，17點(diǎn)流速小于0.001 m/s，說明河湖連通前白馬湖水體流動(dòng)性極差。河湖連通后，白馬湖中水域流速明顯增加，各研究點(diǎn)流速均有所增加，說明河湖連通改善了白馬湖水體流動(dòng)性。

圖3 連通前后研究點(diǎn)流速對(duì)比圖

對(duì)于水域a，河湖連通前，除了與b水域連通的4點(diǎn)流速較大外(流速為0.001 2 m/s)，其余各點(diǎn)流速極小(均小于0.002 m/s)，湖體流動(dòng)性差；河湖連通后，流速有所增加，但流速依然小于0.01 m/s，湖體流動(dòng)性仍然較差。

對(duì)于水域b，河湖連通前，研究點(diǎn)中最大流速為與虞甬運(yùn)河相連的進(jìn)口點(diǎn)3，流速較大(0.006 7 m/s)，湖體內(nèi)部流動(dòng)性較好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異，較白馬湖其他水域，湖體流動(dòng)性良好。進(jìn)水口處流速較大，最高達(dá)0.07 m/s。

對(duì)于水域c，河湖連通前，相較白馬湖其他水域，湖體流動(dòng)性良好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異，較白馬湖其他水域，進(jìn)水口流速較大，湖體流動(dòng)性良好,約0.04 m/s。

對(duì)于水域d，河湖連通前，相較白馬湖其他水域，湖體流動(dòng)性良好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異,較白馬湖其他水域，進(jìn)水口流速較大，湖體流動(dòng)性良好，約0.04 m/s。

對(duì)于水域e，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導(dǎo)致腹地處流動(dòng)性差，所研究8和9兩點(diǎn)位于腹地，流速極小(均小于0.000 3 m/s),與水域h相連的進(jìn)口點(diǎn)10所在位置，流速較大(0.001 166 m/s)；河湖連通后，流速有所增加，特別是與湖h相連的進(jìn)水口處流速較大，湖體流動(dòng)性改善明顯，流速達(dá)0.03 m/s，由于湖體內(nèi)部腹地較多，腹地處流動(dòng)性差，所研究8和9兩點(diǎn)位于腹地，流速極小(均小于0.001 m/s),腹地處流動(dòng)性改善并不明顯。

對(duì)于水域f，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導(dǎo)致腹地處流動(dòng)性差，所研究10點(diǎn)位于腹地，流速極小(0.000 144 m/s)；河湖連通后，與湖h相連的進(jìn)水口處流速較大，湖體流動(dòng)性改善明顯，流速達(dá)0.03 m/s，但是湖體內(nèi)部腹地多，腹地處流動(dòng)性差,腹地處流動(dòng)性改善并不明顯。

對(duì)于水域g，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導(dǎo)致腹地處流動(dòng)性差，所研究12和13兩點(diǎn)位于腹地，流速極小(均小于0.000 1 m/s)；河湖連通后，流速有所增加，特別是與湖h相連的進(jìn)水口處流速較大，湖體流動(dòng)性改善明顯，流速達(dá)0.04 m/s，由于湖體內(nèi)部腹地較多，腹地處流動(dòng)性差，腹地處流動(dòng)性改善并不明顯，所研究12和13兩點(diǎn)位于腹地，流速極小(均小于0.000 1 m/s)。

對(duì)于水域h，河湖連通前，所研究14～18 d點(diǎn)位于h水域，流速較大，湖體流動(dòng)性良好；河湖連通后，與皂李湖—白馬湖引水隧洞相連的h水域下半部分，流速高達(dá)0.15 m/s,上半部分流速增大沒有下半部分明顯，但是已增加至0.03 m/s，河湖連通后，h水域水體流動(dòng)性改善最明顯。

從對(duì)比分析中可知，河湖連通增加了白馬湖水體的流動(dòng)性，白馬湖水域流速普遍增大，水體流動(dòng)性雖然得到極大改善，但白馬湖腹地水域仍存在流速較小、湖泊流動(dòng)性不強(qiáng)的問題。

2.2 水環(huán)境改善分析

現(xiàn)選取BOD以及DO作為水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.2.1 BOD分析

圖4為河湖連通前后研究點(diǎn)的BOD值對(duì)比圖，從圖4可以看出，白馬湖在河湖連通后，BOD值降低明顯，水質(zhì)改善明顯，BOD值均降低5 mg/L以上，BOD最低2.2 mg/L，各個(gè)位置BOD值差異也比較大，且數(shù)值分布不均。

圖4 河湖連通前后BOD值對(duì)比圖

2.2.2DO值分析

圖5為河湖連通前后研究點(diǎn)的DO值對(duì)比圖，從圖5可知，白馬湖在河湖連通后，DO值增加明顯，水域的DO普遍大于7 mg/L，水質(zhì)改善明顯，但各個(gè)位置DO值差異也比較大，DO值分布不均。結(jié)合所獲得的研究點(diǎn)BOD、DO數(shù)據(jù)，各水域水質(zhì)改善效果分析結(jié)果如下。

圖5 連通前后研究點(diǎn)DO值對(duì)比圖

對(duì)于水域a，水質(zhì)改善明顯，且BOD、DO值在整個(gè)水域分布相對(duì)平均，BOD值從9.57 mg/L左右降低到4.57 mg/L左右，DO值從2.1 mg/L左右上升到7.2 mg/L左右，結(jié)合指標(biāo)分析水質(zhì)已改善至Ⅳ類水。但是相較于其他水域，水質(zhì)仍然相對(duì)不佳，仍需進(jìn)一步改善。

對(duì)于水域b，水質(zhì)改善明顯，BOD值在整個(gè)水域分布相對(duì)均勻，BOD值從9.56 mg/L左右降低到3.5～4 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.8～8 mg/L范圍內(nèi)，結(jié)合指標(biāo)分析水質(zhì)已改善為Ⅲ類水。

對(duì)于水域c，水質(zhì)改善明顯，BOD值在進(jìn)水口數(shù)值較低，越遠(yuǎn)離進(jìn)水口BOD值越高，BOD值從9.56 mg/L左右降低到3～3.7 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.7～7.8 mg/L，DO值在水域中的分布相對(duì)均勻，結(jié)合指標(biāo)分析水質(zhì)已改善為Ⅲ類水。

對(duì)于水域d，水質(zhì)改善明顯，BOD分布不均勻，在靠近水域h(右岸)處BOD值較小，為2.17 mg/L，越遠(yuǎn)離h水域BOD值越大，增大至4.55 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.45～7.7 mg/L，DO值分布相對(duì)均勻。

對(duì)于水域e，水質(zhì)改善明顯，但BOD值、DO值在整個(gè)水域分布不均勻。在與h水域相連的進(jìn)水口處，BOD值約為3.7 mg/L，DO值約為7.6 mg/L，水質(zhì)良好。由于e水域腹地較多，水體流動(dòng)性不強(qiáng)，在腹地處，水質(zhì)明顯變差，BOD值高達(dá)4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水質(zhì)仍需繼續(xù)改善。

對(duì)于水域f，水質(zhì)改善明顯，但BOD值在整個(gè)水域分布不夠均勻。在與h水域相連的進(jìn)水口處，BOD值約為3 mg/L，DO值約為7.6 mg/L，水質(zhì)良好，最靠近左岸的水域是BOD值最大處，為4.6 mg/L，DO值為7.4 mg/L。最靠近左岸的水域水質(zhì)需繼續(xù)改善。

對(duì)于水域g，水質(zhì)改善明顯，但BOD、DO值在整個(gè)水域分布不均勻。在與h水域相連的進(jìn)水口處，BOD值約為2.25 mg/L，DO值約為7.5 mg/L，水質(zhì)良好。由于g水域腹地較多，水體流動(dòng)性不強(qiáng)，在腹地處，水質(zhì)明顯變差，BOD值高達(dá)4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水質(zhì)仍需繼續(xù)改善。

對(duì)于水域h，水質(zhì)明顯改善，在靠近皂李湖-白馬湖引水隧道處，水質(zhì)最佳，BOD值低至1.5 mg/L，越向北流動(dòng)，水質(zhì)發(fā)生變化，水質(zhì)逐漸變差，BOD值沿程上升至3.5 mg/L，而DO值也沿程降低，由7.82 mg/L降低至7.47 mg/L。

綜上所述，河湖連通工程提高了白馬湖水體的流動(dòng)性，同時(shí)也大大改善了白馬湖的水環(huán)境狀況，河湖連通方案可行。

3 結(jié) 論

應(yīng)用平面二維水動(dòng)力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)引水前后湖泊水動(dòng)力水體流動(dòng)性及水環(huán)境改善的情況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：從整體上看，引水河湖連通增加了湖泊水體的流動(dòng)性，水環(huán)境水質(zhì)改善效果明顯，但湖泊的某些局部水域，水體流動(dòng)性較弱，水環(huán)境改善不佳，建議通過設(shè)置導(dǎo)流水工建筑物，導(dǎo)引水流流向流動(dòng)性較弱的水域，增強(qiáng)這些水體流動(dòng)性比較弱的水域的流動(dòng)性和水環(huán)境改善。本研究可為工程可行性提供決策支持依據(jù)。