摘要：

城市湖泊在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、防汛、景觀等重要功能的同時(shí)，其水質(zhì)受到污水排放、下墊面改變和污染物輸入的嚴(yán)重威脅。然而，大多數(shù)水生態(tài)修復(fù)措施未考慮降水、排澇等因素的季節(jié)變化特征。提出了考慮年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市排澇需求的季節(jié)變化生態(tài)補(bǔ)水方案。以武漢市龍陽(yáng)湖為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)補(bǔ)水措施實(shí)施后湖泊水質(zhì)狀況，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度分析水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性，得到生態(tài)補(bǔ)水推薦方案。結(jié)果表明：在Ⅳ類(lèi)水質(zhì)的總體目標(biāo)下，推薦方案的湖泊水質(zhì)平均達(dá)標(biāo)面積比例和平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例均高于80%，效果較好。研究成果可為城市湖泊的生態(tài)補(bǔ)水工程措施提供技術(shù)支撐。

關(guān)" 鍵" 詞：

城市湖泊； 生態(tài)補(bǔ)水； 季節(jié)變化； 水質(zhì)； 數(shù)值模擬； MIKE 21

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.006

收稿日期：

2023-12-18；接受日期：

2024-03-12

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC3204505，2022YFC3202804）；武漢市漢陽(yáng)區(qū)區(qū)級(jí)政府采購(gòu)項(xiàng)目（HBZT-2021049-F049）

作者簡(jiǎn)介：

王奕博，男，工程師，博士，研究方向?yàn)樗畮?kù)生態(tài)調(diào)度與水生態(tài)模擬。E-mail：wangyibo@whu.edu.cn

通信作者：

劉" 攀，男，二級(jí)教授，博士，主要從事水庫(kù)調(diào)度與水文預(yù)報(bào)等研究。E-mail：liupan@whu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 07-0044-09

引用本文：

王奕博，郭甜甜，劉攀，等.

城市湖泊隨季節(jié)變化的生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)值模擬研究

［J］.人民長(zhǎng)江，2024，55（7）：44-52，72.

0" 引 言

城市湖泊在城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、供水、防汛、景觀、人文等重要功能，較易受到人類(lèi)活動(dòng)的直接影響，城市排水系統(tǒng)的引入、污水排放、垃圾和污染物的輸入，均會(huì)導(dǎo)致湖泊水質(zhì)受到威脅，需要采取措施來(lái)改善水體質(zhì)量［1-3］。由于水儲(chǔ)量和水域面積較小等特點(diǎn)，城市湖泊的水動(dòng)力特征受引調(diào)水影響較大，通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水促進(jìn)水體流動(dòng)從而改善水質(zhì)的途徑較為有效［4-5］。近年來(lái)，中國(guó)通過(guò)發(fā)布工作方案、立法、制定綱領(lǐng)性文件等途徑，大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。2020年7月，水利部在《關(guān)于全國(guó)主要江河湖泊生態(tài)流量確認(rèn)的工作方案》中公布了2020～2022年需要確定生態(tài)流量的重點(diǎn)江河湖泊名單；2022年10月，黨的二十大報(bào)告指出，要統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理，推動(dòng)重要江河湖庫(kù)生態(tài)保護(hù)治理［6-7］。因此，面向城市湖泊的生態(tài)補(bǔ)水方案研究十分有必要。

目前，城市湖泊的水質(zhì)改善措施主要有：① 污染控制。通過(guò)實(shí)施源頭污染控制措施，減少城市排放的污染物，定期清理湖底沉積物，減少富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放。② 岸線生態(tài)恢復(fù)。通過(guò)植被的恢復(fù)和生態(tài)工程手段，保護(hù)湖泊沿岸帶，減少岸線侵蝕，改善水域生態(tài)系統(tǒng)。③ 流域管理。通過(guò)雨水花園、雨水濕地等手段，管理城市雨水徑流，減緩雨水沖刷對(duì)湖泊的影響。④ 水體調(diào)蓄與水質(zhì)調(diào)控。通過(guò)湖泊水位調(diào)控、水質(zhì)保護(hù)、富營(yíng)養(yǎng)化防治等措施改善湖泊水質(zhì)。⑤ 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

與評(píng)估。通過(guò)建立健全水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系，對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和評(píng)估，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施［8-11］。然而，針對(duì)湖泊水質(zhì)改善的研究和措施雖考慮了流域管理、降雨徑流過(guò)程、洪水對(duì)水質(zhì)的影響、降水的季節(jié)變化特征等因素，但在日尺度上根據(jù)降水量大小來(lái)兼顧生態(tài)補(bǔ)水和城市排澇方面仍有待完善［12］。

龍陽(yáng)湖作為武漢市漢陽(yáng)區(qū)六湖聯(lián)通的重要環(huán)節(jié)，是當(dāng)?shù)氐闹匾獞?zhàn)略資源，但其水質(zhì)常年處于Ⅴ類(lèi)以下。為進(jìn)一步落實(shí)武漢市的湖泊治理工作，根據(jù)湖北省和武漢市湖泊保護(hù)的相關(guān)要求，急需開(kāi)展龍陽(yáng)湖的生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)值模擬研究工作，科學(xué)合理地開(kāi)展龍陽(yáng)湖的水體水質(zhì)治理、水生態(tài)保護(hù)工作，以期實(shí)現(xiàn)龍陽(yáng)湖水質(zhì)“增二類(lèi)、擴(kuò)三類(lèi)、轉(zhuǎn)四類(lèi)、滅五類(lèi)”的目標(biāo)［13］。因此，本文主要圍繞生態(tài)補(bǔ)水這一主題，以武漢市龍陽(yáng)湖為例，通過(guò)構(gòu)建二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)補(bǔ)水措施實(shí)施后湖泊水質(zhì)狀況，分析水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性，得到生態(tài)補(bǔ)水推薦方案。研究主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于提出了考慮年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市防汛排澇需求的季節(jié)變化生態(tài)補(bǔ)水方案，相關(guān)研究結(jié)果將為城市湖泊的生態(tài)補(bǔ)水工程實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1" 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

本文遵循《湖北省湖泊保護(hù)條例》《湖北省水污染防治條例》《武漢市水資源保護(hù)條例》，參考《龍陽(yáng)湖保護(hù)規(guī)劃》和《龍陽(yáng)湖一湖一策》中的相關(guān)內(nèi)容，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、模型模擬和深入分析，龍陽(yáng)湖生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)值模擬研究的技術(shù)路線如圖1所示。具體內(nèi)容如下：

（1） 流域現(xiàn)狀分析。收集研究對(duì)象及其匯水范圍內(nèi)的水文、土地利用類(lèi)型、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，確定湖泊水功能區(qū)劃與水質(zhì)現(xiàn)狀，調(diào)查湖泊沿線排污口分布，計(jì)算入湖污染物負(fù)荷。

（2） 模型構(gòu)建與驗(yàn)證。結(jié)合湖泊水下地形、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)、入湖污染物量等，采用MIKE 21構(gòu)建龍陽(yáng)湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，確定降雨徑流、入湖流量、湖底糙率、入湖污染物濃度等計(jì)算條件，完成模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證。

（3） 湖泊生態(tài)補(bǔ)水措施效果分析。根據(jù)生態(tài)補(bǔ)水措施的總體目標(biāo)，結(jié)合水系連通情況和污染物負(fù)荷設(shè)計(jì)不同工況進(jìn)行模擬，分析龍陽(yáng)湖水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性與不確定性，給出建議。

2" 研究區(qū)域概況

2.1" 流域水系

龍陽(yáng)湖流域位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)，東經(jīng)114°10′～114°12′，北緯30°32′～30°34′。南北最大縱距1.94 km，東西最大橫距2.89 km，流域總面積10.3 km2。龍陽(yáng)湖常水位19.15 m，湖泊水域面積1.68 km2，岸線長(zhǎng)度約14.3 km，湖泊容積約341.40萬(wàn)m3。龍陽(yáng)湖水下地形起伏不大，較為平緩，屬寬淺型湖泊。

龍陽(yáng)湖排水系統(tǒng)屬于蔡甸東湖水系，目前，蔡甸東湖水系已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6湖連通。龍陽(yáng)湖通過(guò)明珠河與墨水湖連通，通過(guò)湯山渠與三角湖連通，通過(guò)朱家新港及朱家老港與后官湖連通，區(qū)域匯流通過(guò)市政管網(wǎng)、地表徑流及龍陽(yáng)湖明渠匯入湖泊調(diào)蓄，再通過(guò)現(xiàn)狀港渠進(jìn)入南太子湖，非汛期經(jīng)東風(fēng)閘自排出長(zhǎng)江，汛期經(jīng)東湖泵站及東湖低排泵站抽排出長(zhǎng)江［14］。龍陽(yáng)湖及其周邊水系概化圖如圖2所示。

2.2" 水文氣象

龍陽(yáng)湖流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，具有雨量充沛、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點(diǎn)。年平均氣溫15.8～17.5 ℃，1月份多年平均氣溫最低約0.4 ℃；7、8月份多年平均氣溫最高約28.7 ℃。根據(jù)武漢市水資源公報(bào)，武漢市多年平均降水量為1 240.6 mm，4～9月是主雨期，降水量占全年70%左右，降水量年內(nèi)分配不均。

2.3" 水環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心發(fā)布的逐月地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，2013～2019年龍

陽(yáng)湖水質(zhì)處于穩(wěn)定的劣Ⅴ類(lèi)，2020～2023年處于穩(wěn)定的Ⅴ類(lèi)。從時(shí)間分布上看，2013～2015年龍陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)狀況為重度富營(yíng)養(yǎng)，2015～2017年略有好轉(zhuǎn)至中度富營(yíng)養(yǎng)，2018年開(kāi)始再次惡化至重度富營(yíng)養(yǎng)，2020年開(kāi)始穩(wěn)定至中度富營(yíng)養(yǎng)。從空間分布上看，湖周區(qū)域富營(yíng)養(yǎng)化程度大于湖心區(qū)域?？偭?、氨氮、石油類(lèi)污染物等是造成水體水質(zhì)惡化的主要污染物質(zhì)。

龍陽(yáng)湖水質(zhì)惡化及水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因主要有：① 生活污水和生產(chǎn)養(yǎng)殖污水未經(jīng)處理直接入湖，污水收集、處理系統(tǒng)建設(shè)較為滯后；② 部分城中村環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施薄弱；③ 面源污染占比大，根據(jù)入湖污染負(fù)荷計(jì)算，龍陽(yáng)湖流域面源污染貢獻(xiàn)占比最大；④ 內(nèi)源污染不可忽視，龍陽(yáng)湖沉積物可向水體釋放的氮約為11.90 t/a、磷約為3.31 t/a，內(nèi)源污染對(duì)湖泊污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)非常突出。

2.4" 水生態(tài)現(xiàn)狀

近幾年，龍陽(yáng)湖水生態(tài)系統(tǒng)存在退化速度快、退化程度嚴(yán)重的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在水質(zhì)差、水生植被衰退和物種多樣性降低3個(gè)方面。與20世紀(jì)70年代的龍陽(yáng)湖相比，水質(zhì)下降了一個(gè)等級(jí)；水生植被覆蓋率從原有的70%左右減少到目前的5%左右；食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)也由原來(lái)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)逐步趨于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，原有水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，急需通過(guò)重建湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的方式對(duì)其進(jìn)行治理。

3" 生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)值模擬模型構(gòu)建

3.1nbsp; 模型選取

龍陽(yáng)湖是典型的城市淺水湖泊，由于湖泊水流結(jié)構(gòu)和污染物分布特征較為復(fù)雜，一般采用平面二維模型模擬流場(chǎng)分布，然后采用差分?jǐn)?shù)值解法求解對(duì)流擴(kuò)散方程，模擬污染物濃度分布［15-16］。本研究采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的MIKE 21二維水動(dòng)力水質(zhì)模型建立龍陽(yáng)湖流域污染物排放與水域水質(zhì)之間的輸入-響應(yīng)關(guān)系［17-18］。MIKE 21軟件的適用范圍從小型河流到大江大河，從湖泊到海灣，可適應(yīng)多變復(fù)雜的環(huán)境條件，在中國(guó)廣泛應(yīng)用于一些大型工程中［19］，如武漢東湖流域水環(huán)境治理、太湖流域水環(huán)境治理、長(zhǎng)江實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)、淮河流域水質(zhì)管理與應(yīng)用等。

3.2" 模型構(gòu)建

3.2.1" 水動(dòng)力模型

二維水動(dòng)力控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系（Cartesian Coordinates）下的納維-斯托克斯方程組（Navier-Stokes equations），該方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向的動(dòng)量方程和垂直水流方向的動(dòng)量方程組成，在此不再贅述。

3.2.2" 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型，模型基本方程為

（hC）t+（MC）x+（NC）y=

xExhCx+yEyhCy+S+F（C）

（1）

式中：h為水深，m；

C為污染物指標(biāo)的濃度，mg/L;

M為橫向單寬流量，m2/s；

N為縱向單寬流量，m2/s；

Ex為橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

Ey為縱向擴(kuò)算系數(shù)，m2/s；

S為源（匯）項(xiàng)，g/（m2·s），主要考慮環(huán)湖河道的進(jìn)出水量所攜帶的污染物量；F（C）為生化項(xiàng)。

3.3" 模型設(shè)置

根據(jù)城市規(guī)劃中的“五線”管制制度，“藍(lán)線”是指城市江河湖泊水域控制線，湖泊藍(lán)線的范圍主要包括湖泊的水域、岸線以及周?chē)Ｗo(hù)區(qū)。湖泊保護(hù)區(qū)根據(jù)湖泊的設(shè)計(jì)洪水位來(lái)劃定，一般包括湖堤、湖泊水體、湖盆、湖洲、湖灘、湖心島嶼等地形特征。據(jù)此，本次模擬范圍為龍陽(yáng)湖藍(lán)線以內(nèi)水域，對(duì)應(yīng)常水位19.15 m。采用2019年12月1∶500實(shí)測(cè)水下地形成果。湖泊水下地形復(fù)雜，為了同時(shí)考慮計(jì)算量和計(jì)算精度，劃分網(wǎng)格時(shí)采用三角形網(wǎng)格以更好地貼和湖泊邊界，貼岸區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)20 m，湖泊中心網(wǎng)格邊長(zhǎng)20～50 m，網(wǎng)格總數(shù)2 923個(gè)。此外，在湖區(qū)設(shè)置1個(gè)考核監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3個(gè)模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，考核監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于模型率定和生態(tài)補(bǔ)水效果分析，模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于生態(tài)補(bǔ)水效果分析。湖泊模型邊界、網(wǎng)格劃分、水下地形和水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

近幾十年來(lái)，龍陽(yáng)湖水質(zhì)狀況在2019年經(jīng)歷了轉(zhuǎn)折。2000～2019年，龍陽(yáng)湖水質(zhì)狀況處于穩(wěn)定的劣Ⅴ類(lèi)，其中2010～2019年期間，武漢市漢陽(yáng)區(qū)水務(wù)局對(duì)龍陽(yáng)湖水生態(tài)環(huán)境采取了一系列綜合治理措施，包括排水工程、清淤工程、截污工程等，自2020年開(kāi)始龍陽(yáng)湖水質(zhì)狀況穩(wěn)定在Ⅴ類(lèi)，對(duì)龍陽(yáng)湖采取工程措施之后水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn)，但仍有待進(jìn)一步改善。此外，從自然條件來(lái)看，武漢市2019年降水量在近些年相對(duì)較少，活水動(dòng)力不足；從工程條件來(lái)看，隨著各項(xiàng)治理工程逐步推進(jìn)，河道地形、排污口等基本穩(wěn)定，具備建模基礎(chǔ)；從數(shù)據(jù)條件來(lái)看，2019年具備較為完善的地形資料和連續(xù)的觀測(cè)資料。因此，選取2019年作為本研究的模擬期，有利于更好地分析生態(tài)補(bǔ)水方案對(duì)龍陽(yáng)湖水質(zhì)改善的效果。

研究數(shù)據(jù)和水質(zhì)狀況除特別說(shuō)明的之外，均來(lái)自于《龍陽(yáng)湖保護(hù)規(guī)劃》《龍陽(yáng)湖一湖一策》《武漢市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況》等報(bào)告。

3.4" 計(jì)算條件

龍陽(yáng)湖現(xiàn)狀入流主要包含天然降雨匯流和流域內(nèi)生活與工業(yè)廢水，出流主要包含水體蒸發(fā)和閘（泵）排水。水體流動(dòng)一般受風(fēng)力和匯水渠的入流驅(qū)動(dòng)。

3.4.1" 降雨徑流

龍陽(yáng)湖流域內(nèi)無(wú)水文站，附近也缺乏可供利用的流量站，因此龍陽(yáng)湖地區(qū)入湖徑流主要根據(jù)降水量資料并利用徑流系數(shù)法進(jìn)行推求。根據(jù)武漢市漢陽(yáng)區(qū)土地利用類(lèi)型和GB 50014-2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，綜合徑流系數(shù)取0.41，經(jīng)計(jì)算，2019～2020年武漢市日降水量和龍陽(yáng)湖流域日徑流深如圖4所示。

3.4.2" 蒸 發(fā)

產(chǎn)流過(guò)程中的雨量損失大多數(shù)為蒸發(fā)損失，假設(shè)湖面蒸發(fā)系數(shù)與附近陸面蒸發(fā)系數(shù)相等，則根據(jù)上述徑流系數(shù)法計(jì)算成果，龍陽(yáng)湖湖面日凈雨量過(guò)程與龍陽(yáng)湖流域日徑流深一致。因此，模型輸入條件考慮降雨過(guò)程，用日凈雨量來(lái)表示，如圖4中紅色線所示。

3.4.3" 風(fēng)速風(fēng)向

龍陽(yáng)湖藍(lán)線水域面積僅1.68 km2，風(fēng)對(duì)龍陽(yáng)湖水體交換率的影響占比僅約1%。因此，風(fēng)速風(fēng)向?qū)堦?yáng)湖流速的影響可忽略不計(jì)，在水動(dòng)力水質(zhì)模型中不考慮風(fēng)的影響。

3.4.4" 湖底糙率

龍陽(yáng)湖水域面積較小、水下地形較緩，因此湖底糙率在整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)取常數(shù)值，初步設(shè)置湖底糙率為0.03，進(jìn)而以2019～2020年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行率定，最終確定其變化范圍在0.030～0.035之間。

3.4.5" 初始條件

湖泊初始水位采用常水位，初始濃度場(chǎng)根據(jù)2019年1月武漢市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況報(bào)告給定，選取龍陽(yáng)湖主要污染物COD、NH3-N和TP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.4.6" 邊界條件

與龍陽(yáng)湖相連的渠道主要有龍口渠、湯山渠和明珠河，上邊界考慮龍口閘，下邊界考慮明珠閘和湯山閘。

水動(dòng)力邊界條件：入口流量邊界為各工況設(shè)計(jì)流量，出口水位邊界為龍陽(yáng)湖常水位。水質(zhì)邊界條件：入口濃度邊界為各工況設(shè)計(jì)濃度值，出口濃度邊界為初始背景濃度值。

3.4.7" 污染物輸入條件

污染物的輸入主要通過(guò)陸域點(diǎn)源、面源及湖面降水和內(nèi)源匯入。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，龍陽(yáng)湖沿線具有排放流量的點(diǎn)源排污口共計(jì)27個(gè)。面源污染主要通過(guò)湖區(qū)流域范圍降雨徑流帶入，將面源污染均勻概化到湖周20個(gè)雨污混流排污口。所有點(diǎn)源和面源概化排污口分布情況如圖3所示。降塵污染在模型中以降水的形式伴隨入湖，由于龍陽(yáng)湖水域面積較小，降塵污染相比地表徑流污染極小，故降塵污染在模型中忽略不計(jì)。內(nèi)源污染主要指底泥釋放污染物，由于龍陽(yáng)湖基本已完成河底清淤工程，底泥污染量較小，故內(nèi)源污染在模型中忽略不計(jì)。

3.4.8" 擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)

降解系數(shù)受溫度影響變化較大，參照丹江口水庫(kù)、三峽水庫(kù)、湯遜湖等湖庫(kù)的計(jì)算成果（表1），根據(jù)龍陽(yáng)湖水域面積、地形特征等實(shí)際情況，初步確定擴(kuò)散系數(shù)以及COD、NH3-N和TP的降解系數(shù)取值依次為1 m2/s、0.02 d-1、0.02 d-1和0.017 d-1，進(jìn)而以2019～2020年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行率定，最終確定各參數(shù)值如表2所示。

3.5" 生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算

生態(tài)補(bǔ)水量即水動(dòng)力邊界條件中的入口流量，現(xiàn)有生態(tài)補(bǔ)水工程措施常將生態(tài)補(bǔ)水量視為定值或根據(jù)汛期和非汛期分段取值，為更適應(yīng)年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市防汛排澇需求，本節(jié)提出一種基于降水過(guò)程的生態(tài)補(bǔ)水量計(jì)算方法。

如圖5所示，生態(tài)補(bǔ)水流量隨降水量的增大而先增后減。當(dāng)降水量小于P1時(shí)，湖泊自身調(diào)蓄能力能夠滿足排澇需求，隨著降水量的增加入湖污染物也隨之增加，需要增加補(bǔ)水量以增強(qiáng)活水動(dòng)力，此時(shí)以補(bǔ)水為主。當(dāng)降水量介于P1和P2之間時(shí)，湖泊自身調(diào)蓄能力難以滿足降水和補(bǔ)水雙重影響下的排澇需求，需要減少生態(tài)補(bǔ)水量以兼顧城市排澇需求。當(dāng)降水量大于P2時(shí)，防汛排澇為第一要?jiǎng)?wù)，不再進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，且應(yīng)根據(jù)降水情況開(kāi)閘排水。圖5所示的生態(tài)補(bǔ)水策略能夠根據(jù)降水分布規(guī)律實(shí)時(shí)調(diào)整補(bǔ)水量，可有效避免非汛期內(nèi)突發(fā)強(qiáng)降水情況下未減少補(bǔ)水量而造成的城市內(nèi)澇災(zāi)害。

生態(tài)補(bǔ)水流量與降水量的關(guān)系可根據(jù)流域特性設(shè)置為線性（實(shí)線）、指數(shù)（短劃線）、冪（虛線）等多種形式。以線性關(guān)系為例（本文所采用函數(shù)形式），生態(tài)補(bǔ)水流量可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

q=Q2-Q1P1p+Q1，0≤p≤P1p-P2Q2P1-P2，P1≤p≤P20，P2≤p

（2）

式中：q為生態(tài)補(bǔ)水流量，m3/s；

p為降水量，mm；

Q1為生態(tài)補(bǔ)水流量背景值，m3/s；

Q2為生態(tài)補(bǔ)水流量上限值，m3/s；

P1為限制補(bǔ)水降水量，mm；

P2為停止補(bǔ)水降水量，mm。

Q1根據(jù)自然流動(dòng)條件下的湖泊出流能力確定，Q2和P1根據(jù)湖泊調(diào)蓄能力及模擬結(jié)果進(jìn)而率定，P2根據(jù)研究區(qū)域防汛排澇標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策確定。

4" 生態(tài)補(bǔ)水措施效果分析

4.1" 總體目標(biāo)

基于龍陽(yáng)湖目前水質(zhì)污染較為嚴(yán)重的現(xiàn)狀以及近期目標(biāo)（2025年），根據(jù)《武漢市水功能區(qū)劃》，龍陽(yáng)湖水質(zhì)總體目標(biāo)為Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上增設(shè)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)（功能目標(biāo)）作為對(duì)比。

4.2" 計(jì)算工況

考慮生態(tài)補(bǔ)水的不同流量和污染物濃度，設(shè)置10種計(jì)算工況，如表3所示。

入湖流量條件包含5種：① 全年2 m3/s；② 全年3 m3/s；③ 全年4 m3/s；④ 豐水期4～9月份2 m3/s，枯水期10月至次年3月份4 m3/s；⑤ 日降水量0～15 mm時(shí)補(bǔ)水2.5～4.0 m3/s，流量值隨降水量增大而線性遞增，日降水量15～20 mm時(shí)補(bǔ)水4～0 m3/s，流量值隨降水量增大而線性遞減，日降水量大于20 mm時(shí)不補(bǔ)水。入湖污染物濃度條件包含兩種：（a）地表水（湖庫(kù)）Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；（b）地表水（湖庫(kù)）Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

入湖流量條件①、②、③設(shè)置的目的主要是與④和⑤形成對(duì)照。入湖流量條件④解釋如下：豐水期降水量較大，對(duì)龍陽(yáng)湖的水源補(bǔ)充較為明顯，能夠起到活水作用，而枯水期降水量較小，活水動(dòng)力不足，需要加大生態(tài)補(bǔ)水流量。入湖流量條件⑤解釋如下：降水量大時(shí)地表徑流所攜帶污染物入湖量也較大，此時(shí)需要進(jìn)行的生態(tài)補(bǔ)水流量也應(yīng)較大，因此，在日降水量較?。ㄐ〉街杏?～15 mm）時(shí)，隨著日降水量的增大補(bǔ)水流量也隨之增大，同時(shí)考慮到龍陽(yáng)湖排澇需求以及降水本身對(duì)龍陽(yáng)湖的水源補(bǔ)充，在日降水量較大（中雨15～20 mm）時(shí)，隨著日降水量的增大補(bǔ)水流量隨之減小，當(dāng)日降水量持續(xù)增大（gt;20 mm）時(shí)，主要考慮到龍陽(yáng)湖流域的排澇影響，不進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。入湖流量條件⑤所對(duì)應(yīng)的季節(jié)變化生態(tài)補(bǔ)水流量如圖6所示。

4.3" 水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析

4.3.1" 水質(zhì)目標(biāo)的空間可達(dá)性分析

水質(zhì)目標(biāo)的空間可達(dá)性是指不同工況下的湖泊水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)或Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的水域面積占湖區(qū)總面積的比例。不同工況下湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積比例如圖7所示。

（1） 工況1～工況6。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況1條件下分別為88%，73%和63%，在工況2條件下分別降至49%，38%和2%，在工況3條件下分別升至95%，79%和75%，在工況4條件下分別降至54%，46%和2%，在工況5條件下分別升至98%，83%和86%，在工況6條件下分別降至59%，48%和2%。達(dá)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例均較低。工況3由于在補(bǔ)水量和入湖污染物濃度方面有了改善，湖泊水質(zhì)勉強(qiáng)達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；工況5進(jìn)一步增加補(bǔ)水量，湖泊水質(zhì)相比工況1～4有了較大改善，整體達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

與相同入湖污染物濃度的工況2和工況4相比，工

況6由于生態(tài)補(bǔ)水流量的提升，補(bǔ)水效果有了一定改善，但整體效果不如工況5。在以上6種條件下，龍陽(yáng)湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況不佳，尤其是TP濃度不達(dá)標(biāo)，有必要調(diào)整生態(tài)補(bǔ)水策略。

（2） 工況7～工況8。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況7條件下分別為98%，80%和77%，在工況8條件下分別降至56%，40%和2%。達(dá)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的平均水域面積比例均較低。工況7粗略考慮了年內(nèi)降雨分布的不均勻性，進(jìn)行了季節(jié)性生態(tài)補(bǔ)水，且補(bǔ)水效果較好，湖泊水質(zhì)基本達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工況8由于入湖污染物濃度較高，整體效果相對(duì)工況7較差。

（3） 工況9～工況10。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況9條件下分別為95%，80%和80%，在工況10條件下分別降至78%，75%和65%。工況9和工況10考慮了年內(nèi)降雨分布特征，并且在降水量較大時(shí)不進(jìn)行補(bǔ)水，以保障城市排澇需求，湖泊水質(zhì)基本達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工況10與工況9相比，入湖污染物濃度從地表水Ⅲ類(lèi)變?yōu)棰纛?lèi)，導(dǎo)致補(bǔ)水效果欠佳，可見(jiàn)在合理調(diào)控補(bǔ)水流量的同時(shí)，也要嚴(yán)格控制入湖污染物濃度。

對(duì)于各工況，從季節(jié)角度來(lái)看，冬季由于降水量少、水源補(bǔ)充不足且污染物降解系數(shù)偏低，各工況條件下達(dá)標(biāo)水域面積相比其他季節(jié)均較低。隨著補(bǔ)水量和入湖污染物濃度的降低，春季、夏季和秋季的生態(tài)補(bǔ)水效果改善較為明顯。

4.3.2" 水質(zhì)目標(biāo)的時(shí)間可達(dá)性分析

水質(zhì)目標(biāo)的時(shí)間可達(dá)性是指不同工況下的湖泊水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)或Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的模擬天數(shù)占全年總天數(shù)的比例。不同工況下湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)比例如圖8所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度變化情況如圖9所示。

（1） 工況1～工況6。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況5條件下最佳，在工況2條件下較差。對(duì)于考核監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅲ類(lèi)時(shí)（工況1、3、5），3種污染物的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例均在85%以上，達(dá)標(biāo)率較高；當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅳ類(lèi)時(shí)（工況2、4、6），3種污染物的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例較低，尤其是TP達(dá)標(biāo)率極低。對(duì)于模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3種污染物的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例更低。隨著生態(tài)補(bǔ)水量的增加，水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況逐步改善。

（2） 工況7～工況8。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況7條件下較好。對(duì)于考核監(jiān)測(cè)點(diǎn)和模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)入湖污染物濃度升高的同時(shí)，伴隨著水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)的大幅降低。工況7和工況8考慮了年內(nèi)降雨分布的不均勻性，且工況7和工況8分別相比工況5和工況4，在補(bǔ)水效果相近的同時(shí)引用水量更少。

（3） 工況9～工況10。

全湖COD、NH3-N和TP達(dá)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況9條件下較

好。對(duì)于考核監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3種污染物的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例均在60%以上，當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅲ類(lèi)時(shí)，達(dá)標(biāo)率更高。工況9相比工況1～8效果較好，在Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的總體目標(biāo)下，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但是距離Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)差距較大，仍需加大生態(tài)補(bǔ)水量并嚴(yán)格控制各類(lèi)入湖污染物。

4.4" 不同工況模擬效果對(duì)比分析

按照龍陽(yáng)湖Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的總體目標(biāo)，分別從水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積、水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)和季節(jié)性變化生態(tài)補(bǔ)水的角度對(duì)不同工況的模擬效果進(jìn)行對(duì)比分析。

（1） 水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積。

由圖9可知，工況1～6在入湖污染物濃度相同的條件下，隨著補(bǔ)水流量的增加，水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積均為遞增趨勢(shì)。工況7～10考慮到豐枯水期、降水分布特征以及湖泊排澇需求等，采用隨時(shí)間變化的生態(tài)補(bǔ)水方式。在相同補(bǔ)水流量條件下，補(bǔ)水污染物的濃度越低，水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積比例越高，表明生態(tài)補(bǔ)水能夠極大改善湖泊水質(zhì)，且補(bǔ)水量越大、補(bǔ)水所含污染物濃度越低，水質(zhì)改善效果越好。工況10相比相同補(bǔ)水污染物濃度的工況2、4、6和8條件下的TP達(dá)標(biāo)面積比例明顯增高，這是由于全年無(wú)休地引用Ⅳ類(lèi)水削減了由于活水動(dòng)力帶來(lái)的改善水質(zhì)作用。

（2） 水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)。

由圖9可知，工況1～6在入湖污染物濃度相同的條件下，隨著補(bǔ)水流量的增加，水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)均為遞增趨勢(shì)。工況7～10在相同補(bǔ)水流量條件下，補(bǔ)水污染物的濃度越低，水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)比例維持穩(wěn)定。在補(bǔ)水流量達(dá)到3～4 m3/s、補(bǔ)水污染物濃度達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，各污染物的達(dá)標(biāo)天數(shù)比例均達(dá)到90%以上。

（3） 季節(jié)性變化生態(tài)補(bǔ)水。

季節(jié)性變化生態(tài)補(bǔ)水主要是指工況7～10中隨時(shí)間變化的生態(tài)補(bǔ)水流量。由圖8和圖9可知，工況9和工況10的水質(zhì)改善效果相比工況1～8有明顯提升，是由于工況9和工況10在增加活水動(dòng)力的同時(shí)避免了持續(xù)不斷向湖泊引入新的污染物。工況9和工況10基于降水分布特征合理分配補(bǔ)水流量，不與湖泊排澇需求相矛盾，能夠在引用更少水量的同時(shí)與工況3和工況5補(bǔ)水效果保持相當(dāng)，這種方案考慮到了龍陽(yáng)湖流域的降雨特征以及運(yùn)行成本等經(jīng)濟(jì)因素。而工況7和工況8僅依據(jù)多年平均降水量粗略劃分了豐水期和枯水期，以此進(jìn)行季節(jié)性生態(tài)補(bǔ)水，這種考慮有失偏頗，且忽略了防洪排澇等需求。綜上，工況9在水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積比例、達(dá)標(biāo)天數(shù)比例、排澇需求以及引水成本等方面均具優(yōu)勢(shì)，更符合實(shí)際需求，可選作為龍陽(yáng)湖生態(tài)補(bǔ)水措施的參考方案。

4.5" 效果不確定性分析

模型預(yù)測(cè)的水環(huán)境治理效果存在一定程度的不確定性［20-21］。具體表現(xiàn)為：

（1） 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。龍陽(yáng)湖生態(tài)補(bǔ)水效果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與污染源數(shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)和模型參數(shù)取值有重要關(guān)系。入湖污染物濃度的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)量與實(shí)際入湖量之間存在誤差，龍陽(yáng)湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型參數(shù)取值的合理性還有進(jìn)一步校核和驗(yàn)證的空間，這將在一定程度上影響模擬準(zhǔn)確性，不過(guò)本研究的模擬結(jié)果在量級(jí)和趨勢(shì)上均較合理，不影響生態(tài)補(bǔ)水方案效果的對(duì)比分析。

（2） 工程措施影響。武漢市漢陽(yáng)區(qū)近年來(lái)正在或擬啟動(dòng)湖泊水系連通、海綿化改造、農(nóng)村環(huán)境綜合治理、岸坡整治、底泥清淤、水生態(tài)修復(fù)等工程措施，涉及項(xiàng)目種類(lèi)多、部門(mén)廣、論證難、審批慢，因此，治理措施能否按期、保質(zhì)完成具有較大不確定性，將直接影響龍陽(yáng)湖水質(zhì)的改善效果。

（3） 外部環(huán)境擾動(dòng)。一方面，漢江水中的氮、磷等指標(biāo)濃度是否滿足調(diào)水需要，是補(bǔ)水工程能否實(shí)施的制約因素；另一方面，點(diǎn)源和降塵污染是龍陽(yáng)湖水質(zhì)污染的重要來(lái)源，其主要受周邊環(huán)境影響，因此，未來(lái)武漢市排污管控力度以及大氣環(huán)境質(zhì)量的治理改善程度也將影響龍陽(yáng)湖入湖污染預(yù)測(cè)的合理性［23］。

5" 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出的季節(jié)性變化生態(tài)補(bǔ)水方案可為城市湖泊水生態(tài)環(huán)境治理工作和相關(guān)研究提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：

（1） 增加引水量，可顯著改善龍陽(yáng)湖水動(dòng)力條件，促進(jìn)污染物擴(kuò)散降解，有利于湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

（2） 全年平均補(bǔ)水流量范圍在3～4 m3/s區(qū)間內(nèi)，同時(shí)生態(tài)補(bǔ)水所含污染物濃度不高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中湖庫(kù)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)濃度，則能夠滿足龍陽(yáng)湖Ⅳ類(lèi)水質(zhì)總體目標(biāo)要求，但這一措施引水成本較大且未考慮湖泊排澇需求。

（3） 考慮年內(nèi)降水分布和城市排澇影響，推薦龍陽(yáng)湖生態(tài)補(bǔ)水方案如下：考慮到降水量的增大會(huì)導(dǎo)致地表徑流污染量同時(shí)增大，需增加補(bǔ)水量進(jìn)而增強(qiáng)活水動(dòng)力，日降水量0～15 mm時(shí)補(bǔ)水2.5～4.0 m3/s，流量值隨降水量增大遞增；考慮到湖泊防洪排澇需求，日降水量15～20 mm時(shí)補(bǔ)水4～0 m3/s，流量值隨降水量增大遞減；日降水量大于20 mm時(shí)不補(bǔ)水。

（4） 可通過(guò)城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)提質(zhì)增效、城市面源污染控制、農(nóng)村環(huán)境綜合整治、水生植被恢復(fù)等綜合措施進(jìn)一步改善和維護(hù)水質(zhì)，確保湖泊水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

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（編輯：黃文晉）

Numerical simulation on seasonal ecological water supplement for urban lakes

WANG Yibo1，GUO Tiantian2，LIU Pan3，LI Yu1，F(xiàn)AN Yangzhen4，YANG Yichen3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；" 2.Wuhan Changyuan Information Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China；" 4.Hubei Water Resources and Hydropower Science and Technology Promotion Center，Hubei Water Resources Research Institute，Wuhan 430070，China）

Abstract：

Urban lakes play critical roles in socioeconomic development through providing ecosystem services，flood control，and landscape functions.The water quality of the lakes faces severe threats from sewage discharge，underlying surface changes，and pollutant input.However，most of the water ecological restoration measures have not considered the seasonal variation characteristics of factors such as precipitation and drainage.We proposed a seasonal ecological water supplement scheme that considered the variations in the distribution of annual precipitation and drainage demands in different seasons in a city.Taking Longyang Lake in Wuhan City as the study area，a two-dimensional hydrodynamic water quality mathematical model was constructed to simulate the water quality of the lake after the implementation of water ecological supplement measures.The accessibility of water quality targets was analyzed from both temporal and spatial perspectives，and a preferred water ecological supplement scheme was recommended.The study results indicated that under the overall target of Class IV water quality standards，the recommended scheme performed effectively.The average proportions of lake areas and days of water quality meeting standards would both exceed 80%.The results can provide technical support for the implementation of water ecological supplement engineering in urban lakes.

Key words：

urban lakes； ecological water supplement； seasonal variation； water quality； numerical simulation； MIKE 21