引水湖泊水環(huán)境改善二維數(shù)值分析

李冬冬,魏月華,胡棟輝,羅佳敏，李東風

(1. 余姚市海塘管理所，浙江 余姚 315400；2.寧波顥潤生態(tài)建設有限公司，浙江 余姚 315400;3. 余姚市水利局，浙江 余姚 315400；4.浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

浙江沿海平原河湖水網(wǎng)密布，河網(wǎng)流動性差，水質(zhì)日益惡化，河流湖泊水體富營養(yǎng)化時有發(fā)生，區(qū)域外引水與河湖水系連通是平原河湖水環(huán)境改善的重要措施[1-2]。虞東平原六湖連通綜合整治工程是浙江省水利重點項目，六湖包括皂李湖、白馬湖、小越湖、孔家岙泊湖、東泊湖和西泊湖，其中，白馬湖地形狹長，腹地內(nèi)有較多零散分布的沙洲、島嶼，見圖1。由于白馬湖水體流通不暢，加上生活污水排入湖中，造成局部水體高度富營養(yǎng)化，水質(zhì)為V類水。為改善白馬湖水環(huán)境，結合當?shù)厮Y源狀況，區(qū)域外引水和河湖水系連通是改善白馬湖水環(huán)境比較可行的措施，但是引水改善的效果還需要經(jīng)過可行性研究論證。利用平面二維水動力水環(huán)境數(shù)學模型是進行水環(huán)境改善的重要工具和手段[3-7]。虞東平原六湖連通的實施，是通過引杭甬運河的清水到皂李湖，然后通過引水隧洞到白馬湖、小越湖、孔家岙泊湖、東泊湖和西泊湖，本文即利用二維模型對引水改善白馬湖水環(huán)境指標BOD和DO進行了時空分析。

1 平面二維水動力水環(huán)境數(shù)學模型理論和驗證

1.1 模型理論

模型的基本理論包括水動力理論和污染物輸移擴散[8]。

1.2 模型的建立和驗證

1.2.1 模型建立

1) 模型范圍

河網(wǎng)水系是一個整體，以紹興虞東整個河網(wǎng)為模型。由于六湖位于上虞河網(wǎng)的中部，其模型的入流和出流的邊界條件不確定因素太多，從整個河網(wǎng)水系的角度上來說，倘若僅僅挑選出河網(wǎng)中的幾條河流和湖泊出來，那么就會遇到邊界條件不準確、研究范圍過小等的情況。因此，只能把整個上虞平原河網(wǎng)作為一個整體系統(tǒng)才能確定正確的邊界條件，綜合分析考慮水流運動特點、污染范圍情況，得出最有利的治理措施方式。這樣就可以把南部山區(qū)降雨、上浦閘引水，曹娥江引水、四明湖引水、以及二號閘和新東進閘等確定流量和水位工程作為邊界條件，使模型建立在正確的邊界條件基礎之上。模型的研究區(qū)域、網(wǎng)格剖分和邊界條件見圖1。

圖1 模型研究區(qū)域、網(wǎng)格剖分和邊界條件

2) 模型邊界條件的選取

水流運動的邊界條件對于模型模擬計算出來的結果有著非常重大的影響,控制條件越精確、越確定，算出的結果也就越與實際的流動情況相符合，把上虞河網(wǎng)作為一個整體，模型的邊界就包括各個引水邊界、降雨匯流邊界、四明湖引水邊界、曹娥江引水邊界、上虞與余姚聯(lián)通的河網(wǎng)邊界以及擋潮排澇閘等各種確定的流量和水位潮位等邊界條件。

1.2.2 模型的驗證

本次驗證計算采用洪澇發(fā)生時間較近，降雨情況較為典型，實測資料較完整的“20131006”菲特臺風進行驗證計算。由于受到2013年“菲特”臺風的影響，上虞區(qū)10月5日20時開始普遍降雨，到9日8時基本結束。按水利部門實測統(tǒng)計，市域平均面雨量434.8 mm，有11個監(jiān)測站點超過500 mm，其中山區(qū)平均面雨量376.1 mm，平原平均面雨量523 mm，比虞北平原百年一遇過程雨量460.5 mm多62.5 mm。筆者需驗證虞東平原模型是否與實際相符。本次驗證計算，選取小越湖上、小越湖下和崧廈3個代表站計算水位與實測水位進行比較，選取時間為2013年10月5日0時至10月12日0時。小越湖上實測最高雨量4.53 m，計算雨量4.51 m，相差-0.02 m。小越湖下實測最高雨量4.37 m，計算雨量4.31 m，相差-0.06 m。崧廈實測最高雨量4.42 m，計算雨量4.35 m，相差-0.07 m。可以看出，驗證計算與實際情況較為吻合，計算模型參數(shù)設置可用于引水方案預測計算。

2 引水改善水動力水環(huán)境分析

由于白馬湖過于狹長，水域分布較廣，為方便分析每個區(qū)域的水體流動和水環(huán)境改善的狀況，將白馬湖分為8個區(qū)域，分別命名為a至h，選擇18個典型位置,對引水湖泊水動力和水環(huán)境指標進行分析(圖2)。根據(jù)計算結果，對各個區(qū)域河湖連通前后白馬湖的流速進行分析。

圖2 研究水域分區(qū)和分析選點位置圖

2.1 水動力增加分析

圖3為引水湖泊連通前后白馬湖研究點流速對比圖，由圖3可以看出，河湖連通前研究點流速均較小，最大流速小于0.007 m/s，1，2，8，9，11，12，13，17點流速小于0.001 m/s，說明河湖連通前白馬湖水體流動性極差。河湖連通后，白馬湖中水域流速明顯增加，各研究點流速均有所增加，說明河湖連通改善了白馬湖水體流動性。

圖3 連通前后研究點流速對比圖

對于水域a，河湖連通前，除了與b水域連通的4點流速較大外(流速為0.001 2 m/s)，其余各點流速極小(均小于0.002 m/s)，湖體流動性差；河湖連通后，流速有所增加，但流速依然小于0.01 m/s，湖體流動性仍然較差。

對于水域b，河湖連通前，研究點中最大流速為與虞甬運河相連的進口點3，流速較大(0.006 7 m/s)，湖體內(nèi)部流動性較好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異，較白馬湖其他水域，湖體流動性良好。進水口處流速較大，最高達0.07 m/s。

對于水域c，河湖連通前，相較白馬湖其他水域，湖體流動性良好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異，較白馬湖其他水域，進水口流速較大，湖體流動性良好,約0.04 m/s。

對于水域d，河湖連通前，相較白馬湖其他水域，湖體流動性良好；河湖連通后，流速有所增加，湖體流速基本相近，為0.02 m/s，無較大差異,較白馬湖其他水域，進水口流速較大，湖體流動性良好，約0.04 m/s。

對于水域e，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導致腹地處流動性差，所研究8和9兩點位于腹地，流速極小(均小于0.000 3 m/s),與水域h相連的進口點10所在位置，流速較大(0.001 166 m/s)；河湖連通后，流速有所增加，特別是與湖h相連的進水口處流速較大，湖體流動性改善明顯，流速達0.03 m/s，由于湖體內(nèi)部腹地較多，腹地處流動性差，所研究8和9兩點位于腹地，流速極小(均小于0.001 m/s),腹地處流動性改善并不明顯。

對于水域f，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導致腹地處流動性差，所研究10點位于腹地，流速極小(0.000 144 m/s)；河湖連通后，與湖h相連的進水口處流速較大，湖體流動性改善明顯，流速達0.03 m/s，但是湖體內(nèi)部腹地多，腹地處流動性差,腹地處流動性改善并不明顯。

對于水域g，河湖連通前，湖體內(nèi)部腹地較多，導致腹地處流動性差，所研究12和13兩點位于腹地，流速極小(均小于0.000 1 m/s)；河湖連通后，流速有所增加，特別是與湖h相連的進水口處流速較大，湖體流動性改善明顯，流速達0.04 m/s，由于湖體內(nèi)部腹地較多，腹地處流動性差，腹地處流動性改善并不明顯，所研究12和13兩點位于腹地，流速極小(均小于0.000 1 m/s)。

對于水域h，河湖連通前，所研究14～18 d點位于h水域，流速較大，湖體流動性良好；河湖連通后，與皂李湖—白馬湖引水隧洞相連的h水域下半部分，流速高達0.15 m/s,上半部分流速增大沒有下半部分明顯，但是已增加至0.03 m/s，河湖連通后，h水域水體流動性改善最明顯。

從對比分析中可知，河湖連通增加了白馬湖水體的流動性，白馬湖水域流速普遍增大，水體流動性雖然得到極大改善，但白馬湖腹地水域仍存在流速較小、湖泊流動性不強的問題。

2.2 水環(huán)境改善分析

現(xiàn)選取BOD以及DO作為水環(huán)境指標進行分析。

2.2.1 BOD分析

圖4為河湖連通前后研究點的BOD值對比圖，從圖4可以看出，白馬湖在河湖連通后，BOD值降低明顯，水質(zhì)改善明顯，BOD值均降低5 mg/L以上，BOD最低2.2 mg/L，各個位置BOD值差異也比較大，且數(shù)值分布不均。

圖4 河湖連通前后BOD值對比圖

2.2.2DO值分析

圖5為河湖連通前后研究點的DO值對比圖，從圖5可知，白馬湖在河湖連通后，DO值增加明顯，水域的DO普遍大于7 mg/L，水質(zhì)改善明顯，但各個位置DO值差異也比較大，DO值分布不均。結合所獲得的研究點BOD、DO數(shù)據(jù)，各水域水質(zhì)改善效果分析結果如下。

圖5 連通前后研究點DO值對比圖

對于水域a，水質(zhì)改善明顯，且BOD、DO值在整個水域分布相對平均，BOD值從9.57 mg/L左右降低到4.57 mg/L左右，DO值從2.1 mg/L左右上升到7.2 mg/L左右，結合指標分析水質(zhì)已改善至Ⅳ類水。但是相較于其他水域，水質(zhì)仍然相對不佳，仍需進一步改善。

對于水域b，水質(zhì)改善明顯，BOD值在整個水域分布相對均勻，BOD值從9.56 mg/L左右降低到3.5～4 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.8～8 mg/L范圍內(nèi)，結合指標分析水質(zhì)已改善為Ⅲ類水。

對于水域c，水質(zhì)改善明顯，BOD值在進水口數(shù)值較低，越遠離進水口BOD值越高，BOD值從9.56 mg/L左右降低到3～3.7 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.7～7.8 mg/L，DO值在水域中的分布相對均勻，結合指標分析水質(zhì)已改善為Ⅲ類水。

對于水域d，水質(zhì)改善明顯，BOD分布不均勻，在靠近水域h(右岸)處BOD值較小，為2.17 mg/L，越遠離h水域BOD值越大，增大至4.55 mg/L。DO值從2.2 mg/L左右上升到7.45～7.7 mg/L，DO值分布相對均勻。

對于水域e，水質(zhì)改善明顯，但BOD值、DO值在整個水域分布不均勻。在與h水域相連的進水口處，BOD值約為3.7 mg/L，DO值約為7.6 mg/L，水質(zhì)良好。由于e水域腹地較多，水體流動性不強，在腹地處，水質(zhì)明顯變差，BOD值高達4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水質(zhì)仍需繼續(xù)改善。

對于水域f，水質(zhì)改善明顯，但BOD值在整個水域分布不夠均勻。在與h水域相連的進水口處，BOD值約為3 mg/L，DO值約為7.6 mg/L，水質(zhì)良好，最靠近左岸的水域是BOD值最大處，為4.6 mg/L，DO值為7.4 mg/L。最靠近左岸的水域水質(zhì)需繼續(xù)改善。

對于水域g，水質(zhì)改善明顯，但BOD、DO值在整個水域分布不均勻。在與h水域相連的進水口處，BOD值約為2.25 mg/L，DO值約為7.5 mg/L，水質(zhì)良好。由于g水域腹地較多，水體流動性不強，在腹地處，水質(zhì)明顯變差，BOD值高達4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水質(zhì)仍需繼續(xù)改善。

對于水域h，水質(zhì)明顯改善，在靠近皂李湖-白馬湖引水隧道處，水質(zhì)最佳，BOD值低至1.5 mg/L，越向北流動，水質(zhì)發(fā)生變化，水質(zhì)逐漸變差，BOD值沿程上升至3.5 mg/L，而DO值也沿程降低，由7.82 mg/L降低至7.47 mg/L。

綜上所述，河湖連通工程提高了白馬湖水體的流動性，同時也大大改善了白馬湖的水環(huán)境狀況，河湖連通方案可行。

3 結 論

應用平面二維水動力水環(huán)境數(shù)學模型對引水前后湖泊水動力水體流動性及水環(huán)境改善的情況進行計算分析，結果表明：從整體上看，引水河湖連通增加了湖泊水體的流動性，水環(huán)境水質(zhì)改善效果明顯，但湖泊的某些局部水域，水體流動性較弱，水環(huán)境改善不佳，建議通過設置導流水工建筑物，導引水流流向流動性較弱的水域，增強這些水體流動性比較弱的水域的流動性和水環(huán)境改善。本研究可為工程可行性提供決策支持依據(jù)。