引調(diào)水改善玄武湖水質(zhì)的水量?jī)?yōu)化方法

逄 敏，宋為威，錢 程

(1.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 深圳 518001； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

我國(guó)是一個(gè)多湖泊國(guó)家，湖泊在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著供水、灌溉及防洪等功能，但是由于我國(guó)城市化發(fā)展使得大中城市的農(nóng)業(yè)逐步減少，三產(chǎn)逐步增加，部分湖泊的功能從供水型轉(zhuǎn)向過(guò)水型。尤其是城市內(nèi)湖，大量的生活污水由于市政污水管網(wǎng)建設(shè)的滯后使得部分城市內(nèi)湖污染嚴(yán)重。調(diào)水引流是城市湖泊水生態(tài)修復(fù)的一項(xiàng)常態(tài)化工程，也是重污染負(fù)荷、自凈能力差的淺水型湖泊水量水質(zhì)改善的有效方法。目前全世界廣泛實(shí)施調(diào)水工程，美國(guó)東水西調(diào)保障了加州等西部地區(qū)的工業(yè)用水和生活用水[1]；澳大利亞的雪山調(diào)水工程樞紐改善了內(nèi)陸干旱缺水的狀況[2]；埃及西水東送跨越亞非兩洲緩解了糧食短缺問(wèn)題[2]；秘魯東水西調(diào)保障了東部沙漠地區(qū)水資源短缺問(wèn)題[3]；俄羅斯伏爾加河運(yùn)河為首都提供穩(wěn)定的水源，縮短了航運(yùn)距離[4]。中國(guó)的人口分布和地理差異使得我國(guó)因地制宜地實(shí)施了大量的調(diào)水工程，著名的有南水北調(diào)、引江濟(jì)太、引哈濟(jì)黨及東深引水等。調(diào)水工程的實(shí)施，有效緩解了水資源分配不均與水生態(tài)環(huán)境惡化的緊張局勢(shì)。

目前，我國(guó)大部分湖泊的水體污染均與人類影響下的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入有關(guān)，如太湖[5-6]、鄱陽(yáng)湖[7]、洞庭湖[8]、陽(yáng)澄湖[9]、滇池[10]等。大型淺水湖泊的污染源主要來(lái)自湖泊流域內(nèi)未接入管網(wǎng)的生活污水引起的面源污染，太湖、巢湖、滇池的面源污染總氮分別占77%、53%、69.5%[11-13]。污染物的入湖可能會(huì)引起湖泊水質(zhì)惡化和污染物底泥沉積[14]，也可能因?yàn)楹吹淖詢裟芰?qiáng)使得出湖水質(zhì)優(yōu)于入湖水質(zhì)[15]。影響湖泊水質(zhì)的參數(shù)主要有：引調(diào)水量、排放的污染物量、降解系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)及溫度[14]等，因時(shí)空差異，不同湖泊的主要影響因素各不相同[16-18]。

玄武湖位于南京市的主城區(qū)，是典型的被第三產(chǎn)業(yè)包圍的城中湖，其污染來(lái)源主要是生活污水。從1997年開始實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水以來(lái)，補(bǔ)水量逐年上漲至35萬(wàn)t/d，但是近年來(lái)玄武湖湖泊水質(zhì)仍日益惡化。本文以玄武湖為例，通過(guò)實(shí)測(cè)資料的相關(guān)關(guān)系分析及模型方程的理論推導(dǎo)，結(jié)合水環(huán)境數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證，研究生態(tài)補(bǔ)水與水質(zhì)逆向發(fā)展的機(jī)制，以期為同類型的調(diào)水工程提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 湖泊概況

玄武湖屬典型城市淺水湖泊，面積為5.5 km2，其中水面面積3.7 km2。水面標(biāo)高10 m時(shí)，平均水深1.14 m，庫(kù)容429萬(wàn)m3;最高水位11.15 m，最低水位9.8 m，常年水位9.8～10.2 m。湖區(qū)5個(gè)洲(環(huán)洲、梁洲、櫻洲、翠洲、菱洲)劃分為4個(gè)湖區(qū)(東南湖、東北湖、西北湖、西南湖)。流域面積為 24 km2，流域內(nèi)有紅山街道、鎖金村街道和玄武湖街道。玄武湖污染來(lái)源主要來(lái)自5條入湖河道溝渠：老季亭溝、香料廠溝、唐家山溝、紫金山溝、崗子村溝。2014年前玄武湖實(shí)施環(huán)湖合流制截污系統(tǒng)，5條主要溝渠的水能夠晴天不入湖。2014年后，將唐家山溝末端作為補(bǔ)水7萬(wàn)t/d通道，唐家山溝上游污水隨補(bǔ)水入湖。通過(guò)城北污水處理廠管網(wǎng)分布及地理影像圖情況看，紫金山地區(qū)地表徑流及汽車東站、蔣王廟社區(qū)生活污水在紫湖西橋位置混入唐家山溝，通過(guò)計(jì)算2017年玄武區(qū)自來(lái)水用水量，得到日常通過(guò)唐家山溝排入玄武湖污水約0.5萬(wàn)m3/d。其他4條溝渠在旱季污水接入管網(wǎng)，不排污入湖。根據(jù)周邊區(qū)域自來(lái)水用量折算后的排污量、污水處理廠接管量計(jì)算得到周邊的接管率約為85%。在降雨期間，降水量較大時(shí)污水溢出，5條溝渠污水入湖量約1.8萬(wàn)m3/d。玄武湖引補(bǔ)水能力為35萬(wàn)t/d(上元門自來(lái)水廠西廠8萬(wàn)t、上元門自來(lái)水廠東廠20萬(wàn)t、化纖廠自備水廠7萬(wàn)t)，通過(guò)環(huán)湖6個(gè)進(jìn)水口及唐家山溝分別向湖區(qū)補(bǔ)水。通過(guò)4個(gè)閘(武廟閘、大樹根閘、太平門閘、和平大溝閘)向城市內(nèi)河水體進(jìn)行補(bǔ)水，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及補(bǔ)水路線

1.2 研究方法

a.收集2012—2017年玄武湖各個(gè)湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)的逐月資料、補(bǔ)水水量及其他相關(guān)的氣象水文資料。

b.運(yùn)用Oringin軟件對(duì)玄武湖的補(bǔ)水水量和水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，初步判定玄武湖補(bǔ)水水量與水質(zhì)相關(guān)關(guān)系。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到補(bǔ)水量Q和水體質(zhì)量濃度ρ的一組數(shù)據(jù)對(duì)(Qi,ρi)(i=1,2,…,m)，其中Qi各不相同，用二次方程與已測(cè)數(shù)據(jù)相適應(yīng)的解析表達(dá)式ρ=f(Q,z)反映Q與ρ之間的關(guān)系。

c.運(yùn)用零維模型結(jié)合玄武湖實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)定量化，找出玄武湖水質(zhì)影響參數(shù)的量化關(guān)系。采用零維模型進(jìn)行水質(zhì)計(jì)算，考慮容積為V的完全混合系統(tǒng)，排污量為W，污染物初始質(zhì)量濃度為ρ0，q為污染物排放量，流進(jìn)系統(tǒng)的流量為Q0；流出系統(tǒng)的流量為Q0+q，如圖3所示。

圖2 零維模型示意圖

d.通過(guò)湖庫(kù)均勻混合模型進(jìn)一步推導(dǎo)出玄武湖水質(zhì)與水量直接的定量化關(guān)系。

e.運(yùn)用二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步驗(yàn)證其規(guī)律，并得出最優(yōu)補(bǔ)水方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 補(bǔ)水量與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

對(duì)2014—2017年玄武湖補(bǔ)水量及水質(zhì)資料進(jìn)行分析，擬合補(bǔ)水量與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系(圖3)，枯水期TP、枯水期TN、豐水期TP、豐水期TN的決定系數(shù)R2分別為0.688、0.553、0.595和0.758。從相關(guān)關(guān)系可以看出，水體質(zhì)量濃度隨著水量的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。在枯水期補(bǔ)水量約為 15萬(wàn)t/d時(shí)，水質(zhì)最優(yōu)；豐水期最優(yōu)補(bǔ)水量約為 20萬(wàn)t/d，水質(zhì)最優(yōu)。根據(jù)對(duì)調(diào)水水質(zhì)分析，其在調(diào)水期間內(nèi)調(diào)水水質(zhì)基本無(wú)變化，污染源在調(diào)水期間內(nèi)基本無(wú)變化，引起水質(zhì)隨調(diào)水量變化的主要原因是調(diào)水量的變化。

(a) TP

2.2 水質(zhì)與補(bǔ)水量理論公式推導(dǎo)

根據(jù)玄武湖污染源評(píng)價(jià)結(jié)果，設(shè)在豐水期入湖污染物(不含補(bǔ)水)相同，則降解量的計(jì)算公式為

Wk=KVρ=W+Q(ρ0-ρ)

(1)

式中Wk為降解量。令A(yù)=ρ-ρ0，則Wk=-AQ+W，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合，得到降解量與補(bǔ)水量相關(guān)關(guān)系見圖4。

(a) TP

根據(jù)2014—2017年玄武湖豐水期補(bǔ)水水質(zhì)特征，補(bǔ)水中的TP質(zhì)量濃度在0.027～0.2 mg/L 之間，補(bǔ)水中的TN質(zhì)量濃度在1.41～2.77 mg/L之間。在水體質(zhì)量濃度區(qū)間內(nèi)構(gòu)建豐水期玄武湖補(bǔ)水水質(zhì)與補(bǔ)水流量的關(guān)系見圖5。根據(jù)湖庫(kù)均勻混合模型，推導(dǎo)得到豐水期和枯水期湖泊水質(zhì)與補(bǔ)水量相關(guān)關(guān)系，見圖6。根據(jù)理論分析可知，豐水期玄武湖的水體質(zhì)量濃度隨著補(bǔ)水流量的增加先轉(zhuǎn)好后變差，水質(zhì)最優(yōu)時(shí)，TP、TN最優(yōu)的補(bǔ)水流量為2.3 m3/s，最優(yōu)補(bǔ)水量為20萬(wàn)t/d?？菟谛浜乃|(zhì)隨著補(bǔ)水流量的增加先轉(zhuǎn)好后變差，但是水質(zhì)最優(yōu)時(shí)，TP、TN最優(yōu)的補(bǔ)水流量為1.74 m3/s，最優(yōu)補(bǔ)水量為15萬(wàn)t/d。該結(jié)論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的結(jié)論一致。與此不同的是，太湖湖西區(qū)引水量越大，污染物入河量越大，湖西區(qū)水質(zhì)越差[19]。美國(guó)Okeechobee湖調(diào)水量越小，外界進(jìn)入湖泊的污染物量越小，湖泊污染物質(zhì)量濃度大，主要原因是底泥的加速釋放[20]。本研究結(jié)論與以往其他研究不同，將會(huì)對(duì)該類型湖泊的水污染防治提供新的研究思路。

(a) TP

(a) TP

2.3 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方案

基于二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型[21-24]，將玄武湖湖區(qū)劃分為三、四邊形混合網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為300 m左右，根據(jù)玄武湖實(shí)際地形、地質(zhì)及所處地域確定模型曼寧系數(shù)為32 m1/3/s、渦流參數(shù)為0.28，水動(dòng)力邊界和水質(zhì)邊界均為2017年基準(zhǔn)年數(shù)據(jù)。根據(jù)模型計(jì)算[25-27]，玄武湖TP的降解系數(shù)為0.06～0.08 d-1，TN降解系數(shù)為0.02～0.035 d-1。分別對(duì)玄武湖的各個(gè)湖區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)(TP、TN)進(jìn)行率定驗(yàn)證，率定結(jié)果較好，該模型可用于玄武湖補(bǔ)水優(yōu)化方案水質(zhì)計(jì)算。模型網(wǎng)格和湖底地形見圖7，率定驗(yàn)證結(jié)果見圖8。

圖7 玄武湖模型網(wǎng)格及地形高程

圖8 玄武湖模型率定驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及近期、遠(yuǎn)期規(guī)劃，制定在不同補(bǔ)水量及截污情況下的方案(表1)。在枯水期，根據(jù)現(xiàn)狀排污情況，通過(guò)實(shí)測(cè)資料和理論分析水質(zhì)最優(yōu)時(shí)的補(bǔ)水量為15萬(wàn)t/d，TP基本能夠達(dá)標(biāo)。在方案計(jì)算中，保證除唐家山溝之外的4條溝污水不入湖情況下，進(jìn)一步削減紫金山片區(qū)40%的污水入湖，此時(shí)的水質(zhì)最優(yōu)時(shí)的補(bǔ)水量為12萬(wàn)t/d，水質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)好，TP基本能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。在豐水期，現(xiàn)狀排污情況下水質(zhì)最優(yōu)時(shí)的補(bǔ)水量為20萬(wàn)t/d。在計(jì)算方案中，近期進(jìn)一步加強(qiáng)5條溝附近尤其是鎖金村片區(qū)的雨污分流建設(shè)，從而削減40%的合流制污水進(jìn)入玄武湖，此時(shí)水質(zhì)最優(yōu)時(shí)的補(bǔ)水量為 18萬(wàn)t/d。在遠(yuǎn)期，通過(guò)5條溝附近尤其是鎖金村片區(qū)的深化雨污分流建設(shè)及紫金山片區(qū)管網(wǎng)建設(shè)，使得現(xiàn)狀的80%污水不進(jìn)入玄武湖，從而進(jìn)一步提高玄武湖水質(zhì)，此時(shí)的最優(yōu)水質(zhì)的補(bǔ)水量為 15萬(wàn)t/d。水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算的規(guī)律與理論公式推導(dǎo)規(guī)律一致，再次驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

表1 玄武湖補(bǔ)水方案對(duì)比結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以典型城市過(guò)水型湖泊玄武湖為例，針對(duì)城市內(nèi)湖水環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合和經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)相互驗(yàn)證污染物演變規(guī)律，揭示了城市內(nèi)湖水污染控制的關(guān)鍵因素，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的方法確定了合理性治理方案。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快水環(huán)境問(wèn)題日漸復(fù)雜，本文為城市內(nèi)湖水污染治理提供了科學(xué)指導(dǎo)。