改善八里湖水質(zhì)的最佳引水流量研究

張 俊，董文遜，張艷軍，周小國，陳秀篁，羅蘭

（1.長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430062；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072）

0 引言

隨著城市化的進(jìn)程、人類社會的進(jìn)步，人與自然的矛盾進(jìn)一步凸顯，城市湖泊的水環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。為了治理城市湖泊，提高水體流速和更新速度，增強(qiáng)其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，除了削減入湖污染物以外，常見的工程措施是修建引水工程。通過引水工程來改善水環(huán)境的嘗試，可以追溯到20 世紀(jì)70 年代［1］。此后亦有諸多成功范例，例如通過對美國華盛頓州東部的Moses 湖修建引水工程，成功將Moses 湖的營養(yǎng)狀態(tài)由富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度富營養(yǎng)化［2］；針對水體缺乏活力等問題，為太湖修建了引水工程，取得了不錯(cuò)的治理成果和經(jīng)濟(jì)效益［3，4］引水工程具有見效快、改善明顯、能充分利用現(xiàn)有工程等特點(diǎn)，在世界各地均取得了較好的成果。

修建引水工程對湖泊的影響，歷來也多有研究。通過對鄭州鄭東新區(qū)的龍湖引水工程進(jìn)行研究，探索了引水工程對水體更新能力的影響［5，6］；利用回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，成功預(yù)測了太湖公湖灣工程引水期間的水質(zhì)參數(shù)［7］；對常熟尚湖進(jìn)行跟蹤研究，探明了引水對小型通江湖泊富營養(yǎng)化問題的改善效果等［8］。過去針對湖泊引水工程的研究，都在一定程度上肯定了引水工程對改善城市湖泊水環(huán)境的作用。為了制定合適的引水工程方案，學(xué)者們往往運(yùn)用水動(dòng)力、水質(zhì)模型等進(jìn)行計(jì)算。例如針對武漢東湖生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性較差的問題，建立了水動(dòng)力和水質(zhì)模型，確定了最優(yōu)引水方案［9］；使用基于DEM 的水量水質(zhì)模型算法，針對湖北黃石磁湖污染，設(shè)計(jì)并模擬了多種水體連通方案，印證了引水工程對水環(huán)境的改善效果［10］；使用MIKE21 軟件建立數(shù)學(xué)模型，探究了不同引水方案對青海省樂都主城段南側(cè)人工湖換水率的影響等［11］。

八里湖作為九江市受人類活動(dòng)影響最大的城市湖泊之一，人與自然的矛盾突出，水質(zhì)問題也極為嚴(yán)重。八里湖長期保持V 類水甚至劣V 類水水平，水質(zhì)情況堪憂；部分水域?yàn)樗浪畢^(qū)、滯水區(qū)，黑臭問題難以解決；近年來人類城市的高速發(fā)展新增了大量污染源，工業(yè)、生活廢水往往就近排入河道，缺乏監(jiān)管；2020年夏季在十里河入八里湖湖口部分，更是出現(xiàn)了大規(guī)模藍(lán)藻爆發(fā)問題。研究城市化對城市湖泊的影響，分析如何治理與修復(fù)城市湖泊，協(xié)調(diào)人與城市湖泊的關(guān)系，歷來是學(xué)者比較關(guān)心的問題［12-14］，修建引水工程便是常見的工程治理措施。

針對目前九江市面臨的一系列水環(huán)境水生態(tài)問題，尤其是八里湖的水質(zhì)問題，結(jié)合資料以及前期實(shí)地考察勘探工作，綜合考慮九江市獨(dú)特的“山-城-河-湖-江”復(fù)雜城市水系統(tǒng)特性，本文將基于DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）的水量水質(zhì)模型算法創(chuàng)新性地運(yùn)用于八里湖的水質(zhì)模擬，并針對八里湖氮磷超標(biāo)嚴(yán)重的問題，以總磷為主要模擬指標(biāo)，設(shè)計(jì)多種工況的引水工程，“以清沖污”，分析改善八里湖水質(zhì)的最佳引水流量，評估其直接效益、間接效益和凈效益，從工程的角度，為九江市生態(tài)環(huán)境治理提供有效科學(xué)的建議。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)域概況

九江市位于江西省北部，長江中游，地理?xiàng)l件復(fù)雜，南靠廬山、東臨鄱陽湖、北接長江。全境南北寬140 km，東西長270 km，地理坐標(biāo)為113°57'E～116°53'E，28°47'N～30°06'N，市轄區(qū)面積1 352 km2。九江市的山地產(chǎn)流迅速匯流入各小河流，再流入城市內(nèi)湖，經(jīng)湖泊出口處順接的河道或泵閘匯入長江，形成了獨(dú)特的“山-城-河-湖-江”復(fù)雜城市水系統(tǒng)。長江九江中心城區(qū)段常年洪水位18～18.25 m（7-8 月）。每年1-2 月最低水位約為9.4 m左右，最大流量為8.17 萬m3/s，年均流量為2.43萬m3/s，水量充沛。八里湖、龍開河等可以通過自由出流匯入長江，但每年長江水位約有1～2個(gè)月的時(shí)間高于湖面。八里湖與長江相聯(lián)，也能對長江起到一定的調(diào)蓄作用。九江市八里湖的具體地理位置如圖1所示。

圖1 九江市地理位置Fig.1 Location of Jiujiang City

八里湖地處九江市區(qū)西南部，東面與十里河以及九江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)相接，西面在賽湖壩頭處與賽城湖相鄰，南面為廬山風(fēng)景區(qū)以及蛟灘河、截流河、沙河等水系，北面通過新開河、龍開河與長江相連。八里湖是長江南岸直入長江的湖泊，流域面積273 km2，現(xiàn)狀常水位為16.5 m，相應(yīng)湖區(qū)面積約18 km2，主要水源是廬山北部的來水，湖水主要經(jīng)新開河由八里湖閘和八里湖泵站排入長江。八里湖流域內(nèi)主要水系有十里河、蛟灘河、沙河等。八里湖多年平均徑流量2.5 億m3，五十年一遇防洪水位為18.97 m，相應(yīng)庫容0.68 億m3，主要依靠八賽隔堤、八里湖堤、向陽堤、十里河堤等堤防防御八里湖洪水。

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)主要包括水下地形數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)。水樣測點(diǎn)的分布如圖2 所示。整體上點(diǎn)位分布比較均勻，能輻射北半湖大部分區(qū)域；對八里湖各個(gè)出入口（如賽城湖、龍開河、十里河等）均有布置測點(diǎn)，能兼顧重點(diǎn)區(qū)域。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 八里湖實(shí)測水質(zhì)濃度 mg/LTab.1 Observed water quality concentration of Bali Lake

圖2 八里湖水樣檢測分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing distribution of Bali Lake water samples

2 研究方法

2.1 二維水動(dòng)力水質(zhì)模型

2.1.1 水動(dòng)力模型

基于笛卡爾坐標(biāo)系下的平面二維淺水控制方程組，構(gòu)建八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型的水動(dòng)力模擬部分。

x方向上的動(dòng)量方程如下式所示：

y方向上的動(dòng)量方程如下式所示：

式中：h代表研究區(qū)域八里湖的水深；t為模型模擬的時(shí)間步長；u，v代表平面二維坐標(biāo)系橫向和縱向的流速；εx、εy分別為x、y方向的渦動(dòng)黏滯系數(shù)；g為重力常數(shù)；n為研究區(qū)域八里湖的糙率；q為八里湖的支流入流流量。

2.1.2 污染物遷移轉(zhuǎn)化模型

基于平面二維水質(zhì)對流擴(kuò)散方程（平面二維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程），構(gòu)建八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型的水質(zhì)模擬。其表達(dá)式參照下式：

式中：∑Si為湖泊水體污染物的源項(xiàng)，包括內(nèi)部源漏項(xiàng)和外部源漏項(xiàng)；Ex為x方向的分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)之和；Ey為y方向的分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)之和。

2.2 成本和效益評估方法與水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，人類活動(dòng)對城市湖泊的影響越來越大。九江市的水體普遍存在水系溝通不良、水系萎縮、引排不暢、河床淤積等問題，除了控制污染源頭、減少排污量以外，還可選用引水工程改善環(huán)境。引水工程是通過對引水的時(shí)空調(diào)度和控制來綜合配置水資源，從而達(dá)到改善湖區(qū)水質(zhì)的目的［15］，對于水資源調(diào)配、水質(zhì)改善、水災(zāi)防治等有著重要的意義，有助于提高區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。因此本文結(jié)合八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究不同引水流量對湖泊水質(zhì)改善效果的影響，并基于成本和效益評估方法，分析八里湖最佳引水流量。

引水工程的凈效益為直接效益減去成本，即：

式中：E指工程的凈效益，元；Ed指直接效益，主要包括引水工程建設(shè)后減少的湖泊污水治理費(fèi)Ea以及增加的農(nóng)業(yè)效益En，元；Cp指泵站工作的運(yùn)行成本，元。

2.2.1 直接效益

引水工程實(shí)際上是將重度污染區(qū)的污染物通過水流，轉(zhuǎn)移到其他水體之中，污染物本質(zhì)上并未減少，但只需要控制好引水工程的流量，就可以保證引水工程的攜污廢水不會導(dǎo)致長江九江段（納污水體）超過其水質(zhì)目標(biāo)。因此為了研究方便，不考慮下游水體容納污染物帶來的經(jīng)濟(jì)損失。九江中心城區(qū)面積共554 km2，農(nóng)業(yè)用地136.56 km2，各類水利工程大部分取水用于農(nóng)業(yè)灌溉，因此本研究中，引水工程的直接效益主要來自于減少的污染物處理費(fèi)用以及農(nóng)業(yè)效益。

（1）湖泊污水治理效益。湖泊污水治理效益可以通過下式計(jì)算，即：

式中：M0指基于初始水質(zhì)條件通過八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算得到的污染物初始總量，g；M1指污染物的引水后總量，基于不同引水工況，由八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬計(jì)算獲得，g；Pa指處理1 g污染物的成本，元/g，根據(jù)2014年國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法［16］，可知，污水排污費(fèi)應(yīng)該按照排污者排放污染物的種類和數(shù)量，以污染當(dāng)量計(jì)征，因此確定計(jì)算公式如下：

式中：R指污染當(dāng)量的征收標(biāo)準(zhǔn)，單位為元；K是污染物的污染當(dāng)量，kg；b1為換算系數(shù)，這里取1 000。針對八里湖嚴(yán)重的水質(zhì)超標(biāo)問題，本研究中的典型污染物選定為總磷（TP）?？偭讓?yīng)的征收標(biāo)準(zhǔn)為每污染當(dāng)量0.7元，對應(yīng)的污染當(dāng)量值為0.25 kg，因此Pa的值取0.002 8元/g。

（2）農(nóng)業(yè)效益。農(nóng)業(yè)效益主要來自于八里湖引水工程運(yùn)行后水體劣V 類面積減小、污水灌溉比例減小帶來的種植業(yè)產(chǎn)量增加。農(nóng)業(yè)效益可按下式計(jì)算：

式中，En為農(nóng)業(yè)效益，元；A0、A1分別為引水工程前、后劣V 類水體比例，%；B為增產(chǎn)幅度，%；C為九江市濂溪區(qū)和潯陽區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，元。

2.2.2 間接效益

水環(huán)境污染除了會對水質(zhì)、農(nóng)業(yè)灌溉造成直接影響外，還會對周圍居民的健康狀況、水體觀賞價(jià)值、水體自凈效益等方面造成間接影響。因此本研究中，引水工程改善水質(zhì)的間接效益主要包括水質(zhì)改善帶來的社會效益（健康、觀賞、宣傳效益）和生態(tài)效益（水體自凈效益）兩個(gè)方面，可以起到輔助確定最佳引水流量和最佳工況的作用。

（1）健康效益。水環(huán)境污染會造成人類健康損失，因此水質(zhì)改善的健康收益可以用患病造成的損失進(jìn)行計(jì)算。基于美國環(huán)保署提出的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型（HHRA）和國內(nèi)關(guān)于垃圾填埋場對居民健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究等［17］，可以確定公式如下：

式中：E1為健康收益，元；Eyl為人均醫(yī)療費(fèi)，元/（人?a），可參考北京市癌癥平均住院費(fèi)用［18］；Egz為年均工資，元/（人?a），可參考2020年江西九江平均工資為5 847 元/（人?月）；Twg為誤工年數(shù)，年；Rc為暴露人群經(jīng)飲水途徑的人均致癌年風(fēng)險(xiǎn)；P為研究區(qū)域總?cè)藬?shù)，以濂溪區(qū)和潯陽區(qū)總?cè)藬?shù)計(jì)算，共計(jì)58.59 萬人（2019年末）。

Rc可以按照下式計(jì)算：

式中：q（人）為致癌強(qiáng)度系數(shù)，（kg?d）/mg；ADD為暴露劑量，mg/（kg?d），由于九江自來水廠主要從長江提水，因此這里不計(jì)算經(jīng)口暴露劑量，只計(jì)算皮膚吸收劑量。ADD可以按照下式計(jì)算：

式中：CW為水中污染物濃度，mg/L；SA為皮膚接觸表面積，m2，可參考美國EPA 的手冊［19］等，取均值1.36 m2；PC為化學(xué)物質(zhì)皮膚滲透常數(shù)，cm/h，可取均值0.003 2 cm/h；ET為暴露時(shí)間，以0.2 h/d 計(jì)算；EF為暴露頻率，以365 d/a 計(jì)算；ED為暴露持續(xù)時(shí)間；b2為換算系數(shù)，這里取0.01；BW為人體質(zhì)量，以均值66.5 kg計(jì)算；AT為平均時(shí)間。

（2）觀賞效益。水質(zhì)改善的觀賞效益可用下式計(jì)算：

式中：E2為水體觀賞效益，元；A為八里湖水域面積，為18 km2；n為水體美學(xué)價(jià)值的當(dāng)量因子，參考關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法的研究［20］可取1.89；D為九江市單位面積凈產(chǎn)出損失，元/km2，可以通過查閱《九江統(tǒng)計(jì)年鑒——2020》等獲得；其他參數(shù)同上。

（3）宣傳效益。宣傳效益來自于水質(zhì)提升的信息傳遞附加價(jià)值，可以近似使用互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于水污染信息的關(guān)注程度進(jìn)行折算，參考公式如下：

式中：E3為宣傳效益，元；Pw為研究區(qū)域內(nèi)網(wǎng)民人數(shù)，人；F1為網(wǎng)絡(luò)信息的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化率，元/h，F(xiàn)2網(wǎng)民在新聞上花費(fèi)時(shí)間的百分比；F3為水污染相關(guān)信息的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度，可通過查詢百度指數(shù)獲得；Tw為上網(wǎng)時(shí)間，h，通過查閱《第47次中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》可知，截止2020 年12月，我國網(wǎng)民的周上網(wǎng)時(shí)間為26.2 h。

網(wǎng)民人數(shù)可按照下式計(jì)算：

式中：PC、PN分別為城鎮(zhèn)、農(nóng)村人口，可以通過查閱《九江統(tǒng)計(jì)年鑒——2020》等獲得；CC、CN分別為城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)民比例。

通過查閱《第47次中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》得知，截止2020 年12月，我國城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)普及率分別為79.8%和55.9%，可以此作為城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)民比例進(jìn)行計(jì)算。

（4）水體自凈效益。八里湖流域因?yàn)橐挪粫?，容易?dǎo)致水體活力下降，形成死水，進(jìn)一步降低水體的自凈能力［21］。因此水體自凈效益即為八里湖污染物減少帶來的水體自凈能力增加值，可按下式計(jì)算：

式中：Fj為自凈系數(shù)［22］；Fin為入河污染物的太陽能值轉(zhuǎn)換率；EDR為能值貨幣比率，sej/元，可以用九江市全年能值投入總量除以當(dāng)年生產(chǎn)總值GDP獲得；其他參數(shù)意義同上。

2.2.3 運(yùn)行成本

實(shí)際引水工程從建成到運(yùn)行需要涉及多個(gè)方面的成本投入，如招標(biāo)施工費(fèi)用、維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用等。為簡便起見，本研究中考慮的成本主要指泵站工作時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)行成本，可以使用下式計(jì)算，即：

式中：Pp指泵站單位引水量產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用，元/m3，已知八里湖泵站規(guī)模為51 m3/s，裝機(jī)為3 000 kW，根據(jù)江西省九江市電量分檔可知月均350 kWh以上的店家為0.90 元/kWh，因此估算得到泵抽水的價(jià)格Pp為0.014 7 元/m3；Q指引水工程的流量，m3/s；T是引水工程運(yùn)行持續(xù)的時(shí)間，s；其他符號意義同上。

2.2.4 水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3838-2002》（如表2）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。其中，劣V 類水指，實(shí)測污染物濃度高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3838-2002》中V 類水的濃度標(biāo)準(zhǔn)。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值 mg/LTab.2 Standard limits for basic items of surface water environmental quality

3 工況情景設(shè)置與結(jié)果分析

3.1 水體連通工況

考慮到八里湖總磷背景濃度為劣V類，而長江九江段以及賽城湖的水質(zhì)較好，因此考慮通過八賽樞紐泵站，從賽城湖、新開河引清水進(jìn)入八里湖，“以清沖污”，最后通過改建龍開河閘，改暗河暗渠為明渠，增強(qiáng)過水能力，使污水加速排出，達(dá)到凈化湖泊水質(zhì)、保護(hù)水體功能的目的。具體的引水路線圖如圖3所示。

圖3 八里湖引水工程路線圖Fig.3 Route map of Bali Lake water diversion project

為充分利用現(xiàn)有工程，基于賽城湖排澇站（位于八里湖賽城湖聯(lián)通處）設(shè)計(jì)排澇流量為104 m3/s 的實(shí)際情況，設(shè)置了20、60、100 m3/s三個(gè)不同擋位的賽城湖引水流量；基于八里湖泵站（位于新開河上）設(shè)計(jì)流量為50 m3/s的實(shí)際情況，設(shè)置了10、30、50 m3/s三個(gè)不同擋位的新開河引水流量。兩處泵站的3種不同擋位引水流量兩兩結(jié)合，加上無引水工程時(shí)的工況，一共組合出以下10 種工況，按照總引水流量從小到大進(jìn)行排列，最小總引水流量為30 m3/s，最大總引水流量為150 m3/s，如表3所示。

表3 計(jì)算工況表Tab.3 Calculation condition table

3.2 二維水動(dòng)力水質(zhì)模型的率定與驗(yàn)證

選取總磷和COD 對二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，率定期時(shí)段設(shè)置為從2020年7月1日開始，到2020年7月8日結(jié)束。率定期的模擬結(jié)果如表4、5所示。

從表4、5 中可以看出大部分點(diǎn)位的模擬誤差均在25%以內(nèi)，誤差絕對值的均值也分別保持在17.97%和21.10%，僅有少量點(diǎn)位因環(huán)境波動(dòng)產(chǎn)生了偏差，因此該模型能夠較好地模擬八里湖的水質(zhì)情況。

表4 八里湖水環(huán)境模型率定成果（7月8日，總磷）Tab.4 Calibration results of Bali Lake water environment model（July 8th，total phosphorus）

表5 八里湖水環(huán)境模型率定成果（7月8日，COD）Tab.5 Calibration results of Bali Lake water environment model（July 8th，COD）

3.3 最佳引水流量分析

3.3.1 水動(dòng)力改善效果分析

根據(jù)八里湖水動(dòng)力水質(zhì)模型，可以對引水工程建設(shè)后的流場進(jìn)行模擬，如圖4 所示。由流場分布圖可以直觀地分析八里湖引水工程投產(chǎn)使用后流場的空間分布特征：引水工程的建設(shè)改變了原始的水體流動(dòng)方向，原本蛟灘河與截流河的來水會向北流動(dòng)，最終藉由新開河匯入長江，現(xiàn)在變?yōu)榕c賽城湖、新開河匯合，共同通過龍開河匯入長江。水動(dòng)力改善效果主要可以從平均流速、最大流速和滯水區(qū)面積三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，其中滯水區(qū)是指流速小于0.000 6 m/s 的水體。由于九江市城市湖泊普遍存在水體動(dòng)力不足、河道淤塞、水體易黑易臭等問題，通過對以上3 個(gè)水動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，可以直觀反映引水工程對環(huán)境的改善效果。

圖4 八里湖流場分布情況Fig.4 Distribution of flow field in Bali Lake

3.3.2 水質(zhì)改善效果分析

引水工程在8 天時(shí)能達(dá)到削減劣V 類水體面積的最大效果，因此繪制各種工況下引水8 天時(shí)的總磷濃度分布圖，如圖5所示。

由圖5 可以看出，修建引水工程能對環(huán)境起到較大的改善作用，IV 類、V 類水體面積顯著提升；盡管引水工程對八里湖湖心的影響較小，但是八里湖北半湖的水質(zhì)質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，重點(diǎn)區(qū)域（如十里河入湖口附近）的水質(zhì)狀況好轉(zhuǎn)；引水口附近的水質(zhì)改善效果最明顯，距離引水口越遠(yuǎn)，水質(zhì)越差；修建引水工程后，各工況下的濃度整體分布差別不大，南半湖濃度分布幾乎完全相同，但引水流量越大，八里湖北半湖的非劣V 類水體占比越大；引水工程修建改變了原本的水體循環(huán)路徑，水流難以經(jīng)過的地方新增了小部分死角，以引水總流量相等的工況7、8為例，因?yàn)楣r8 兩個(gè)引水口的流量差別過大（新開河10 m3/s、賽城湖100 m3/s），在新開河西南方向出現(xiàn)了總磷濃度偏高的死角，所以在選擇工況時(shí)應(yīng)盡量保證引水口之間的濃度接近?？傮w而言，八里湖引水工程能夠有效改善重點(diǎn)區(qū)域的水質(zhì)超標(biāo)問題，改善八里湖水環(huán)境，優(yōu)化八里湖水生態(tài)，充分發(fā)揮九江水優(yōu)勢，對未來八里湖的治理起到了一定的參考價(jià)值。

圖5 不同工況下總磷濃度分布圖（單位：mg/L）Fig.5 Distribution map of total phosphorus concentration under different working conditions

3.3.3 最佳引水流量分析

表6 給出了幾個(gè)關(guān)鍵的評價(jià)指標(biāo)?？梢钥闯觯谝? 天后，即使在引水總量30 m3/s 的情況下，也能達(dá)到每次77.42 萬元/次的直接效益，說明引水工程確實(shí)有助于八里湖水質(zhì)改善；由表6 可知隨著引水流量的增加，整體上直接效益是遞增的。但是與此同時(shí)，對應(yīng)的運(yùn)行成本也隨著引水時(shí)間的增加而增加，最小為工況2 的30.48 萬元/次，最大為工況10 的152.41 萬元/次，因此凈效益的增加幅度越來越小，甚至減小。根據(jù)凈效益的計(jì)算結(jié)果，可以確定最佳工況為工況4，對應(yīng)的直接效益為130.10 萬元/次，運(yùn)行成本為71.12 萬元/次，凈效益為58.98 萬元/次。

表6 各工況引水沖污的效益與花費(fèi)表Tab.6 Table of benefits and costs of water diversion and flushing under various working conditions

基于2.2.2 的計(jì)算方法，可以求解出8 天時(shí)各工況下的間接效益，如圖6 所示。由圖可知，隨著引水流量的增加，各類間接效益以及總間接效益的值逐漸增加，工況4 的總間接效益為70.89 萬元，和其他工況差距不大。在四種間接效益中，水體自凈效益占比較大，說明引水工程的生態(tài)效益比較顯著。同時(shí)宣傳效益的占比也較大，說明引水工程能夠增加居民對水污染治理工程的認(rèn)同感，提升城市品質(zhì)和影響力。

圖6 各工況間接效益情況Fig.6 Indirect benefit of each working condition

4 結(jié)論

本文針對九江市八里湖區(qū)域嚴(yán)重的水質(zhì)超標(biāo)問題，基于實(shí)地考察獲得的水下地形資料和水質(zhì)資料，建立了八里湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，并將該模型運(yùn)用于設(shè)定的引水工程之中，分析了引水工程的水動(dòng)力和水質(zhì)改善效果，基于成本和效益評估方法確定了八里湖最佳引水流量，提出了相應(yīng)的環(huán)境治理建議。

對10 種不同工況的水動(dòng)力改善效果和水質(zhì)改善效果的分析表明，在選擇合適工況時(shí)應(yīng)該充分考慮引水口的流速和地理位置影響；濃度分布比例的變化表明，引水工程影響下的各類水體面積占比變化趨勢相同，且隨著引水時(shí)間的增加劣V 類水體面積逐漸減小，但減小幅度逐步下降，最終在第8天的時(shí)候劣V 類水體面積占比基本達(dá)到最小值，因此引水時(shí)間在8 天左右最為合適。

在引水工程改善效果研究的基礎(chǔ)上，對比各工況下污染物總量和效益隨時(shí)間變化的關(guān)系，在少許下降或者波動(dòng)之后，直接效益曲線呈現(xiàn)先增長再穩(wěn)定的趨勢，凈效益曲線呈現(xiàn)先增長再降低的趨勢，污染物總量一般在第7～8 d 即可達(dá)到最小值。因此以引水時(shí)間8天為例，分析了不同引水流量組合下，可獲得的直接效益、間接效益和凈效益。最佳引水流量的選擇應(yīng)該考慮凈效益較大，同時(shí)兼顧水動(dòng)力和水質(zhì)改善效果以及間接效益情況。因此選擇工況4 進(jìn)行引水最為合適，相應(yīng)的最佳引水流量為70 m3/s（即新開河引水50 m3/s、賽城湖引水20 m3/s），引水的凈效益為58.98萬元/次。

因此，引水工程可以通過提升水體動(dòng)力、溝通水體調(diào)配污染物兩個(gè)方面對八里湖環(huán)境進(jìn)行治理。