基于耦合模擬的生態(tài)需水量計(jì)算方法在城市湖泊中的應(yīng)用

蘇妍妹

【摘要】該基于耦合模擬的生態(tài)需水量計(jì)算方法，在水力學(xué)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)MIKE21水動(dòng)力水質(zhì)模擬軟件模擬計(jì)算，引入了營(yíng)養(yǎng)鹽的對(duì)流擴(kuò)散和植物、藻類(lèi)的生長(zhǎng)富集過(guò)程，模擬了湖泊水質(zhì)污染、富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程，科學(xué)合理地確定城市湖泊的生態(tài)需水量，保障城市河湖水系的生態(tài)環(huán)境用水，從而促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】耦合模擬；生態(tài)需水；城市河湖

城市河湖水系是城市中水陸作用相互交織形成的具有多種功能和價(jià)值的生態(tài)系統(tǒng)，在城市發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著無(wú)可取代的作用。然而，隨著城市化進(jìn)程的加快，頻繁的人類(lèi)活動(dòng)給城市河湖水系帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，城市河湖水系面臨著嚴(yán)重的水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)退化等問(wèn)題，這些問(wèn)題大大降低了城市河湖水系對(duì)城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的支持能力。在這種情況下，研究生態(tài)環(huán)境需水量成為一個(gè)迫切問(wèn)題。

1、概述

目前國(guó)內(nèi)外計(jì)算河流生態(tài)需水量的方法較多，研究理論和方法發(fā)展較快，從河流逐漸擴(kuò)展到區(qū)域、濕地、湖泊和城市水系等，應(yīng)用最為廣泛計(jì)算方法包括：Tennant法、逐月頻率法、7Q10法、水生物基流法、可變范圍法、德克薩斯法（Texas）、年內(nèi)展布計(jì)算法、河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法等。

2、基于耦合模擬的生態(tài)需水量計(jì)算方法

城市湖泊承擔(dān)著防汛、供水、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡、美化城市風(fēng)貌等重要職能，城市湖泊生態(tài)環(huán)境功能的正常發(fā)揮與其水體和湖濱帶的健康狀況密不可分。城市湖泊屬于吞吐型湖泊（即有地面水流入，也有河流自湖中流出的湖泊），生態(tài)環(huán)境需水組成如圖1所示。

2.1 補(bǔ)充蒸發(fā)滲漏需水量

根據(jù)測(cè)量資料，某城市湖泊水面面積10.33萬(wàn)m2，平均水深2.5m，水體規(guī)模25.83萬(wàn)m3。該地區(qū)多年平均蒸發(fā)量1200mm，多年平均降雨量627mm。湖泊是人工開(kāi)挖形成，運(yùn)行多年，湖底沒(méi)有防滲，水體的滲漏量暫按水體規(guī)模的20%計(jì)。補(bǔ)充湖泊蒸發(fā)滲漏需水量為8.78萬(wàn)m3。

2.2 維持湖區(qū)水質(zhì)需水量（耦合模擬）

2.2.1 湖泊水質(zhì)模擬

1）參數(shù)的設(shè)置

采用MIKE21 水動(dòng)力水質(zhì)模擬軟件，湖泊耦合模型主要考慮了降雨、蒸發(fā)及大氣沉降的影響。模型中考慮的作用力條件包括水溫、SS和光照強(qiáng)度。其中，水溫、SS及光照強(qiáng)度參考相似湖泊成果。

2）模型的構(gòu)建

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)工程區(qū)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)以及岸線(xiàn)形態(tài)和水下地形，劃分計(jì)算網(wǎng)格。模型網(wǎng)格的劃分采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，淺水區(qū)形成的網(wǎng)格密度較大，以保證模型構(gòu)建的精確性。

2.2.2 需水量的確定

根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL395-2007），TN濃度大于1mg/L，TP濃度大于0.1mg/L，葉綠素濃度大于0.026mg/L時(shí)，可認(rèn)為該水域處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，湖區(qū)水質(zhì)處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，需要進(jìn)行集中換水。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，上游來(lái)水水質(zhì)為地表水Ⅲ類(lèi)，考慮各類(lèi)污染源輸入的情況下，湖區(qū)水質(zhì)各指標(biāo)濃度的年際變化規(guī)律基本相同。在春季氣溫較低，藻類(lèi)生長(zhǎng)基本停滯，TN、TP濃度維持在較低水平。4月后，隨著降雨的增多和雨量的增大，湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度開(kāi)始增大，藻類(lèi)生長(zhǎng)加快，6月和7月開(kāi)始富集，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽濃度較快升高。10月氣溫開(kāi)始下降，藻類(lèi)死亡并沉積，湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度開(kāi)始下降，并恢復(fù)到正常水平。

為保障湖區(qū)水質(zhì)，考慮兩種情況：①保證湖區(qū)水質(zhì)滿(mǎn)足景觀用水水質(zhì)要求（最小生態(tài)需水量），②保障湖區(qū)水質(zhì)在夏季惡劣情況下不超過(guò)地表水Ⅳ類(lèi)、平時(shí)保持在Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)水平（適宜生態(tài)需水量），來(lái)對(duì)湖區(qū)水體進(jìn)行集中換水。最小生態(tài)需水量：建議采用4月-6月每月?lián)Q水1次，7月-9月每月?lián)Q水2次的方式來(lái)運(yùn)行，全年共換水9次；適宜生態(tài)需水量：建議采用1月-3月?lián)Q水一次、4月-8月每月?lián)Q水二次共十次、9月?lián)Q水三次、10月-12月?lián)Q水一次的方式來(lái)運(yùn)行，全年共換水15次。如遭遇持續(xù)惡劣高溫天氣，可考慮及時(shí)換水以保證湖區(qū)良好水質(zhì)。

2.3 湖濱帶生態(tài)環(huán)境需水量

湖濱帶生態(tài)環(huán)境需水定額采用280m3/畝，湖濱帶綠化面積約3.62萬(wàn)m2，需水量為1.52萬(wàn)m3/a。

2.4 湖泊生態(tài)環(huán)境需水總量

經(jīng)計(jì)算分析，該城市湖泊生態(tài)需水量詳見(jiàn)下表2。

3、結(jié)語(yǔ)

本次基于耦合模擬的生態(tài)需水量計(jì)算方法，對(duì)于城市湖泊采用建立模型進(jìn)行水質(zhì)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定了兩種生態(tài)需水量：最小生態(tài)環(huán)境需水量和適宜生態(tài)環(huán)境需水量，最小生態(tài)需水量滿(mǎn)足湖泊水質(zhì)滿(mǎn)足景觀水體水質(zhì)要求，適宜生態(tài)環(huán)境需水量滿(mǎn)足湖區(qū)水質(zhì)在夏季惡劣情況下不超過(guò)地表水Ⅳ類(lèi)、平時(shí)保持在Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)水平。該生態(tài)需水量計(jì)算方法對(duì)于確定城市湖泊的引水規(guī)模，確保水體水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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