基于水質(zhì)改善的湖泊引調(diào)水?dāng)?shù)值模擬研究
——以武漢市金銀湖為例

瞿春梅，喬書娜，劉伯娟，鄒朝望

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，武漢 430064）

湖泊是重要的自然資源，是人類賴以生存的水資源，為人類的生存和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的急劇增加和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，湖泊正面臨著湖泊淤積與占用日益嚴(yán)重、調(diào)蓄能力下降，防洪抗旱能力薄弱、湖泊污染與富營養(yǎng)化不斷加重、湖泊與江河水力聯(lián)系阻隔、生態(tài)功能退化、湖泊供用水需求矛盾日益加劇等嚴(yán)峻問題[1-5]。城市湖泊是一個(gè)城市的重要組成部分，具有洪澇調(diào)蓄、景觀娛樂、維持生物多樣性和調(diào)節(jié)氣候等功能，是城市歷史文化的載體，是城市的靈氣和生態(tài)環(huán)境所在[6]。隨著工業(yè)化、城市化的發(fā)展，城市湖泊的水環(huán)境狀況不斷惡化。

金銀湖位于東西湖區(qū)偏東北部，漢口西北隅。金銀湖水系包括7片水域，即金銀湖、上金湖、下金湖、上銀湖、下銀湖、東銀湖、墨水湖，加上沿岸綠化帶，約11.7 km2，其中水域7.24 km2，約占東西湖區(qū)湖泊總面積的54%，是武漢西郊最大的生態(tài)湖泊。目前，金銀湖地區(qū)水系破碎、湖泊之間相互阻隔與孤立，大部分水域水質(zhì)較差。因此必須實(shí)施金銀湖水系連通，重建江湖水力聯(lián)系，通過生態(tài)調(diào)水加快湖泊水體交換和循環(huán)，改善趨于惡化的湖泊水質(zhì)，以利于湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，構(gòu)建生態(tài)功能完善穩(wěn)定的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外普遍采用數(shù)值模擬手段來研究湖泊水環(huán)境問題。其中，MIKE 模型已被廣泛應(yīng)用，賈瑞鵬等[7]利用MIKE21 對萬寶湖的水動(dòng)力條件變化特征及其對于水環(huán)境中各種污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的影響進(jìn)行模擬研究；余成等[8]對武漢東湖建立了水質(zhì)模型，對相關(guān)引水工程進(jìn)行研究；王哲等[9]應(yīng)用MIKE21軟件模擬了金倉湖流場并對金倉湖水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測與分析；郭鵬程等[10]利用MIKE21 對人工生態(tài)湖泊的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。MIKE 數(shù)值模擬的科學(xué)性已得到世界公認(rèn)。本研究運(yùn)用MIKE21模型對金銀湖進(jìn)行引調(diào)水?dāng)?shù)值模擬研究，分析不同引水流量對湖泊水質(zhì)的影響，以期為金銀湖生態(tài)保護(hù)及水環(huán)境綜合治理工程提供技術(shù)支持。

1 金銀湖水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

東西湖區(qū)由于緊靠漢口，在漢口地區(qū)用地緊張的情況下，其地緣優(yōu)勢帶來高速發(fā)展?jié)摿Α］爡^(qū)內(nèi)城市化和工業(yè)化發(fā)展的突飛猛進(jìn)以及人口的增長，給金銀湖片區(qū)造成了前所未有的水環(huán)境壓力。同時(shí)河湖動(dòng)態(tài)水網(wǎng)特點(diǎn)沒有充分發(fā)揮，水生動(dòng)植物逐年減少，“半年水景、半年灘”的現(xiàn)象逐年嚴(yán)重。2011—2016 年金銀湖水系各湖泊水質(zhì)情況見表1。

表1 2011—2016年金銀湖水系各湖泊水質(zhì)類別表Tab.1 Water quality of Jinyin Lake water system between 2011 and 2016

2 水環(huán)境治理現(xiàn)狀

2007 年4 月，《武漢市金銀湖水環(huán)境與生態(tài)綜合治理工程總體策劃方案》編制完成，提出以截污工程、金銀湖湖床綜合整治工程、金銀湖水體生態(tài)修復(fù)工程、引江濟(jì)湖及動(dòng)態(tài)水網(wǎng)建設(shè)工程等為核心的金銀湖綜合整治方案。同年東西湖區(qū)政府組織相關(guān)單位完成了《金銀湖生態(tài)保護(hù)及水環(huán)境綜合治理工程可行性研究報(bào)告》及相關(guān)設(shè)計(jì)工作。其中引江濟(jì)湖及動(dòng)態(tài)水網(wǎng)建設(shè)工程擬定的引水線路為：淪河→46 km 引水閘→46 km 引水港→107國道溝（北段）→總干溝→徑河→金銀湖→塔爾頭閘站、李家墩閘站→府河。為促進(jìn)引江濟(jì)湖及動(dòng)態(tài)水網(wǎng)建設(shè)工程的實(shí)施，2014年6月編制完成《金銀湖水系連通工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，側(cè)重于金銀湖水系內(nèi)各子湖的連通調(diào)度。目前，《湖北省一江三河水系連通工程規(guī)劃》正在編制中，根據(jù)該規(guī)劃，從漢江引水對漢北河、天門河、府澴河沿線河湖進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，在淪河46 km閘通過上述引水線路引水至金銀湖。

基于金銀湖水質(zhì)改善目標(biāo)，根據(jù)《湖北省一江三河水系連通工程規(guī)劃》，對金銀湖引水流量、引水過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，建立水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，分析不同引水流量對湖泊水質(zhì)的影響，為金銀湖生態(tài)保護(hù)及水環(huán)境綜合治理工程提供技術(shù)支持。

3 金銀湖引調(diào)水?dāng)?shù)值模擬研究

3.1 金銀湖入湖污染負(fù)荷分析

金銀湖水系入湖污染物可分為點(diǎn)污染源、面污染源以及內(nèi)污染源。點(diǎn)源污染主要為工礦企業(yè)廢水排放，現(xiàn)狀根據(jù)入河排污口排污情況統(tǒng)計(jì)計(jì)算；截污控污后，根據(jù)《武漢市東西湖區(qū)水環(huán)境綜合治理與保護(hù)規(guī)劃》，至2020年金銀湖流域范圍內(nèi)的工礦企業(yè)廢水全部收集到污水處理廠，不再排入金銀湖，故點(diǎn)源為0。面源污染負(fù)荷根據(jù)《全國水資源綜合規(guī)劃地表水水質(zhì)評價(jià)及污染物排放量調(diào)查估算工作補(bǔ)充技術(shù)細(xì)則》估算；同時(shí)，根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、流域綜合規(guī)劃、水污染防治規(guī)劃等上位規(guī)劃，結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)目標(biāo)，提出實(shí)施生態(tài)溝渠建設(shè)、水土涵養(yǎng)工程、海綿城市建設(shè)等面源污染治理措施并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)對截污控污后面源污染物情況進(jìn)行預(yù)測。內(nèi)源污染主要為底泥釋放，本次參照國內(nèi)其他湖泊底泥釋放的研究成果，結(jié)合水質(zhì)現(xiàn)狀情況，確定湖泊底泥釋放速率，根據(jù)底泥釋放速率，計(jì)算湖泊底泥釋放產(chǎn)生的污染物量；同時(shí)，考慮到對城市湖泊進(jìn)行清淤，限制條件多、影響范圍較大、影響因素較多，容易造成二次污染，因此，本次未對金銀湖實(shí)施清淤工程，內(nèi)源污染維持不變。

根據(jù)《湖北省一江三河水系連通工程規(guī)劃》入河（湖）污染物分析，復(fù)核金銀湖水系入湖污染負(fù)荷，得到金銀湖水系入湖污染物量見表2。

表2 金銀湖主要污染物入湖量Tab.2 Amount of main pollutants into Jinyin lake 單位：t/a

3.2 引水線路

根據(jù)《湖北省一江三河水系連通工程規(guī)劃》，從漢江羅漢寺閘引水，通過漢北河、天門河在淪河46 km閘處引水至金銀湖，引水線路見圖1。

圖1 金銀湖引水線路Fig.1 Water diversion route of the Jinyin lake

3.3 引調(diào)水?dāng)?shù)值模擬

3.3.1 典型年選取

根據(jù)一江三河地區(qū)各水文站長系列水文資料，綜合考慮地區(qū)來水、供水、退水等情況，采用經(jīng)驗(yàn)頻率法排頻確定90%保證率的枯水年為1986年，以該枯水年設(shè)計(jì)流量作為金銀湖水環(huán)境需水的設(shè)計(jì)水文條件，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型模擬分析1986 年1月1日至12月31日金銀湖的水動(dòng)力水質(zhì)變化過程。

3.3.2 模型構(gòu)建

3.3.2.1 湖泊水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

金銀湖水動(dòng)力及水質(zhì)模型均采用描述淺水型湖泊水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型。

3.3.2.2 計(jì)算網(wǎng)格與模型配置

（1）水下地形與計(jì)算網(wǎng)格

根據(jù)金銀湖測量地形資料，按照北京1954 3 Degree GK CM 114E投影生成適用于復(fù)雜邊界的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格三角形最小允許角度為26°，節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量為100 000。金銀湖水下地形及計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 金銀湖水下地形及計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 The bottom topography and calculation grid of the Jinyin lake

（2）邊界條件

①降雨蒸發(fā)

金銀湖降雨量與蒸發(fā)量采用所在流域水文站實(shí)測結(jié)果。蒸發(fā)量通過蒸發(fā)皿與大水面的換算系數(shù)計(jì)算，湖泊降雨和蒸發(fā)情況詳見表3。

表3 金銀湖氣象數(shù)據(jù)Tab.3 Meteorological data of Jinyin lake

②徑流

金銀湖采用的徑流數(shù)值見表4。

表4 金銀湖逐月徑流量Tab.4 Monthly runoff of the Jinyin lake

③風(fēng)場

風(fēng)速和風(fēng)向采用區(qū)域多年的月平均風(fēng)速與風(fēng)向，詳見表5。

表5 金銀湖月平均風(fēng)速與風(fēng)向Tab.5 Monthly average wind speed and direction in Jinyin lake

④初始水質(zhì)

本次模擬從1月開始，處于非汛期。故本次采用金銀湖非汛期實(shí)測水質(zhì)作為本次設(shè)計(jì)代表年現(xiàn)狀污染負(fù)荷下金銀湖水質(zhì)模擬的初始水質(zhì)，COD 為29.6 mg/L，TN為0.95 mg/L，TP為0.27 mg/L。

⑤污染負(fù)荷

現(xiàn)狀及截污控污后入湖污染負(fù)荷情況見3.1節(jié)。其中，點(diǎn)源污染根據(jù)工礦企業(yè)分布情況和金銀湖地區(qū)城市管網(wǎng)布局，概化為3個(gè)排污口集中連續(xù)排入湖泊，面源污染負(fù)荷則根據(jù)湖泊匯水分區(qū)，隨降雨徑流通過10個(gè)不同的匯水口進(jìn)入湖泊。模型中點(diǎn)源和面源概化排污口的位置分布情況見圖3，入湖污染物量見表6。

圖3 污染源分布圖Fig.3 Distribution of pollution sources

表6 各概化排污口主要污染物入湖量Tab.6 The amount of main Pollutants of outlets 單位：t/a

⑥模型參數(shù)

由于金銀湖缺乏系列年份徑流、水質(zhì)等實(shí)測數(shù)據(jù)，衰減系數(shù)難以通過模型率定。結(jié)合《湖北省重要湖泊納污能力分析》成果，確定本次TN 綜合衰減系數(shù)為0.025（1/d）、TP 為0.02（1/d）、COD為0.02（1/d）。

⑦初始水位與流速

金銀湖初始水位設(shè)置為常水位18.5 m（黃海）；初始流速均設(shè)為0，即采用冷啟動(dòng)方式。

3.3.3 典型年水質(zhì)模擬分析

（1）模擬工況

本次選取TP、TN、COD作為金銀湖模擬的指標(biāo)。

工況一：現(xiàn)狀工況

模擬金銀湖在現(xiàn)狀污染控制水平下遭遇90%保證率典型年1986年水文條件時(shí)水質(zhì)的變化過程。

工況二：截污控污工況

模擬金銀湖在設(shè)計(jì)水平年污染控制水平下遭遇典型年1986年水文條件時(shí)水質(zhì)的變化過程。

（2）模擬結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)狀污染負(fù)荷和截污控污后的污染負(fù)荷，分別對上述兩種工況的TP、TN、COD 進(jìn)行模擬計(jì)算，并根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算出每個(gè)時(shí)間步長下TP、TN、COD 的全湖平均值，以該平均值的變化代表金銀湖的水質(zhì)變化，得到金銀湖在兩種工況下的水質(zhì)變化過程，如圖4所示。

圖4 金銀湖典型年水質(zhì)變化Fig.4 Variation of water quality of Jinyin lake in typical year

由圖可知，工況二在實(shí)施截污控污工程后，入湖污染負(fù)荷減少，與工況一相比，金銀湖水質(zhì)有較大改善，表明污染控制工程對金銀湖水環(huán)境的改善發(fā)揮了較好的作用。由圖也可知，金銀湖在實(shí)施污染控制工程后，TP 部分時(shí)段超過Ⅳ類（0.1mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足金銀湖水功能區(qū)Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)要求，迫切需要實(shí)施引水工程進(jìn)一步改善湖泊水質(zhì)。

3.3.4 引水方案與規(guī)模分析

為分析不同的引水規(guī)模對金銀湖水質(zhì)的改善效果，本次計(jì)算擬定了三種引水規(guī)模，并對不同的引水規(guī)模進(jìn)行了水質(zhì)變化規(guī)律的數(shù)值模擬計(jì)算。本次擬定超過四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限（TP：0.1mg/L，TN：1.5mg/L，COD：30mg/L）時(shí)，起動(dòng)引水調(diào)度，從而確定金銀湖引水時(shí)間為6 月11 日至7 月10 日、9月11日至9月30日。

（1）水動(dòng)力邊界條件

水動(dòng)力邊界條件同3.3.2節(jié)。

（2）水質(zhì)邊界條件

①入湖水質(zhì)

根據(jù)《湖北省一江三河水系連通工程規(guī)劃》骨干河道水量水質(zhì)模擬結(jié)果，骨干河道在金銀湖補(bǔ)水期的入湖水質(zhì)TP為0.15 mg/L，COD為8.28 mg/L。同時(shí)，經(jīng)過對漢江水質(zhì)監(jiān)測資料的綜合分析，確定漢江在補(bǔ)水期的本底水質(zhì)TN為1 mg/L。

本研究參照《大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建水網(wǎng)連通工程（近期）可行性研究報(bào)告》，在引水閘后設(shè)置絮凝沉淀池，對入湖水質(zhì)進(jìn)行凈化。根據(jù)《幾種常見絮凝劑在“大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建工程”——引水工程中絮凝處理試驗(yàn)研究》結(jié)果，綜合考慮混凝沉淀效果及經(jīng)濟(jì)因素，推薦凈化后的入湖水質(zhì)TP為0.05 mg/L，且經(jīng)絮凝沉淀除磷的同時(shí)，可同步去除COD 和TN，去除率分別約為30%和25%。因此，金銀湖入湖水質(zhì)TP為0.05 mg/L，TN為0.75 mg/L，COD為5.80 mg/L。

②初始水質(zhì)

引水工況初始水質(zhì)為金銀湖非汛期實(shí)測水質(zhì)在截污控污的污染負(fù)荷下模擬計(jì)算后的年末水質(zhì)。

（3）引水方案

本次擬定三個(gè)引水方案進(jìn)行模擬，以1986 年（枯水年）為代表年，方案一補(bǔ)水5 m3/s，方案二補(bǔ)水10 m3/s，方案三補(bǔ)水15 m3/s，補(bǔ)水入湖水質(zhì)中TP為0.05 mg/L，TN為0.75 mg/L，COD為5.80 mg/L。

（4）引水效果分析

對三種引水方案下金銀湖各水質(zhì)指標(biāo)TP、TN、COD 的變化過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到金銀湖在上述三種引水流量下水質(zhì)隨時(shí)間的變化過程以及濃度場的變化，如圖5至圖10所示。由圖可知，在污染控制基礎(chǔ)上增加引水措施，可以加速水體的流動(dòng)，進(jìn)一步改善湖泊水質(zhì)，隨著引水流量的增大，不同引水流量對湖泊的改善效果逐步增加。

圖5 金銀湖不同引水流量TP變化過程Fig.5 Variation of TP concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

圖6 金銀湖不同引水流量TN變化過程Fig.6 Variation of TN concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

圖7 金銀湖不同引水流量COD變化過程Fig.7 Variation of COD concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

圖8 金銀湖不同引水流量TP濃度場變化Fig.8 Variation of TP concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

圖9 金銀湖不同引水流量TN濃度場變化Fig.9 Variation of TN concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

圖10 金銀湖不同引水流量COD濃度場變化Fig.10 Variation of COD concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

對金銀湖逐日TP、TN、COD 平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到相對于工況二水質(zhì)的改善效果，如表7所示。由表可知，隨著引水流量的加大，湖泊各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的改善程度均不斷增大，當(dāng)引水流量為5 m3/s 時(shí)，TP、TN、COD 水質(zhì)改善效果分別為13.82%、9.45%、12.06%；當(dāng)引水流量為10 m3/s時(shí)，水質(zhì)改善效果分別為20.63%、14.21%、18.27%；當(dāng)引水流量為15 m3/s 時(shí)，水質(zhì)改善效果分別為24.95%、17.43%、22.28%。由表7 可知，隨著引水流量的加大，水質(zhì)改善效果的增幅率均呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)引水流量由5 m3/s 增加到10 m3/s時(shí)，TP、TN、COD 改善效果增幅率分別為49.24%、50.44%、51.45%；當(dāng)引水流量由10 m3/s再增加到15 m3/s時(shí)，TP、TN、COD改善效果增幅率分別為20.95%、22.62%、21.96%。

表7 金銀湖三種引水流量水質(zhì)改善效果Tab.7 Effects of water quality improvment under three water diversion discharge of Jinyin lake

由圖5、圖6、圖7可知，當(dāng)引水流量為5 m3/s時(shí)，金銀湖TP 少數(shù)時(shí)段不能達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)，當(dāng)引水流量為10 m3/s時(shí)，TP、TN、COD全年均能達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且水質(zhì)改善增幅率最大，故推薦金銀湖引水流量為10 m3/s。通過以上分析，確定金銀湖引水時(shí)段為6月11日至7月10日、9月11日至9月30日，引水流量為10 m3/s。

4 結(jié)論與建議

本研究對金銀湖不同引水流量（5、10、15 m3/s）開展了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，隨著引水流量的增加，金銀湖水質(zhì)指標(biāo)的改善程度也不斷增加，但是改善的增幅率呈現(xiàn)下降趨勢。本研究按照金銀湖達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)控制，綜合考慮水質(zhì)改善效果增幅率，推薦金銀湖引水流量為10 m3/s。

生態(tài)引水調(diào)度是湖泊水環(huán)境綜合整治的有效措施之一，為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)開辟了一個(gè)新的研究視角。但其效益的發(fā)揮受諸多因素影響，調(diào)水線路周邊區(qū)域污水收集系統(tǒng)配套不完善、引水溝渠自身污染較嚴(yán)重等原因都會導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)的外江水源在調(diào)水途中受到污染，在最終注入湖泊時(shí)水質(zhì)有所下降，致使水體交換不能發(fā)揮最大效果。因此，在引水前，建議對金銀湖周邊區(qū)域進(jìn)行全面控污截污，并對污染嚴(yán)重的溝渠進(jìn)行清淤，以保證清水入湖。