漢豐湖水體富營養(yǎng)化控制水量調度方案

陳 焰，胡 林，黃 宏，馮 健

(1.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院，上海 201306； 2.重慶市開縣水利局，重慶 405400； 3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

三峽漢豐湖調節(jié)壩的建立改變了調節(jié)壩上游的水文特性，原來的小江河道變成了現(xiàn)在的漢豐湖，水體從原來的河流型轉變成了湖泊型。城市的土地開發(fā)利用、人口集中都給漢豐湖的水生態(tài)系統(tǒng)帶來了一定的影響。近年來由于南河、東河營養(yǎng)物質的輸入[1]，漢豐湖水體呈現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化，引起了國內(nèi)學者的廣泛關注，但研究多限于水體營養(yǎng)狀態(tài)的時空分布[1-2]及浮游植物群落、底棲動物與環(huán)境因子的相關關系[3-4]等方面，關于漢豐湖調節(jié)壩的調度方式對水體富營養(yǎng)化控制的研究鮮有報道。

MIKE21水動力模型因其友好的操作界面、非結構網(wǎng)格以及能夠處理復雜的邊界等特點在許多領域得到廣泛應用。張虎等[5]利用MIKE21FM模型建立了巢湖二維水動力水質模型，模擬了引江濟巢菜子湖和白蕩湖方案對巢湖水質的改善效果；余成等[6]應用MIKE21軟件模擬武漢東湖引水工程4種引水工況下TN、TP的濃度分布情況；王哲等[7]應用MIKE21軟件模擬了金倉湖流場并對金倉湖水質變化規(guī)律進行了預測與分析[8]。已有研究表明，大流量有利于降低水體中污染物濃度[9]，增大流速可以抑制藻細胞生長，延緩水華發(fā)生[10]，因此，本文依托 “三峽庫區(qū)小江漢豐湖流域水環(huán)境綜合防治與示范課題”，利用MIKE 21水動力模型模擬不同下泄流量對漢豐湖水動力條件和營養(yǎng)鹽濃度分布的影響，確定防止?jié)h豐湖水體發(fā)生富營養(yǎng)化的水量調度方案，以期為漢豐湖調節(jié)壩的管理提供一定的理論支撐。

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

漢豐湖是為減小三峽水庫蓄水造成的55 km2消落區(qū)對開州生態(tài)環(huán)境的不良影響而建的，也是攔河而形成的三峽庫區(qū)最大的庫中湖。漢豐湖位于開州城區(qū)東河與南河交匯處，范圍東起烏楊橋水位調節(jié)壩，西至南河大邱壩，南以新城防護堤高程180 m為界，北到老縣城所在的漢豐壩—烏楊壩一線。漢豐湖庫區(qū)周長為36.4 km，湖泊東西跨度為12.51 km，南北跨度為5.86 km，西段狹窄，東段開闊，呈“Y”字形沿縣城東西延展，蓄水量8 000萬m3，常年水面面積為14.8 km2，多年平均徑流量約為24億m3，其中，37%來自于東河，28%來自于桃溪河，28%來自于南河，7%來自于其他，是我國西部內(nèi)陸最大的城市人工湖。圖1為漢豐湖及調節(jié)壩的位置示意圖。

圖1 漢豐湖及調節(jié)壩位置示意圖

1.2 模型控制方程

MIKE21是丹麥水利研究所開發(fā)的模擬水動力以及各種水質變化的軟件，主要應用于河口、海洋、湖泊以及大型流域。本研究選擇MIKE21水動力模塊和對流擴散模塊對漢豐湖水量調度進行數(shù)值模擬。

1.2.1 水動力控制方程

MIKE21二維水動力控制方程為Navier-Stokes方程：

(1)

(2)

(3)

f=2Ωsinφ

(4)

1.2.2 對流擴散方程

對流擴散方程式為

(5)

其中

S=Qs(Cs-C)

式中：C為復合濃度(常量)；h為水深；Dx，Dy為x、y方向上的擴散系數(shù)；F為線性衰減系數(shù)；Qs為源匯項流量；Cs為源匯項處物質的濃度。

1.2.3 計算方法

以湖泊水動力學的理論方法為基礎，采用非結構網(wǎng)格，建立漢豐湖二維水動力水質模型，通過求解模型的連續(xù)方程、動量方程以及污染物的遷移擴散方程，得到漢豐湖水體運動的流場以及營養(yǎng)鹽的濃度分布，分析不同的調水方案對漢豐湖水質影響，確定能夠改善漢豐湖水體富營養(yǎng)化狀況的水量調度方案。

2 二維漢豐湖水質模型構建

2.1 模擬區(qū)域地形

漢豐湖入湖支流主要有南河、桃溪河、頭道河、東河，出流為澎溪河(小江)。利用Arcgis將漢豐湖邊界矢量化，生成.xyz文件，然后導入MIKE21水動力模型生成漢豐湖邊界，即為陸地邊界，再用網(wǎng)格生成器生成非結構三角形網(wǎng)格即可得到模擬區(qū)域的計算網(wǎng)格(圖2(a))。模型計算網(wǎng)格6 563個，節(jié)點為6 434個，導入2014年水深數(shù)據(jù)，采用自然單元法中的自然鄰接點插值方法進行插值得到漢豐湖水下地形(圖2(b))。

(a) 計算網(wǎng)格

(b) 水下地形

2.2 模型率定

利用MIKE21水動力模塊和對流擴散模塊模擬漢豐湖水動力變化和營養(yǎng)鹽的遷移擴散，采用2014年水位、流量和水質數(shù)據(jù)生成水位、流量、水質序列文件，將其作為模型需要的邊界條件，其中南河、桃溪河、頭道河以及東河都用流量邊界，烏揚大壩處采用水位邊界，并設定湖泊參數(shù)和初始條件，模擬時間為2014年1—12月。選取漢豐湖東南河交匯處每月1次的監(jiān)測流速對比同一時間模型計算流速，平均誤差為0.2%(圖3(a))，對流擴散模塊的率定選取東南河交匯的TN、TP濃度數(shù)據(jù)，均采用同一時間實測值和計算值，平均誤差分別為3.8%和2.2%(圖3(b)、(c))，流速、TN和TP濃度的模擬結果在可接受范圍之內(nèi)。由于底部糙率是表征河渠底部和岸壁影響水流阻力的綜合因素的系數(shù)，也是衡量河道邊壁粗糙程度對水流運動影響并進行相應水文分析的一個重要參數(shù)[11]，在MIKE21數(shù)值模擬過程中，考慮水深的相關變量時，通過水力半徑、近似地表坡度以及水流速度的計算得到的曼寧數(shù)側面反映底床的粗糙程度，其取值是MIKE21數(shù)值模擬的關鍵。

(a) 流速

(b) TN

(c) TP

2.3 漢豐湖調度模擬方案

根據(jù)SL395—2007《地表水資源質量評價技術規(guī)程》[12]，地表水體在TN、TP質量濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L時達到中度富營養(yǎng)，因此本文設計漢豐湖庫區(qū)中水質指標TN、TP初始質量濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L，上游各邊界設計入流水質指標TN、TP質量濃度根據(jù)2014年水質監(jiān)測結果，分別設定為0.73 mg/L與0.03 mg/L，結合MIKE21水動力模型的計算，設計7種調度方案。表1列出了一次調度過程中7種調度方案對應的不同流量、歷時。其中方案1以起始水位168.5 m(漢豐湖正常蓄水位)運行24 h，開閘以100 m3/s流量下泄75 h到165.5 m水位(完成一次泄水之后的水位)，以2014年平均來水流量116 m3/s補水64 h至168.5 m水位(完成一次蓄水之后的水位)；重復上述過程3次，最后以168.5 m水位持續(xù)運行。方案2到方案7分別以500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m3/s的下泄流量完成同方案1的過程。各方案一次調度過程中的預設計水位見圖4。

表1 7種調度方案對應的水位、流量和時間

圖4 7種調度方案預設水位

圖5 7種調度方案高于0.2 m/s流速的面積分布

2.4 邊界設置

對流擴散模塊中，共有5個邊界條件：設置南河入口處流量為33 m3/s，東河入口處流量為43 m3/s，桃溪河入口處流量為33 m3/s，頭道河入口處流量為8 m3/s，各邊界入流水質指標TN、TP質量濃度根據(jù)全年最小質量濃度分別設置為0.73 mg/L和0.03 mg/L。出口為漢豐湖調節(jié)壩，分別以各方案的預設計水位作為邊界。

3 結果與討論

3.1 流速模擬結果

國外有研究指出，水體中的水動力條件流速[13-14]、流量[15]等與藻類的生長繁殖有著密切的關系，它們不僅能直接作用于藻類，還對水體中營養(yǎng)鹽狀況與水溫層結構有明顯的影響，從而間接作用于水體引起富營養(yǎng)化。“十一五”期間“基于人工水力調控的小江藻類生長原位試驗”表明，不同的水動力條件對于藻類生長具有不同程度的抑制作用，并確定將0.2 m/s的流速作為控制小江流域藻類生長的條件。根據(jù)本文設計的7個方案模擬結果，得到整個庫區(qū)高于0.2 m/s流速的面積分布(圖5)。由圖5知，方案1～7高流速控制面積隨著下泄流量的增大而擴大。在完成第一次泄水之后，方案1情形下0.2 m/s的流速僅在漢豐湖支流東河、南河有較多分布，方案2情形下0.2 m/s的流速開始在調節(jié)壩有較少分布，方案3情形下庫區(qū)中只有零星分布的流速高于0.2 m/s，當下泄流量達到1 500 m3/s(方案4)時，漢豐湖庫區(qū)中0.2 m/s流速有較為明顯的分布，相較于2 000 m3/s(方案5)下泄流量時分布較為分散，當下泄流量超過2 000 m3/s(方案6、7)以上，0.2 m/s的流速分布自東河與南河交匯處一直延伸到調節(jié)壩，控制面積越來越大，控制區(qū)域也漸漸由庫區(qū)的主槽延伸至灘地。因此，從提取的流速模擬結果可見，方案1與2僅有利于控制漢豐湖支流的富營養(yǎng)化狀況，由于水流在較短時間內(nèi)不能進入庫區(qū)，因而對庫區(qū)中水動力條件改善效果不明顯；方案3、4能夠緩解漢豐湖支流以及調節(jié)壩因水流緩慢而造成的水體富營養(yǎng)化；大流量調度方案5～7產(chǎn)生的水動力條件可以有效抑制漢豐湖庫區(qū)中藻類大量繁殖，有助于控制因水動力條件較差而引發(fā)的水體富營養(yǎng)化。

3.2 TN、TP模擬結果

調節(jié)壩作為漢豐湖庫尾，其營養(yǎng)鹽濃度變化對于整個庫區(qū)具有指示意義，且模型運行18 d后基本穩(wěn)定，因此分別提取7種調度方案下模擬18 d后漢豐湖調節(jié)壩斷面的TN、TP質量濃度變化曲線(圖6)。對比模擬結果發(fā)現(xiàn)，各方案在調節(jié)壩斷面的TN、TP質量濃度變化趨勢基本一致。漢豐湖庫區(qū)中TN、TP初始質量濃度分別為2.0 mg/L和0.2 mg/L，模型運行7 d后，方案5～7調節(jié)壩斷面TN、TP質量濃度分別低于上游邊界入流中TN、TP的設計質量濃度(0.73 mg/L、0.03 mg/L)，方案1～4該斷面TN、TP質量濃度降低到入流設計質量濃度則需要運行8 d。

(a) TN

(b) TP

圖7 7種調度方案第1、5、8天TN質量濃度空間分布

由圖6可見，第1～3天各方案濃度均呈現(xiàn)線性降低趨勢，分析得知，這是由于上游來水尚未達到調節(jié)壩，水動力條件較差，營養(yǎng)鹽濃度降低主要依靠水體自凈能力；第3～8天TN、TP濃度因不同下泄流量引起水動力條件變化開始出現(xiàn)波動，第5天波動最大，差異比較明顯；當運行8 d后水動力條件又開始減弱，TN、TP濃度變化趨緩，且與上游來水設計濃度接近，模型運行趨于穩(wěn)定。依據(jù)模擬結果提取了第1、5、8天 TN、TP空間分布(圖7與圖8)。經(jīng)過1 d的泄水蓄水，7種調度方案TN、TP降低都只在東河與南河較為明顯，而漢豐湖庫區(qū)內(nèi)及調節(jié)壩斷面TN、TP基本未變，可見若要通過水量調度降低漢豐湖庫區(qū)中TN、TP濃度，1 d的調度時間明顯不夠；當泄水蓄水過程持續(xù)到第5天時，7種調度方案隨著下泄流量的增大，漢豐湖支流東河、南河、桃溪河、頭道河以及東河與南河交匯處的TN、TP濃度均降低到上游來水中TN、TP的設計濃度，同時庫區(qū)內(nèi)TN、TP濃度也明顯降低，但是從庫中到調節(jié)壩TN、TP濃度依然很高，此時壩前TN、TP質量濃度分別為1.3 mg/L和0.85 mg/L。當經(jīng)過8 d的調度后，漢豐湖各支流、庫區(qū)內(nèi)以及調節(jié)壩的TN、TP濃度都降到預設濃度以下，與上游來水中TN、TP的設計濃度接近?？梢娎脻h豐湖調節(jié)壩進行水量調度降低營養(yǎng)鹽濃度，控制水體富營養(yǎng)化的發(fā)生不僅與調度水量大小有關，調度時間也是影響水質改善效果的主要因素。

圖8 7種調度方案第1、5、8天TP質量濃度空間分布

3.3 討 論

通過模擬漢豐湖流速和TN、TP濃度變化，探索能夠降低庫區(qū)中營養(yǎng)鹽濃度、控制水體富營養(yǎng)化的適宜水動力條件，并分析相應條件對于抑制藻類生長、降低營養(yǎng)鹽濃度和防止水體富營養(yǎng)化暴發(fā)的作用。流速面積分布表明，在方案5～7(>2 000 m3/s)下，高于0.2 m/s流速的分布面積較方案1～4(100～2 000 m3/s)大，抑制藻類生長的水動力條件較好。營養(yǎng)鹽濃度的時空變化結果表明，7種方案均能在一定的時間內(nèi)降低漢豐湖庫區(qū)水體中TN、TP濃度。通過選取斷面進行差異比較得出，與方案1～4相比，方案5～7能在較短的時間內(nèi)降低TN、TP濃度，說明增大流量可以增加漢豐湖水體中污染物的遷移擴散速度。因此，控制漢豐湖水體富營養(yǎng)化發(fā)生的適宜水動力條件需要同時考慮流量、流速和時間等因素。

當漢豐湖調度水量低于2 000 m3/s時，高于0.2 m/s 的流速多分布在各支流，庫區(qū)分布較少；當調度水量達到2 000 m3/s以上時，庫區(qū)內(nèi)流速顯著增大，高于0.2 m/s的流速分布范圍基本覆蓋漢豐湖的主槽區(qū)域，下泄流量的增大，能夠在較短時間內(nèi)有效增大庫區(qū)中高于0.2 m/s流速的分布面積。在天然河流中，即使其營養(yǎng)條件已達富營養(yǎng)化狀態(tài)，若有一定的水流運動(> 0.2 m/s)，也很少出現(xiàn)水華暴發(fā)，因為較高的流速會形成較大的剪應力與切變速率，從而破壞藻類細胞的結構，抑制藻類增殖。但也有研究[16]指出，小于 0.40 m/s的流速反而有利于藻類的生長與水華暴發(fā)，認為水動力條件(流量、流速以及水體擾動強度)不是影響水體富營養(yǎng)化的唯一因素，光照、透明度、營養(yǎng)鹽濃度、水溫和pH等可能與水動力條件相互作用、相互影響，導致在不同的流域抑制藻類生長的流速存在明顯差異。本研究中2 000 m3/s以上的流量、可使藻類細胞結構破壞的流速(>0.2 m/s)在漢豐湖這種河流型湖泊整個庫區(qū)中呈大面積的分布。

對比調節(jié)壩斷面TN、TP濃度變化曲線可見，與低于2 000 m3/s流量的方案1～4相比，2 000 m3/s以上的流量能夠在較短時間內(nèi)降低營養(yǎng)鹽濃度，其主要原因在于流量對水體有稀釋作用，隨著漢豐湖調度下泄流量的增大，減少水體滯留時間，加強了水體中營養(yǎng)鹽相互交換，從而降低了庫區(qū)水體中TN、TP的濃度。張秀菊等[17]在分析不同引水方案對新江海河各斷面COD和NH3-N濃度變化的影響中也認為，大流量的引水方案更有利于增強水動力條件，改善水質，戴甦等[9]在引江濟太水質水量聯(lián)合調度研究中亦有此結論。從時間的角度觀察各方案下TN、TP空間分布不難發(fā)現(xiàn)，僅僅考慮調度水量大小對于降低營養(yǎng)鹽濃度的影響過于片面。陳志和等[18]對河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境引水調控研究結果表明，在枯水期引水調控36 h、汛期引水調控12 h后，中山市河能達到水功能區(qū)的水質目標，因此以實現(xiàn)漢豐湖水質改善為目的的水量調度需同時考慮時間的影響。

綜合以上分析，以控制漢豐湖水體富營養(yǎng)化的發(fā)生為目的的調節(jié)壩水量調度，需創(chuàng)造有利于緩解或消除水體富營養(yǎng)的水動力條件，即從流速的角度考慮抑制藻類,從調度流量、時間的角度考慮降低TN、TP濃度。當庫區(qū)中由于營養(yǎng)物質含量過高導致藻類劇烈生長繁殖暴發(fā)水華時，可利用漢豐湖調節(jié)壩的調度功能，將下泄流量控制在2 000 m3/s以上，達到破壞藻類細胞結構的流速，并利用往復泄水蓄水的水量調度方式運行一定的時間，降低整個庫區(qū)中營養(yǎng)鹽濃度，從而在一定程度上緩解因水動力條件差和營養(yǎng)鹽濃度較高造成的富營養(yǎng)化問題。

4 結 論

a. 利用MIKE21建立的漢豐湖二維水動力水質模型， 經(jīng)過率定和驗證在一定程度上較真實地反映了漢豐湖水動力和水質變化情況。

b. 大流量(>2 000 m3/s)的調度方案有利于改善漢豐湖水動力條件，增大抑制藻類的流速(≥0.2 m/s)分布面積，可有效降低營養(yǎng)鹽濃度，防止?jié)h豐湖水體富營養(yǎng)化發(fā)生。

[1]黃祺，何丙輝，趙秀蘭,等.三峽蓄水期間漢豐湖消落區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)時間變化[J].環(huán)境科學，2015,36(3):928-935.(HUANG Qi，HE Binghui，ZHAO Xiulan，et al.Temporal variation of trophic status in drawdown area of Hanfeng Lake in the storage period of Three Gorges Reservoir in China[J].Environmental Science，2015,36(3):928-935.(in Chinese))

[2]鄭志偉，胡蓮，鄒曦,等.漢豐湖富營養(yǎng)化綜合評價與水環(huán)境容量分析[J].水生態(tài)學雜志，2014,35(5):22-27.(ZHENG Zhiwei，HU Lian，ZOU Xi，et al.Eutrophication assessment and analysis of nutrient loading in Hanfeng Lake[J].Journal of Hydroecology，2014,35(5):22-27.(in Chinese))

[3]王宇飛，趙秀蘭，何丙輝,等.漢豐湖夏季浮游植物群落與環(huán)境因子的典范對應分析[J].環(huán)境科學，2015,36(3):922-927.(WANG Yufei,ZHAO Xiulan，HE Binghui，et al.Canonical correspondence analysis of summer phytoplankton community and its environment factors in Hanfeng Lake[J].Environmental Science，2015，36(3):922-927.(in Chinese))

[4]朱蘇葛,劉凌,羅娟，等.里下河地區(qū)典型湖泊大型底棲動物與環(huán)境因子的相關性分析[J].水資源保護，2016,32(3):99-104.(ZHU Suge,LIU Ling,LUO Juan，et al.Correlation analysis between macrozoobenthos and environmental factors in lakes of Lixia River Area[J].Water Resources Protection，2016,32(3):99-104.(in Chinese))

[5]張虎，徐學軍，代濤.MIKE21 FM在引江濟巢工程規(guī)劃中的應用[J].水電能源科學，2016(9):103-106.(ZHANG Hu，XU Xuejun，DAI Tao.Application of MIKE21 FM in water diversion project from Yangtze River to Chaohu Lake[J].Water Resource and Power，2016(9):103-106.(in Chinese))

[6]余成，任憲友，班璇,等.二維水質模型在武漢東湖引水工程中的應用[J].湖泊科學，2012，24(1):43-50.(YU Cheng，REN Xianyou，BAN Xuan，et al.Application of two-dimension water quality model in the project of the water diversion in East Lake，Wuhan[J].Journal of Lake Sciences，2012，24(1):43-50.(in Chinese))

[7]王哲，劉凌，宋蘭蘭.MIKE21在人工湖生態(tài)設計中的應用[J].水電能源科學，2008,26(5):124-127.(WANG Zhe，LIU Ling，SONG Lanlan.Application of Mike 21 in ecological design of artificial lake[J].Water Resource and Power，2008,26(5):124-127.(in Chinese))

[8]龔春生，姚琪，趙棣華,等.淺水湖泊平面二維水流-水質-底泥污染模型研究[J].水科學進展，2006，17(4):496-501.(GONG Chunsheng，YAO Qi，ZHAO Dihua，et al.Plane 2D flow-water quality-sediment pollution couple model in shallow lake[J].Advances in Water Science，2006，17(4):496-501.(in Chinese))

[9]戴甦，王船海，金科.引江濟太水量水質聯(lián)合調度研究[J].中國水利，2008(1):15-17.(DAI Su，WANG Chuanhai，JIN Ke.Studies on joint regulation of quantity and quality of Yangtze-Taihu Water Diversion[J].China Water Resource，2008(1):15-17.(in Chinese))

[10]廖平安，胡秀琳.流速對藻類生長影響的試驗研究[J].北京水利，2005(2):12-14.(LIAO Ping’an，HU Xiulin.Experimental study on the effect of flow velocity on algal growth[J].Beijing Water Resource，2005(2):12-14.(in Chinese))

[11]張靖，拾兵，薛旖云.糙率變化對明渠水深影響的探討[J].人民黃河，2012，34(9):121-123.(ZHANG Jing，SHI Bing，XUE Yiyun.Discussions on influence of roughness variation to the open channel flows[J].Yellow River，2012，34(9):121-123.(in Chinese))

[12]中華人民共和國水利部.SL395--2007地表水資源質量評價技術規(guī)程[S]．北京：中國標準出版社，2007．

[13]MARSHALL H G，BURCHARDT L.Phytoplankton composition within the tidal freshwater region of the James River，Virginia[J].Proceedings of the Biological Society of Washington，1998(111):720-730.

[14]HA K，CHO E A，KIM H W，et al.Microcystis bloom formation in the lower Nakdong River，South Korea:importance of hydrodynamics and nutrient loading[J].Marine & Freshwater Research，1999，50(1):89-94.

[15]LUNG W S，PAERL H W.Modeling blue-green algal blooms in the lower neuse river[J].Water Research，1988，22(7):895-905.

[16]黃鈺鈴，劉德富，陳明曦.不同流速下水華生消的模擬[J].應用生態(tài)學報，2008，19(10):2293-2298.(HUANG Yuling，LIU Defu，CHEN Mingxi.Simulation of algae bloom under different flow velocity[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2008，19(10):2293-2298.(in Chinese))

[17]張秀菊，丁凱森，楊凱.新江海河河網(wǎng)地區(qū)水量水質聯(lián)合調度模擬及引水方案[J].水電能源科學，2017，35(1):31-34.(ZHANG Xiuju，DING Kaisen，YANG Kai.Water quantity-quality joint regulation model and water diversion scheme in Xinjianghaihe River network region[J].Water Resource and Power，2017，35(1):31-34.(in Chinese))

[18]陳志和，陳曉宏，杜建,等.河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境引水調控及其效果預測[J].水資源保護，2012，28(3):16-21.(CHEN Zhihe，CHEN Xiaohong，DU Jian，et al.Water divesion and regulation of water environment and effect forecast in river network region[J].Water Resources Protection，2012，28(3):16-21.(in Chinese))