基于水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型的城市河湖生態(tài)補(bǔ)水方案

摘 要：研究城市河湖生態(tài)補(bǔ)水對(duì)于城市的可持續(xù)發(fā)展以及滿足人們的生活需求具有重要意義。沙湖港、羅家港位于武漢中心城區(qū)，是東沙湖水系引江濟(jì)湖的引水通道。結(jié)合東沙湖水系整體布局和水系連通的情況，研究探討了從長(zhǎng)江引水補(bǔ)充沙湖港、羅家港的生態(tài)補(bǔ)水方案，通過(guò)建立二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合數(shù)值模型，模擬沙湖港、羅家港生態(tài)補(bǔ)水方案的運(yùn)行效果。結(jié)果表明，從武鋼泵站引長(zhǎng)江水，羅家港、沙湖港（青山港—羅家港段）TP和NH3-N濃度顯著降低，沙湖港（徐東大街—羅家港段）雖然得到了一定程度的換水，但該段水質(zhì)改善效果極其微弱。由于長(zhǎng)江水質(zhì)的TN、TP含量較高，生態(tài)補(bǔ)水對(duì)于降低TN濃度的效果非常有限，在利用長(zhǎng)江補(bǔ)水進(jìn)港渠時(shí)，還需要防止長(zhǎng)江水帶來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究成果可為定量評(píng)估城市河湖生態(tài)補(bǔ)水效果提供借鑒。

關(guān)鍵詞：生態(tài)補(bǔ)水方案；水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型；武漢市

中圖分類號(hào)：TV211" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市河湖水環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，城市生活污水未完全截污，初雨帶來(lái)城市面源污染造成水體污染，加上城市河湖來(lái)水多依賴于降雨，非降雨時(shí)段水量較少，導(dǎo)致港渠水動(dòng)力條件差、水環(huán)境容量小、水環(huán)境承載力低、水體生態(tài)功能退化。城市河湖在生態(tài)文明建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，因此，研究城市河湖生態(tài)補(bǔ)水對(duì)于構(gòu)建城市幸福河湖現(xiàn)代水網(wǎng)具有重要意義。

國(guó)外對(duì)于生態(tài)補(bǔ)水的研究起步較早。20世紀(jì)90年代，TVA（田納西河流域管理局）通過(guò)優(yōu)化調(diào)整所管理水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，提高下泄水量和水質(zhì)，以增加下游河道的最小流量，增加水流的溶解氧濃度，改善下游水域的生態(tài)環(huán)境[1]；在澳大利亞，每個(gè)州和地區(qū)都要評(píng)價(jià)“水依賴的生態(tài)環(huán)境 ”，提出水資源可持續(xù)利用和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的分配方案，且方案必須考慮5～10年后可能出現(xiàn)的情況，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)重新調(diào)整徑流季節(jié)變化特征，以達(dá)到最佳的生態(tài)狀態(tài)[2]。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于生態(tài)補(bǔ)水的研究起步較晚。張麗等[3]以常州薔薇濕地公園為例，提出了“垂直流水平流”的生態(tài)補(bǔ)水復(fù)合模式，該模式具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。羅鴻兵等[4]采用景觀水法和一維水量水質(zhì)模型確定了新圳河河道補(bǔ)水量，選擇固戍污水處理廠再生水為補(bǔ)水來(lái)源，并對(duì)其生態(tài)補(bǔ)水工程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。劉江俠[5]采用“過(guò)程匹配、典型歸類”的方法，針對(duì)4種不同類型的補(bǔ)水年份制定了農(nóng)業(yè)和生態(tài)補(bǔ)水方案。馮亞輝等[6]研究了利用南水北調(diào)工程初期剩余水量進(jìn)行白洋淀生態(tài)補(bǔ)水的可能性，并對(duì)輸水路線方案進(jìn)行了比選。此外，近年來(lái)我國(guó)相繼實(shí)施了一些跨省份、跨流域的生態(tài)水源調(diào)度工程[7]，用以修復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

沙湖港、羅家港位于武漢中心城區(qū)，是東沙湖水系排澇明渠的重要組成部分，也是東沙湖水系引江濟(jì)湖的通道[8-9]。目前沙湖港、羅家港主要來(lái)水是降雨徑流和污水處理廠中水，其中中水占全年來(lái)水量95%以上，年平均流量在6 m3/s以上。隨著“四廠合一”污水深隧建成運(yùn)行，沙湖、二郎廟、落步咀三座污水廠收集的污水由深隧統(tǒng)一集中至北湖污水廠，沙湖港、羅家港來(lái)水劇減，多年平均流量?jī)H0.39 m3/s，港渠水質(zhì)、生態(tài)和景觀面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，直接影響東沙湖水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。因此，亟需尋找有效可行的方案，來(lái)改善沙湖港、羅家港水生態(tài)環(huán)境，提升城市景觀品質(zhì)。

本文對(duì)沙湖港、羅家港的水質(zhì)水量變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合項(xiàng)目周邊可利用的水資源，根據(jù)沙湖港、羅家港運(yùn)行功能的需求，研究探討從長(zhǎng)江引水補(bǔ)充沙湖港、羅家港的生態(tài)補(bǔ)水方案，通過(guò)建立二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合數(shù)值模型，評(píng)估沙湖港、羅家港生態(tài)補(bǔ)水方案運(yùn)行效果，為改善城市港渠生態(tài)景觀提供參考。

1 研究區(qū)域概況

東沙湖水系位于武昌地區(qū)中北部，匯水范圍北起武青堤，南至武珞路、珞喻路，西起長(zhǎng)江，東至廠前路、王青公路（見(jiàn)圖1）。根據(jù)自然地勢(shì)、現(xiàn)狀排水分區(qū)及排水調(diào)度的關(guān)系，可分為內(nèi)沙湖、外沙湖、水果湖、東湖和羅家路直排區(qū)等五個(gè)匯水區(qū)，匯水區(qū)總面積為174 km2，汛期澇水由前進(jìn)路、新生路和羅家路三座泵站提排出長(zhǎng)江，總提排規(guī)模149 m3/s，非汛期澇水由羅家路閘和曾家巷閘自排出長(zhǎng)江。

2 二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型構(gòu)建

2.1 模型原理

所研究的港渠平均水深低于3 m，屬于典型的淺水河道，垂直方向不存在明顯的分層現(xiàn)象，可采用二維淺水動(dòng)力學(xué)模擬，包括三個(gè)方程：連續(xù)性方程（式（1））、水流沿水平x方向動(dòng)量方程（式（2））和水流沿水平y(tǒng)方向的動(dòng)量方程（式（3））。

式中：t為時(shí)間（s）；n為曼寧糙率系數(shù)；x、y分別為直角坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)（m）；u、v分別為x、y方向的流速分量（m/s）；z、h分別為x、y處的水位和水深（m）；g為重力加速度。

水質(zhì)模擬是在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，水動(dòng)力模型為水質(zhì)模型提供水體水位和流場(chǎng)變化，水質(zhì)模型根據(jù)不同的外界條件模擬不同污染物質(zhì)的濃度及分布變化。污染物的對(duì)流擴(kuò)散方程為

式中：c為復(fù)合濃度（常量）；u、v分別為x、y方向上的水平速度（m/s）；h為水深（m）；Dx、Dy分別為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；F為線性衰減系數(shù)（s-1）；S =Qx（cs-c），Qx為源匯項(xiàng)流量（m3/（s·m2）），cs為源匯項(xiàng)處化合物的濃度；u、v、h由水動(dòng)力學(xué)模塊提供。

二維水質(zhì)模型主要考慮旱季補(bǔ)水期間的對(duì)流擴(kuò)散模擬。

2.2 模型概化

依據(jù)沙湖港、羅家港及其周邊的地形地貌、水系分布、污染源分布以及湖泊內(nèi)閘壩、橋涵等構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特征，建立二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型。模型采用三角網(wǎng)格對(duì)港渠進(jìn)行二維網(wǎng)格概化。通過(guò)網(wǎng)格點(diǎn)將求解區(qū)域覆蓋，對(duì)其進(jìn)行空間和時(shí)間離散求解。采用網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行模型概化，提升網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的平滑性，減小計(jì)算誤差，保證模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，如圖2、圖3所示。

2.3 模型率定與驗(yàn)證

采用基于InfoWorks ICM的雨、污水管網(wǎng)和河湖模型構(gòu)建二維水動(dòng)力水質(zhì)模型。依據(jù)2016年6—7月實(shí)測(cè)資料，對(duì)水系管網(wǎng)、路網(wǎng)、水工建筑物等發(fā)生變化的構(gòu)筑物參數(shù)進(jìn)行復(fù)核校驗(yàn)，率定后模型的模擬水位過(guò)程與監(jiān)測(cè)水位過(guò)程的趨勢(shì)吻合較好（見(jiàn)圖4），Nash-Sutcliffe效率系數(shù)達(dá)到0.9左右。

3 生態(tài)補(bǔ)水方案分析

沙湖港和羅家港目前的來(lái)水主要包括兩個(gè)部分：一是沙湖污水廠、二郎廟污水廠、落步咀污水處理廠的尾水；二是港渠排口來(lái)水。沿線地區(qū)雨水進(jìn)入港渠，是港渠來(lái)水源頭之一。

沙湖港、羅家港生態(tài)補(bǔ)水量不僅要滿足水量要求，還需要滿足水質(zhì)要求。水質(zhì)與水量保證的基礎(chǔ)是水體的水環(huán)境容量屬性，該屬性保證了在某一水量條件下所接納污染物量。經(jīng)分析，可供補(bǔ)水的水源有長(zhǎng)江、沙湖、東湖。通過(guò)分析長(zhǎng)江、東湖水源與兩港水位差別、水質(zhì)差別，推薦的常態(tài)補(bǔ)水路線為從武鋼泵站引長(zhǎng)江水，即長(zhǎng)江→武鋼泵站→青山港→沙湖港→羅家港→長(zhǎng)江（見(jiàn)圖5）。

4 模型的建立與模擬

4.1 現(xiàn)狀水質(zhì)條件分析

沙湖污水廠、二郎廟污水廠和落步咀污水廠的尾水月平均出水量分別為15.74萬(wàn)、25.21萬(wàn)、10.45萬(wàn)m3/d，旱季（11月—翌年4月）通過(guò)羅家路泵站抽排或羅家路閘自排，河道水位由初始19.0m降低至18.8 m的情況下，河道整體流速較緩，其中：羅家港流速為0.08～0.15 m/s；沙湖港（沙湖－羅家港段）流速為0.08～0.28 m/s；其它段河道流速均小于0.1 m/s。旱季污水廠尾水入流后，在控制河道常水位19.0 m的情況下，河道的總體流速緩慢，均小于0.3 m/s。

由兩港的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知（見(jiàn)圖6），在三個(gè)污水廠尾水排入港渠后，兩港的CODCr濃度介于Ⅱ類與Ⅳ類水之間；TN濃度幾乎全部大于2 mg/L；NH3-N濃度大部分大于2 mg/L，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度介于1～2 mg/L之間；TP濃度大部分大于0.4 mg/L，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度為0.2～0.4 mg/L。

4.2 模擬方案邊界條件

在進(jìn)行河道補(bǔ)水之前，考慮18.0 m的初始水位作為補(bǔ)水前的河道狀態(tài)。由于入河管網(wǎng)排口晴天無(wú)污水入河，河道底泥在得到清淤后，內(nèi)源對(duì)河道補(bǔ)水期間的影響可忽略。另外，補(bǔ)水期間不考慮降雨面源輸入。補(bǔ)水前河道初始水質(zhì)為現(xiàn)狀河道水質(zhì)。補(bǔ)水量按三個(gè)污水廠尾水日產(chǎn)生量之和6 m3/s考慮。

4.3 生態(tài)補(bǔ)水方案水質(zhì)分析

4.3.1 NH3-N

河道現(xiàn)狀NH3-N濃度平均約3.5 mg/L，從武鋼泵站引長(zhǎng)江水對(duì)河道進(jìn)行6 m3/s補(bǔ)水，連續(xù)補(bǔ)水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的NH3-N濃度大幅下降，均由現(xiàn)狀的3.5 mg/L下降至0.5 mg /L左右，可達(dá)III～I(xiàn)V類水（見(jiàn)圖7）。沙湖港（徐東大街—沙湖段）換水效果較差，換水后NH3-N仍為劣V類。

4.3.2 TN

河道現(xiàn)狀TN濃度平均約8.3 mg/L，從武鋼泵站引長(zhǎng)江水對(duì)河道進(jìn)行6 m3/s補(bǔ)水，連續(xù)補(bǔ)水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TN濃度下降明顯，均由現(xiàn)狀的8.3 mg/L下降至3～5 mg/L左右，但仍為劣V類水（見(jiàn)圖8）。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，換水后TN仍為劣V類，超過(guò)8 mg/L。

4.3.3 TP

河道現(xiàn)狀TP濃度平均約0.75 mg/L，從武鋼泵站引長(zhǎng)江水對(duì)河道進(jìn)行6 m3/s補(bǔ)水，連續(xù)補(bǔ)水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TP濃度下降明顯，均由現(xiàn)狀的0.75 mg/L下降至0.12 mg/L左右，可達(dá)III～I(xiàn)V類水（見(jiàn)圖9）。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，換水后TP仍為劣V類。

綜上可知，從武鋼泵站引長(zhǎng)江水，且補(bǔ)水量為6 m3/s情形下，對(duì)河道進(jìn)行補(bǔ)水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TP和NH3-N濃度顯著降低，可達(dá)III～I(xiàn)V類水；TN濃度也顯著降低，但由于長(zhǎng)江水的TN濃度超過(guò)2 mg/L，補(bǔ)水后的港渠仍為劣V類水。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，TP、TN和NH3-N均為劣V類水。

5 結(jié) 論

（1）以長(zhǎng)江為補(bǔ)水水源，通過(guò)武鋼泵站以6 m3/s引水方式進(jìn)入河道，建立二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合數(shù)值模型。模擬效果較好，與現(xiàn)狀水動(dòng)力與水質(zhì)條件基本吻合。

（2）從武鋼泵站引長(zhǎng)江水，羅家港、沙湖港（青山港—羅家港段）TP和NH3-N顯著降低，沙湖港（徐東大街—羅家港）雖然得到了一定程度的換水，但該段水質(zhì)改善效果極其微弱。

（3）由于長(zhǎng)江水體的TN濃度超過(guò)2 mg/L，從長(zhǎng)江補(bǔ)水能夠降低河道的TN濃度，但補(bǔ)水后仍為劣V類水。

（4）由于長(zhǎng)江水體的TN、TP含量較高，在利用長(zhǎng)江補(bǔ)水進(jìn)港渠時(shí)，雖然能夠一定程度上降低港渠內(nèi)TP和TN濃度，但補(bǔ)水后仍為劣V類。通過(guò)引長(zhǎng)江水源對(duì)沙湖港、羅家港進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水并不能達(dá)到提升水質(zhì)的目標(biāo)，引水時(shí)還需考慮長(zhǎng)江水帶來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

由于目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)極其有限，支撐深入研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)較薄弱，現(xiàn)狀晴天入河的實(shí)際污染負(fù)荷、雨天的雨水徑流污染，以及合流制管道的溢流污染在本文研究中暫未涉及。下一步還需結(jié)合觀測(cè)資料，開(kāi)展汛期、非汛期以及各類污染入河后的對(duì)流擴(kuò)散、混合排放、生化降解、累積沉淀等復(fù)雜實(shí)際過(guò)程的模擬分析，以輔助各種情形下的優(yōu)化調(diào)度決策。

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Ecological Water Replenishment Scheme for Urban River and Lake Based on Hydrodynamic and Water Quality Coupling Model：A Case Study of Donghu-Shahu Lake Water System in Wuhan City

XIE Shan1，QIAN Xiaoyan1，XIANG Biwei1，YANG Sen2，LI Erming1

（1. Wuhan Institute of Water Affairs Science Research （Wuhan Water and Soil Conservation Monitoring Station），Wuhan 430010，China；2. Ewaters Environmental Science and Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：Ecological water replenishment of urban rivers and lakes is of significant importance for the sustainable development of cities and meeting people's living needs. Shahu Port and Luojia Port are located in central urban area of Wuhan and serve as water diversion channels for Donghu-Shahu Lake water system in river diversion project from the Yangtze River to the Lakes. This paper explores the ecological water replenishment scheme for diverting water from the Yangtze River to the Shahu Port and Luojia Port，taking into account the overall layout of Donghu-Shahu Lake water system and its connection. A two-dimensional hydrodynamic and water quality coupling numerical model is established to simulate the operation effects of ecological water replenishment scheme. Results indicate that concentration of total phosphorus and NH3-N decrease significantly in Luojia Port and Shahu Port （from Qingshan Port to Luojia Port section） when diverting water from Wuhan Iron and Steel Pump Station. Although there is a certain degree of water exchange in Shahu Port （from Xudong Street to Luojia Port section），the improvement of water quality in this section is extremely limited. Due to the high concentration of total nitrogen and total phosphorus in the Yangtze River，effect of ecological water replenishment on reducing total nitrogen concentration is very limited. Therefore，it is necessary to prevent the risk of water eutrophication when diverting water from the Yangtze River to port channels. The research findings can provide a reference for the quantitatively assessment of ecological water replenishment of urban rivers and lakes .

Key words：ecological water replenishment scheme；hydrodynamic and water quality coupling model；Wuhan City