基于水量調(diào)控的城市湖泊水環(huán)境保障措施研究*

孫東旭，丁愛中

(北京師范大學 水科學研究院/教育部地下水污染控制與修復工程研究中心，北京 100875)

水是人類生存發(fā)展的基本條件，對于人類生活居住的城市來說，這一條件體現(xiàn)于城市湖泊。一個地區(qū)的湖泊存在狀況可以反映一個城市的特征和發(fā)展水平。我國有許多城市湖泊，大多數(shù)湖泊屬于小型淺水湖泊，可用于防洪航運、娛樂、發(fā)電和供水。多數(shù)城市湖泊還能作為景觀湖泊提高周圍居民的生活質(zhì)量，改變周邊的生態(tài)系統(tǒng)。

隨著人口增長、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的推進，人類的生活和生產(chǎn)活動產(chǎn)生了大量的污染物質(zhì)，城市湖泊極易成為這些污染物的受納體。調(diào)查表明，我國大部分城市湖泊、水庫己達到富營養(yǎng)化或超富營養(yǎng)化程度。如杭州西湖、南京玄武湖、江西九江甘棠湖、廣州麓湖、流花湖、武漢墨水湖等。我國大多數(shù)湖泊水的總氮(TN)質(zhì)量濃度超過0.02 mg/L，92%以上水體的總磷(TP)質(zhì)量濃度超過0.02 mg/L，近50%水體的TP質(zhì)量濃度為0.2～1.0 mg/L，水質(zhì)已普遍遭受污染。

針對城市湖泊特點國內(nèi)外學者對其治理進行了大量的研究。如泰晤士河建立城市污水和廢水的治理系統(tǒng)。美國通過與自然相協(xié)調(diào)的可持續(xù)河流管理理念，建立了完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)。日本強調(diào)用生態(tài)工程方法治理河流環(huán)境、恢復水質(zhì)、維護景觀多樣性和生物多樣性。我國對人工生態(tài)工程凈化系統(tǒng)和水生植物凈化湖泊方面的研究也取得了巨大進展。

相對于缺水和水質(zhì)較差的城市，水量調(diào)控是城市湖泊水資源維持和改善的重要措施。水量調(diào)控治理城市湖泊見效較快，調(diào)水時通過改善水動力條件，可以提高水體的自凈能力；水量調(diào)控也是湖泊水資源維持的先決條件，不僅可以改善湖泊水質(zhì)，也可以應對湖泊水體在豐水期和枯水期水位的急劇變化；水量調(diào)控還可以對水資源進行合理的分配和調(diào)度，避免水資源的浪費。沒有一個合理的水量調(diào)控措施做為保障，城市的水資源利用效果將大打折扣。

筆者以北京南海子湖泊為實驗模擬案例，根據(jù)水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果和保護目標，以TP為水質(zhì)的控制目標，通過建立的水動力學和水質(zhì)模型，模擬了綜合考慮水質(zhì)水量的湖泊水調(diào)度問題，研究不同水量調(diào)控方案對改善城市湖泊水體水質(zhì)的總體效果和最大收益。為基于水量調(diào)控治理城市湖泊水資源狀況這一措施提供依據(jù)和建議。

1 北京南海子湖泊概況

南海子郊野公園位于大興區(qū)東北部南五環(huán)南側(cè)、大興新城與亦莊新城之間，全園規(guī)劃面積約8 000萬m2。其中，一期工程總占地面積1 524萬m2，湖泊水體面積30萬m2，引水渠總長4.5 km，湖體平均水深1.5 m，總蓄水量約70萬m3。

據(jù)預測，湖泊蒸發(fā)、滲漏及綠化灌溉需水量約291.67 m3/h，湖泊擬通過引水渠引水入湖416.67 m3/h。由于湖泊尚未建設(shè)完成，一期景觀湖仍為目前普遍采用的“盲腸式用水”模式，即湖泊通過水閘等手段獨立于外部水系，不與外部水系一起循環(huán)，只有在需要的時候從水源引水進行一定的補水。

目前，南海子湖泊水質(zhì)保持主要存在以下幾個問題：(1)湖泊水系主要水源為大興區(qū)內(nèi)污水處理廠和再生水廠的再生水，相對公園內(nèi)景觀環(huán)境用水水質(zhì)具有一定差距；(2)水資源量極度短缺，總供水水量不足，生態(tài)換水量和換水頻率不足，導致公園水體流動性差，存在發(fā)生水華的潛在風險；(3)湖泊水系為新建，尚未建立自身生態(tài)系統(tǒng)，水體自凈能力低，環(huán)境容量低；(4)缺乏水體健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)；(5)缺乏水質(zhì)惡化應急處理系統(tǒng)。

2 模型的建立

在湖泊中選取8個采樣點作為模型建立、模擬、驗證的參考數(shù)據(jù)，具體位置見圖1，采樣點基本覆蓋了湖泊的整體范圍。

圖1 模型建立的采樣點分布圖

由于南海子湖泊屬于城市淺水湖泊，所以方程需考慮柯氏力、水面風應力及湖底摩擦力，應用Navier-Stokes方程，可得到湖泊的控制方程[1-2]，如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：δ為湖面的水位，m；h為水深，m；q為湖泊的流量，m3/h；u為沿x方向的流速分量；v為沿y方向的流速分量；g為重力加速度，m/s；ρ為水體密度，g/m3；f為柯氏力系數(shù)；τbx和τby為湖面風應力分量；τwx和τwy為湖底摩擦力分量。

對上述8個點TN、TP的分析結(jié)果見圖2。

采樣時間(a) 各點變化

采樣時間(b) 各點平均值變化圖2 南海子湖區(qū)采樣點氮磷比隨時間的變化趨勢

根據(jù)Stumn研究，氮磷比在小于7時為氮限制，大于7為磷限制。

由圖2的結(jié)果可以看出，南海子湖氮磷比大于7，為磷限制湖泊，所以水質(zhì)模型選取TP作為模擬對象，如式(4)、式(5)所示。

(4)

F(C)=Sp-KTP×C×H

(5)

式中：M、N分別為橫向和縱向的單寬流量，m2/s；Ex為橫向擴散系數(shù)；Ey為縱向擴散系數(shù)，m2/s；C為水體TP質(zhì)量濃度，mg/L；S為源匯項，g/(m2·s)；F(C)為生化項；Sp為底泥磷釋放速率，g/(m2·d)；KTP為綜合沉降系數(shù)，d-1。

模型求解采用笛卡爾坐標下的淺水方程，網(wǎng)格大小為100 m×100 m，如式6、式7所示[3-5]。

(6)

(7)

式中：h為水深，m；u和v為流速在x和y方向的分量；g為重力加速度，m/s；Δx和Δy為x和y方向的特征長度，m；Δt為時間間距，s。

模型的初始條件為2012年1月11日8個監(jiān)測點的平均值，模型的南邊界條件是監(jiān)測點S4和S5的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

模型各項參數(shù)的確定分別為式(8)～式(11)[6]。

f=2×ω×sinφ

(8)

式中：f為柯氏力系數(shù)；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為湖泊所處緯度。

(9)

τωx=CD·ρa·w·wx

(10)

τωy=CD·ρa·w·wy

(11)

式中：τωx和τωy為湖面風應力分量；CD為風應力系數(shù)；ρa為空氣密度，kg/m3；w為離湖面10 m處風速，m/s；wx和wy分別為x，y方向的風速，m/s。

根據(jù)采樣點水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和公園建設(shè)資料對模型進行了驗證，結(jié)果反應了南海子公園湖泊的水體指標的變化特征，所以模型可用于模擬計算湖泊水質(zhì)和水量的變化結(jié)果。

3 水量調(diào)控策略模擬分析

3.1 南海子湖泊水質(zhì)水量現(xiàn)狀

根據(jù)南海子湖泊的工程建設(shè)條件，假設(shè)南海子湖泊一次性引水達到蓄水量為70萬m3，此時水位可達到29.5 m，湖心水深2.5 m，湖面面積為30.81 m2，分析其蓄水量的逐月變化情況。經(jīng)分析，南海子湖三月份蓄水量較少，可以在三月中旬對湖泊進行引水調(diào)控，保證其在春夏兩季水量豐沛。同時通過計算得到湖泊引入水須達到10萬m3，才可保證湖泊在維持水量的基礎(chǔ)上，湖泊污染物濃度進一步下降。

采樣結(jié)果表明南海子湖夏季磷濃度較高，其余月份較低。全年平均值為0.143 mg/L，各采樣點的水質(zhì)優(yōu)劣不同。表1為2012年～2013年各個采樣點TP的平均監(jiān)測值。由表1數(shù)據(jù)可以看出湖東的磷質(zhì)量濃度低于湖西。

表1 2012年～2013年各采樣點TP質(zhì)量濃度平均值

3.2 水量調(diào)控方案設(shè)計

為了改善城市湖泊水質(zhì)環(huán)境，降低污染物在湖泊中的總體濃度，筆者提出3種調(diào)控策略，選擇在枯水季3月為湖泊進行引水和入湖徑流作為模型的邊界條件，以TP為狀態(tài)變量，進行模擬計算。

(1) 湖西入水口引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對湖西入水口進行入水，進水量為0.4 m3/s，引入水經(jīng)湖東入水口流入湖西，從湖西出水口排出。

(2) 湖東入水口引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對湖東入水口進行引水，進水量為0.4 m3/s，流入湖東后進入湖西，同時從湖東出水口流出。

(3) 對湖西入水口和湖東入水口分別進行引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對湖西入水口進行引水，進水量為0.2 m3/s，在2012年3月11日到2012年4月11日對湖東進行引水，進水量為0.2 m3/s，同時通過湖西的自流引水改善湖泊的整體水動力和水質(zhì)條件。

3.3 方案模擬結(jié)果分析

3.3.1 不同調(diào)控方案模擬分析

通過模型模擬發(fā)現(xiàn)，第1種方案容易造成湖西污染物流入湖東，湖東水質(zhì)條件得不到改善，甚至在采樣點S7和S8處水質(zhì)條件進一步變差，使湖西的污染遷移到湖東區(qū)域。第2種方案由于受南海子湖泊水動力條件限制，湖東的引入水不能進入湖西，無法改善湖西的水質(zhì)環(huán)境。造成這2種方案無法有效地治理湖泊污染的主要原因是受到湖泊的水動力條件限制，同時湖西和湖東的污染狀況并不相同，污染物容易通過湖泊的水循環(huán)發(fā)生遷移，容易使水質(zhì)較好的區(qū)域面臨水質(zhì)惡化的風險。

在第3種引水方案下，模型模擬得到各采樣點的水質(zhì)指標TP含量的變化過程，見圖3～圖8。

圖3 2012年采樣點S1處TP含量變化

圖4 2012年采樣點S3處TP含量變化

由圖3和圖4可以看出對湖西入水口處進行引水方案可以較快地改善湖西水質(zhì)，有效地降低 湖西污染物向湖東遷移的風險。

圖5 2012年采樣點S4處TP含量變化

圖6 2012年采樣點S5處TP含量變化

圖7 2012年采樣點S6處TP含量變化

圖8 2012年采樣點S7處TP含量變化

由圖5～圖7可以看出通過湖東入水口引水和湖西的自流引水，南海子公園湖東各區(qū)域水質(zhì)得到有效改善。通過圖8可以看出，采樣點S7處TP質(zhì)量濃度并未發(fā)生大幅度的升高變化，說明湖西區(qū)域污染物和湖東其它區(qū)域污染并未在采樣點S7區(qū)域滯留，大幅度降低了污染物遷移到湖泊其它區(qū)域的風險。

3.3.2 南海子湖東不同引水流量模擬分析

對于水量調(diào)控方案三，模擬設(shè)計3種不同的引水規(guī)模，分別為0.2、0.4、0.6 m3/s，對這3種流量進行模擬計算，連續(xù)引水時間為20 d，對各個采樣點區(qū)域的TN和TP以及COD平均濃度進行數(shù)學統(tǒng)計，計算引水后相對于引水前的各個水質(zhì)條件的改善效果，如表2～表4所示。

由表2～表4可見，如果按照0.2 m3/s引水流量對湖東入水口進行引水，采樣點S7處的水質(zhì)容易發(fā)生進一步惡化，其主要原因是在南海子湖泊水動力條件的作用下，湖東東北部區(qū)域容易使污染物滯留，其它湖泊區(qū)域污染物發(fā)生遷移，影響湖泊個別區(qū)域的水質(zhì)改善效果，甚至使水質(zhì)相對較好的區(qū)域水質(zhì)變差。而湖西0.1 m3/s的出水流量不足以在引水時間內(nèi)使污染物都排出進入湖東。因此0.2 m3/s的引水流量方案不能完全有效地改善南海子湖泊各個區(qū)域的水質(zhì)狀況，引水規(guī)模略顯不足。

表2 3種流量分別對各采樣點TN影響效果統(tǒng)計表

表3 3種流量分別對各采樣點TP影響效果統(tǒng)計表

表4 3種流量分別對各采樣點COD影響效果統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

水量調(diào)控這一措施可以快速有效地改善湖泊的水質(zhì)條件，使城市湖泊水體中污染物濃度大幅度降低，但是采用水量調(diào)控治理湖泊還需要考慮多種不同因素。

(1) 針對城市湖泊水動力條件，需要設(shè)計一個合理的引水調(diào)度方案，對湖泊水質(zhì)進行補水和換水，如果引水調(diào)控方案不合理，不僅不能有效地降低城市湖泊的污染物濃度，而且使城市湖泊中的主要污染物滯留在水體中。

(2) 引水規(guī)模對湖泊的治理效果有著極大影響。隨著引水流量的增大，湖泊的主要水質(zhì)指標如COD、TN和TP的改善結(jié)果不斷增強，同時湖泊的改善增值率則不斷下降。因此，在采用水量調(diào)控這一措施時，筆者不僅要考慮湖泊的治理改善效果，同時還要考慮治理的投資運行成本，隨著引水規(guī)模的不斷增大，投資成本也隨著不斷增加，但是改善效果卻在不斷降低，這會造成投資效益比的明顯下降。因此根據(jù)不同城市湖泊的工程數(shù)據(jù)，需要選取最為合適的引水流量，同時需要綜合考慮湖泊的環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)的相關(guān)影響因素。

(3) 雖然合理的水量調(diào)控措施可以快速有效地治理城市湖泊污染，但是同時還存在許多風險與局限性。首先，城市湖泊的水動力條件決定了再引水調(diào)控過程中，污染物容易發(fā)生遷移，使污染物進入湖泊中水質(zhì)相對較好的區(qū)域，造成了水質(zhì)相對較好的區(qū)域的水質(zhì)惡化，所以選取合適的引水流量和引水周期，使湖泊的主要污染物排出湖泊水體是引水方案的重中之重。其次，引水調(diào)控方法治理城市湖泊的效果容易在幾年后發(fā)生反彈，所以在引水調(diào)控湖泊水體之后，還要控制入湖污染物進入水體。

在引水調(diào)控過程中，改善了城市湖泊的水動力條件，通過控制入湖污染，能大幅度改善湖泊水質(zhì)，避免在非引水期內(nèi)，湖泊各區(qū)域水質(zhì)產(chǎn)生不同程度的反彈。在控制污染物進入水體、引水調(diào)控、生態(tài)修復等多種治理措施的綜合作用下，湖泊水質(zhì)才能逐年得到有效改善。

引水調(diào)控方案只適用于相對較小的城市湖泊，對于相對較大的城市湖泊引水換水治理措施不可行，這不僅造成了水資源的浪費，還容易使水體水質(zhì)進一步惡化。因此在治理城市湖泊污染的過程中，關(guān)鍵在于如何選取合理的治理手段，以最小的經(jīng)濟投入使水體達到最理想的狀態(tài)。

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