城市湖泊隨季節(jié)變化的生態(tài)補水?dāng)?shù)值模擬研究

摘要：

城市湖泊在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、防汛、景觀等重要功能的同時，其水質(zhì)受到污水排放、下墊面改變和污染物輸入的嚴(yán)重威脅。然而，大多數(shù)水生態(tài)修復(fù)措施未考慮降水、排澇等因素的季節(jié)變化特征。提出了考慮年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市排澇需求的季節(jié)變化生態(tài)補水方案。以武漢市龍陽湖為研究對象，通過構(gòu)建二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)補水措施實施后湖泊水質(zhì)狀況，從時間和空間兩個維度分析水質(zhì)目標(biāo)的可達性，得到生態(tài)補水推薦方案。結(jié)果表明：在Ⅳ類水質(zhì)的總體目標(biāo)下，推薦方案的湖泊水質(zhì)平均達標(biāo)面積比例和平均達標(biāo)天數(shù)比例均高于80%，效果較好。研究成果可為城市湖泊的生態(tài)補水工程措施提供技術(shù)支撐。

關(guān)" 鍵" 詞：

城市湖泊； 生態(tài)補水； 季節(jié)變化； 水質(zhì)； 數(shù)值模擬； MIKE 21

中圖法分類號： TV213

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.006

收稿日期：

2023-12-18；接受日期：

2024-03-12

基金項目：

國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC3204505，2022YFC3202804）；武漢市漢陽區(qū)區(qū)級政府采購項目（HBZT-2021049-F049）

作者簡介：

王奕博，男，工程師，博士，研究方向為水庫生態(tài)調(diào)度與水生態(tài)模擬。E-mail：wangyibo@whu.edu.cn

通信作者：

劉" 攀，男，二級教授，博士，主要從事水庫調(diào)度與水文預(yù)報等研究。E-mail：liupan@whu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0044-09

引用本文：

王奕博，郭甜甜，劉攀，等.

城市湖泊隨季節(jié)變化的生態(tài)補水?dāng)?shù)值模擬研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：44-52，72.

0" 引 言

城市湖泊在城市經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、供水、防汛、景觀、人文等重要功能，較易受到人類活動的直接影響，城市排水系統(tǒng)的引入、污水排放、垃圾和污染物的輸入，均會導(dǎo)致湖泊水質(zhì)受到威脅，需要采取措施來改善水體質(zhì)量［1-3］。由于水儲量和水域面積較小等特點，城市湖泊的水動力特征受引調(diào)水影響較大，通過生態(tài)補水促進水體流動從而改善水質(zhì)的途徑較為有效［4-5］。近年來，中國通過發(fā)布工作方案、立法、制定綱領(lǐng)性文件等途徑，大力推進生態(tài)文明建設(shè)。2020年7月，水利部在《關(guān)于全國主要江河湖泊生態(tài)流量確認(rèn)的工作方案》中公布了2020～2022年需要確定生態(tài)流量的重點江河湖泊名單；2022年10月，黨的二十大報告指出，要統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理，推動重要江河湖庫生態(tài)保護治理［6-7］。因此，面向城市湖泊的生態(tài)補水方案研究十分有必要。

目前，城市湖泊的水質(zhì)改善措施主要有：① 污染控制。通過實施源頭污染控制措施，減少城市排放的污染物，定期清理湖底沉積物，減少富營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。② 岸線生態(tài)恢復(fù)。通過植被的恢復(fù)和生態(tài)工程手段，保護湖泊沿岸帶，減少岸線侵蝕，改善水域生態(tài)系統(tǒng)。③ 流域管理。通過雨水花園、雨水濕地等手段，管理城市雨水徑流，減緩雨水沖刷對湖泊的影響。④ 水體調(diào)蓄與水質(zhì)調(diào)控。通過湖泊水位調(diào)控、水質(zhì)保護、富營養(yǎng)化防治等措施改善湖泊水質(zhì)。⑤ 水質(zhì)監(jiān)測

與評估。通過建立健全水質(zhì)監(jiān)測體系，對湖泊水質(zhì)進行定期監(jiān)測和評估，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施［8-11］。然而，針對湖泊水質(zhì)改善的研究和措施雖考慮了流域管理、降雨徑流過程、洪水對水質(zhì)的影響、降水的季節(jié)變化特征等因素，但在日尺度上根據(jù)降水量大小來兼顧生態(tài)補水和城市排澇方面仍有待完善［12］。

龍陽湖作為武漢市漢陽區(qū)六湖聯(lián)通的重要環(huán)節(jié)，是當(dāng)?shù)氐闹匾獞?zhàn)略資源，但其水質(zhì)常年處于Ⅴ類以下。為進一步落實武漢市的湖泊治理工作，根據(jù)湖北省和武漢市湖泊保護的相關(guān)要求，急需開展龍陽湖的生態(tài)補水?dāng)?shù)值模擬研究工作，科學(xué)合理地開展龍陽湖的水體水質(zhì)治理、水生態(tài)保護工作，以期實現(xiàn)龍陽湖水質(zhì)“增二類、擴三類、轉(zhuǎn)四類、滅五類”的目標(biāo)［13］。因此，本文主要圍繞生態(tài)補水這一主題，以武漢市龍陽湖為例，通過構(gòu)建二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)補水措施實施后湖泊水質(zhì)狀況，分析水質(zhì)目標(biāo)的可達性，得到生態(tài)補水推薦方案。研究主要創(chuàng)新之處在于提出了考慮年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市防汛排澇需求的季節(jié)變化生態(tài)補水方案，相關(guān)研究結(jié)果將為城市湖泊的生態(tài)補水工程實施提供技術(shù)支撐。

1" 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

本文遵循《湖北省湖泊保護條例》《湖北省水污染防治條例》《武漢市水資源保護條例》，參考《龍陽湖保護規(guī)劃》和《龍陽湖一湖一策》中的相關(guān)內(nèi)容，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，進行科學(xué)計算、模型模擬和深入分析，龍陽湖生態(tài)補水?dāng)?shù)值模擬研究的技術(shù)路線如圖1所示。具體內(nèi)容如下：

（1） 流域現(xiàn)狀分析。收集研究對象及其匯水范圍內(nèi)的水文、土地利用類型、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，確定湖泊水功能區(qū)劃與水質(zhì)現(xiàn)狀，調(diào)查湖泊沿線排污口分布，計算入湖污染物負(fù)荷。

（2） 模型構(gòu)建與驗證。結(jié)合湖泊水下地形、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)、入湖污染物量等，采用MIKE 21構(gòu)建龍陽湖二維水動力水質(zhì)模型，確定降雨徑流、入湖流量、湖底糙率、入湖污染物濃度等計算條件，完成模型參數(shù)的率定和驗證。

（3） 湖泊生態(tài)補水措施效果分析。根據(jù)生態(tài)補水措施的總體目標(biāo)，結(jié)合水系連通情況和污染物負(fù)荷設(shè)計不同工況進行模擬，分析龍陽湖水質(zhì)目標(biāo)的可達性與不確定性，給出建議。

2" 研究區(qū)域概況

2.1" 流域水系

龍陽湖流域位于武漢市漢陽區(qū)，東經(jīng)114°10′～114°12′，北緯30°32′～30°34′。南北最大縱距1.94 km，東西最大橫距2.89 km，流域總面積10.3 km2。龍陽湖常水位19.15 m，湖泊水域面積1.68 km2，岸線長度約14.3 km，湖泊容積約341.40萬m3。龍陽湖水下地形起伏不大，較為平緩，屬寬淺型湖泊。

龍陽湖排水系統(tǒng)屬于蔡甸東湖水系，目前，蔡甸東湖水系已經(jīng)實現(xiàn)6湖連通。龍陽湖通過明珠河與墨水湖連通，通過湯山渠與三角湖連通，通過朱家新港及朱家老港與后官湖連通，區(qū)域匯流通過市政管網(wǎng)、地表徑流及龍陽湖明渠匯入湖泊調(diào)蓄，再通過現(xiàn)狀港渠進入南太子湖，非汛期經(jīng)東風(fēng)閘自排出長江，汛期經(jīng)東湖泵站及東湖低排泵站抽排出長江［14］。龍陽湖及其周邊水系概化圖如圖2所示。

2.2" 水文氣象

龍陽湖流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，具有雨量充沛、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點。年平均氣溫15.8～17.5 ℃，1月份多年平均氣溫最低約0.4 ℃；7、8月份多年平均氣溫最高約28.7 ℃。根據(jù)武漢市水資源公報，武漢市多年平均降水量為1 240.6 mm，4～9月是主雨期，降水量占全年70%左右，降水量年內(nèi)分配不均。

2.3" 水環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)武漢市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心發(fā)布的逐月地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，2013～2019年龍

陽湖水質(zhì)處于穩(wěn)定的劣Ⅴ類，2020～2023年處于穩(wěn)定的Ⅴ類。從時間分布上看，2013～2015年龍陽湖營養(yǎng)狀況為重度富營養(yǎng)，2015～2017年略有好轉(zhuǎn)至中度富營養(yǎng)，2018年開始再次惡化至重度富營養(yǎng)，2020年開始穩(wěn)定至中度富營養(yǎng)。從空間分布上看，湖周區(qū)域富營養(yǎng)化程度大于湖心區(qū)域?？偭?、氨氮、石油類污染物等是造成水體水質(zhì)惡化的主要污染物質(zhì)。

龍陽湖水質(zhì)惡化及水體富營養(yǎng)化的原因主要有：① 生活污水和生產(chǎn)養(yǎng)殖污水未經(jīng)處理直接入湖，污水收集、處理系統(tǒng)建設(shè)較為滯后；② 部分城中村環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施薄弱；③ 面源污染占比大，根據(jù)入湖污染負(fù)荷計算，龍陽湖流域面源污染貢獻占比最大；④ 內(nèi)源污染不可忽視，龍陽湖沉積物可向水體釋放的氮約為11.90 t/a、磷約為3.31 t/a，內(nèi)源污染對湖泊污染負(fù)荷的貢獻非常突出。

2.4" 水生態(tài)現(xiàn)狀

近幾年，龍陽湖水生態(tài)系統(tǒng)存在退化速度快、退化程度嚴(yán)重的問題，主要表現(xiàn)在水質(zhì)差、水生植被衰退和物種多樣性降低3個方面。與20世紀(jì)70年代的龍陽湖相比，水質(zhì)下降了一個等級；水生植被覆蓋率從原有的70%左右減少到目前的5%左右；食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)也由原來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)逐步趨于簡單結(jié)構(gòu)，原有水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，急需通過重建湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的方式對其進行治理。

3" 生態(tài)補水?dāng)?shù)值模擬模型構(gòu)建

3.1nbsp; 模型選取

龍陽湖是典型的城市淺水湖泊，由于湖泊水流結(jié)構(gòu)和污染物分布特征較為復(fù)雜，一般采用平面二維模型模擬流場分布，然后采用差分?jǐn)?shù)值解法求解對流擴散方程，模擬污染物濃度分布［15-16］。本研究采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）開發(fā)的MIKE 21二維水動力水質(zhì)模型建立龍陽湖流域污染物排放與水域水質(zhì)之間的輸入-響應(yīng)關(guān)系［17-18］。MIKE 21軟件的適用范圍從小型河流到大江大河，從湖泊到海灣，可適應(yīng)多變復(fù)雜的環(huán)境條件，在中國廣泛應(yīng)用于一些大型工程中［19］，如武漢東湖流域水環(huán)境治理、太湖流域水環(huán)境治理、長江實時洪水預(yù)報系統(tǒng)、淮河流域水質(zhì)管理與應(yīng)用等。

3.2" 模型構(gòu)建

3.2.1" 水動力模型

二維水動力控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系（Cartesian Coordinates）下的納維-斯托克斯方程組（Navier-Stokes equations），該方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向的動量方程和垂直水流方向的動量方程組成，在此不再贅述。

3.2.2" 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型，模型基本方程為

（hC）t+（MC）x+（NC）y=

xExhCx+yEyhCy+S+F（C）

（1）

式中：h為水深，m；

C為污染物指標(biāo)的濃度，mg/L;

M為橫向單寬流量，m2/s；

N為縱向單寬流量，m2/s；

Ex為橫向擴散系數(shù)，m2/s；

Ey為縱向擴算系數(shù)，m2/s；

S為源（匯）項，g/（m2·s），主要考慮環(huán)湖河道的進出水量所攜帶的污染物量；F（C）為生化項。

3.3" 模型設(shè)置

根據(jù)城市規(guī)劃中的“五線”管制制度，“藍線”是指城市江河湖泊水域控制線，湖泊藍線的范圍主要包括湖泊的水域、岸線以及周圍保護區(qū)。湖泊保護區(qū)根據(jù)湖泊的設(shè)計洪水位來劃定，一般包括湖堤、湖泊水體、湖盆、湖洲、湖灘、湖心島嶼等地形特征。據(jù)此，本次模擬范圍為龍陽湖藍線以內(nèi)水域，對應(yīng)常水位19.15 m。采用2019年12月1∶500實測水下地形成果。湖泊水下地形復(fù)雜，為了同時考慮計算量和計算精度，劃分網(wǎng)格時采用三角形網(wǎng)格以更好地貼和湖泊邊界，貼岸區(qū)域網(wǎng)格邊長20 m，湖泊中心網(wǎng)格邊長20～50 m，網(wǎng)格總數(shù)2 923個。此外，在湖區(qū)設(shè)置1個考核監(jiān)測點和3個模擬監(jiān)測點作為水質(zhì)監(jiān)測點，考核監(jiān)測點的觀測數(shù)據(jù)用于模型率定和生態(tài)補水效果分析，模擬監(jiān)測點用于生態(tài)補水效果分析。湖泊模型邊界、網(wǎng)格劃分、水下地形和水質(zhì)監(jiān)測點如圖3所示。

近幾十年來，龍陽湖水質(zhì)狀況在2019年經(jīng)歷了轉(zhuǎn)折。2000～2019年，龍陽湖水質(zhì)狀況處于穩(wěn)定的劣Ⅴ類，其中2010～2019年期間，武漢市漢陽區(qū)水務(wù)局對龍陽湖水生態(tài)環(huán)境采取了一系列綜合治理措施，包括排水工程、清淤工程、截污工程等，自2020年開始龍陽湖水質(zhì)狀況穩(wěn)定在Ⅴ類，對龍陽湖采取工程措施之后水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn)，但仍有待進一步改善。此外，從自然條件來看，武漢市2019年降水量在近些年相對較少，活水動力不足；從工程條件來看，隨著各項治理工程逐步推進，河道地形、排污口等基本穩(wěn)定，具備建?；A(chǔ)；從數(shù)據(jù)條件來看，2019年具備較為完善的地形資料和連續(xù)的觀測資料。因此，選取2019年作為本研究的模擬期，有利于更好地分析生態(tài)補水方案對龍陽湖水質(zhì)改善的效果。

研究數(shù)據(jù)和水質(zhì)狀況除特別說明的之外，均來自于《龍陽湖保護規(guī)劃》《龍陽湖一湖一策》《武漢市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況》等報告。

3.4" 計算條件

龍陽湖現(xiàn)狀入流主要包含天然降雨匯流和流域內(nèi)生活與工業(yè)廢水，出流主要包含水體蒸發(fā)和閘（泵）排水。水體流動一般受風(fēng)力和匯水渠的入流驅(qū)動。

3.4.1" 降雨徑流

龍陽湖流域內(nèi)無水文站，附近也缺乏可供利用的流量站，因此龍陽湖地區(qū)入湖徑流主要根據(jù)降水量資料并利用徑流系數(shù)法進行推求。根據(jù)武漢市漢陽區(qū)土地利用類型和GB 50014-2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，綜合徑流系數(shù)取0.41，經(jīng)計算，2019～2020年武漢市日降水量和龍陽湖流域日徑流深如圖4所示。

3.4.2" 蒸 發(fā)

產(chǎn)流過程中的雨量損失大多數(shù)為蒸發(fā)損失，假設(shè)湖面蒸發(fā)系數(shù)與附近陸面蒸發(fā)系數(shù)相等，則根據(jù)上述徑流系數(shù)法計算成果，龍陽湖湖面日凈雨量過程與龍陽湖流域日徑流深一致。因此，模型輸入條件考慮降雨過程，用日凈雨量來表示，如圖4中紅色線所示。

3.4.3" 風(fēng)速風(fēng)向

龍陽湖藍線水域面積僅1.68 km2，風(fēng)對龍陽湖水體交換率的影響占比僅約1%。因此，風(fēng)速風(fēng)向?qū)堦柡魉俚挠绊懣珊雎圆挥嫞谒畡恿λ|(zhì)模型中不考慮風(fēng)的影響。

3.4.4" 湖底糙率

龍陽湖水域面積較小、水下地形較緩，因此湖底糙率在整個模擬區(qū)域內(nèi)取常數(shù)值，初步設(shè)置湖底糙率為0.03，進而以2019～2020年的水質(zhì)監(jiān)測資料進行率定，最終確定其變化范圍在0.030～0.035之間。

3.4.5" 初始條件

湖泊初始水位采用常水位，初始濃度場根據(jù)2019年1月武漢市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況報告給定，選取龍陽湖主要污染物COD、NH3-N和TP作為評價指標(biāo)。

3.4.6" 邊界條件

與龍陽湖相連的渠道主要有龍口渠、湯山渠和明珠河，上邊界考慮龍口閘，下邊界考慮明珠閘和湯山閘。

水動力邊界條件：入口流量邊界為各工況設(shè)計流量，出口水位邊界為龍陽湖常水位。水質(zhì)邊界條件：入口濃度邊界為各工況設(shè)計濃度值，出口濃度邊界為初始背景濃度值。

3.4.7" 污染物輸入條件

污染物的輸入主要通過陸域點源、面源及湖面降水和內(nèi)源匯入。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，龍陽湖沿線具有排放流量的點源排污口共計27個。面源污染主要通過湖區(qū)流域范圍降雨徑流帶入，將面源污染均勻概化到湖周20個雨污混流排污口。所有點源和面源概化排污口分布情況如圖3所示。降塵污染在模型中以降水的形式伴隨入湖，由于龍陽湖水域面積較小，降塵污染相比地表徑流污染極小，故降塵污染在模型中忽略不計。內(nèi)源污染主要指底泥釋放污染物，由于龍陽湖基本已完成河底清淤工程，底泥污染量較小，故內(nèi)源污染在模型中忽略不計。

3.4.8" 擴散系數(shù)和降解系數(shù)

降解系數(shù)受溫度影響變化較大，參照丹江口水庫、三峽水庫、湯遜湖等湖庫的計算成果（表1），根據(jù)龍陽湖水域面積、地形特征等實際情況，初步確定擴散系數(shù)以及COD、NH3-N和TP的降解系數(shù)取值依次為1 m2/s、0.02 d-1、0.02 d-1和0.017 d-1，進而以2019～2020年的水質(zhì)監(jiān)測資料進行率定，最終確定各參數(shù)值如表2所示。

3.5" 生態(tài)補水量計算

生態(tài)補水量即水動力邊界條件中的入口流量，現(xiàn)有生態(tài)補水工程措施常將生態(tài)補水量視為定值或根據(jù)汛期和非汛期分段取值，為更適應(yīng)年內(nèi)降水分布規(guī)律和城市防汛排澇需求，本節(jié)提出一種基于降水過程的生態(tài)補水量計算方法。

如圖5所示，生態(tài)補水流量隨降水量的增大而先增后減。當(dāng)降水量小于P1時，湖泊自身調(diào)蓄能力能夠滿足排澇需求，隨著降水量的增加入湖污染物也隨之增加，需要增加補水量以增強活水動力，此時以補水為主。當(dāng)降水量介于P1和P2之間時，湖泊自身調(diào)蓄能力難以滿足降水和補水雙重影響下的排澇需求，需要減少生態(tài)補水量以兼顧城市排澇需求。當(dāng)降水量大于P2時，防汛排澇為第一要務(wù)，不再進行生態(tài)補水，且應(yīng)根據(jù)降水情況開閘排水。圖5所示的生態(tài)補水策略能夠根據(jù)降水分布規(guī)律實時調(diào)整補水量，可有效避免非汛期內(nèi)突發(fā)強降水情況下未減少補水量而造成的城市內(nèi)澇災(zāi)害。

生態(tài)補水流量與降水量的關(guān)系可根據(jù)流域特性設(shè)置為線性（實線）、指數(shù)（短劃線）、冪（虛線）等多種形式。以線性關(guān)系為例（本文所采用函數(shù)形式），生態(tài)補水流量可通過下式進行計算：

q=Q2-Q1P1p+Q1，0≤p≤P1p-P2Q2P1-P2，P1≤p≤P20，P2≤p

（2）

式中：q為生態(tài)補水流量，m3/s；

p為降水量，mm；

Q1為生態(tài)補水流量背景值，m3/s；

Q2為生態(tài)補水流量上限值，m3/s；

P1為限制補水降水量，mm；

P2為停止補水降水量，mm。

Q1根據(jù)自然流動條件下的湖泊出流能力確定，Q2和P1根據(jù)湖泊調(diào)蓄能力及模擬結(jié)果進而率定，P2根據(jù)研究區(qū)域防汛排澇標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策確定。

4" 生態(tài)補水措施效果分析

4.1" 總體目標(biāo)

基于龍陽湖目前水質(zhì)污染較為嚴(yán)重的現(xiàn)狀以及近期目標(biāo)（2025年），根據(jù)《武漢市水功能區(qū)劃》，龍陽湖水質(zhì)總體目標(biāo)為Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上增設(shè)Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)（功能目標(biāo)）作為對比。

4.2" 計算工況

考慮生態(tài)補水的不同流量和污染物濃度，設(shè)置10種計算工況，如表3所示。

入湖流量條件包含5種：① 全年2 m3/s；② 全年3 m3/s；③ 全年4 m3/s；④ 豐水期4～9月份2 m3/s，枯水期10月至次年3月份4 m3/s；⑤ 日降水量0～15 mm時補水2.5～4.0 m3/s，流量值隨降水量增大而線性遞增，日降水量15～20 mm時補水4～0 m3/s，流量值隨降水量增大而線性遞減，日降水量大于20 mm時不補水。入湖污染物濃度條件包含兩種：（a）地表水（湖庫）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；（b）地表水（湖庫）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

入湖流量條件①、②、③設(shè)置的目的主要是與④和⑤形成對照。入湖流量條件④解釋如下：豐水期降水量較大，對龍陽湖的水源補充較為明顯，能夠起到活水作用，而枯水期降水量較小，活水動力不足，需要加大生態(tài)補水流量。入湖流量條件⑤解釋如下：降水量大時地表徑流所攜帶污染物入湖量也較大，此時需要進行的生態(tài)補水流量也應(yīng)較大，因此，在日降水量較?。ㄐ〉街杏?～15 mm）時，隨著日降水量的增大補水流量也隨之增大，同時考慮到龍陽湖排澇需求以及降水本身對龍陽湖的水源補充，在日降水量較大（中雨15～20 mm）時，隨著日降水量的增大補水流量隨之減小，當(dāng)日降水量持續(xù)增大（gt;20 mm）時，主要考慮到龍陽湖流域的排澇影響，不進行生態(tài)補水。入湖流量條件⑤所對應(yīng)的季節(jié)變化生態(tài)補水流量如圖6所示。

4.3" 水質(zhì)目標(biāo)可達性分析

4.3.1" 水質(zhì)目標(biāo)的空間可達性分析

水質(zhì)目標(biāo)的空間可達性是指不同工況下的湖泊水質(zhì)達到地表水Ⅲ類或Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的水域面積占湖區(qū)總面積的比例。不同工況下湖泊水質(zhì)達標(biāo)面積比例如圖7所示。

（1） 工況1～工況6。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況1條件下分別為88%，73%和63%，在工況2條件下分別降至49%，38%和2%，在工況3條件下分別升至95%，79%和75%，在工況4條件下分別降至54%，46%和2%，在工況5條件下分別升至98%，83%和86%，在工況6條件下分別降至59%，48%和2%。達Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例均較低。工況3由于在補水量和入湖污染物濃度方面有了改善，湖泊水質(zhì)勉強達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；工況5進一步增加補水量，湖泊水質(zhì)相比工況1～4有了較大改善，整體達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；

與相同入湖污染物濃度的工況2和工況4相比，工

況6由于生態(tài)補水流量的提升，補水效果有了一定改善，但整體效果不如工況5。在以上6種條件下，龍陽湖水質(zhì)達標(biāo)情況不佳，尤其是TP濃度不達標(biāo)，有必要調(diào)整生態(tài)補水策略。

（2） 工況7～工況8。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況7條件下分別為98%，80%和77%，在工況8條件下分別降至56%，40%和2%。達Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的平均水域面積比例均較低。工況7粗略考慮了年內(nèi)降雨分布的不均勻性，進行了季節(jié)性生態(tài)補水，且補水效果較好，湖泊水質(zhì)基本達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工況8由于入湖污染物濃度較高，整體效果相對工況7較差。

（3） 工況9～工況10。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均水域面積比例在工況9條件下分別為95%，80%和80%，在工況10條件下分別降至78%，75%和65%。工況9和工況10考慮了年內(nèi)降雨分布特征，并且在降水量較大時不進行補水，以保障城市排澇需求，湖泊水質(zhì)基本達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工況10與工況9相比，入湖污染物濃度從地表水Ⅲ類變?yōu)棰纛?，?dǎo)致補水效果欠佳，可見在合理調(diào)控補水流量的同時，也要嚴(yán)格控制入湖污染物濃度。

對于各工況，從季節(jié)角度來看，冬季由于降水量少、水源補充不足且污染物降解系數(shù)偏低，各工況條件下達標(biāo)水域面積相比其他季節(jié)均較低。隨著補水量和入湖污染物濃度的降低，春季、夏季和秋季的生態(tài)補水效果改善較為明顯。

4.3.2" 水質(zhì)目標(biāo)的時間可達性分析

水質(zhì)目標(biāo)的時間可達性是指不同工況下的湖泊水質(zhì)達到地表水Ⅲ類或Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的模擬天數(shù)占全年總天數(shù)的比例。不同工況下湖泊水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)比例如圖8所示，各監(jiān)測點污染物濃度變化情況如圖9所示。

（1） 工況1～工況6。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況5條件下最佳，在工況2條件下較差。對于考核監(jiān)測點，當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅲ類時（工況1、3、5），3種污染物的達標(biāo)天數(shù)比例均在85%以上，達標(biāo)率較高；當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅳ類時（工況2、4、6），3種污染物的達標(biāo)天數(shù)比例較低，尤其是TP達標(biāo)率極低。對于模擬監(jiān)測點，3種污染物的達標(biāo)天數(shù)比例更低。隨著生態(tài)補水量的增加，水質(zhì)達標(biāo)情況逐步改善。

（2） 工況7～工況8。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況7條件下較好。對于考核監(jiān)測點和模擬監(jiān)測點，當(dāng)入湖污染物濃度升高的同時，伴隨著水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)的大幅降低。工況7和工況8考慮了年內(nèi)降雨分布的不均勻性，且工況7和工況8分別相比工況5和工況4，在補水效果相近的同時引用水量更少。

（3） 工況9～工況10。

全湖COD、NH3-N和TP達Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)的平均天數(shù)比例在工況9條件下較

好。對于考核監(jiān)測點，3種污染物的達標(biāo)天數(shù)比例均在60%以上，當(dāng)入湖污染物濃度為地表水Ⅲ類時，達標(biāo)率更高。工況9相比工況1～8效果較好，在Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的總體目標(biāo)下，水質(zhì)達標(biāo)，但是距離Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)差距較大，仍需加大生態(tài)補水量并嚴(yán)格控制各類入湖污染物。

4.4" 不同工況模擬效果對比分析

按照龍陽湖Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的總體目標(biāo)，分別從水質(zhì)達標(biāo)面積、水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)和季節(jié)性變化生態(tài)補水的角度對不同工況的模擬效果進行對比分析。

（1） 水質(zhì)達標(biāo)面積。

由圖9可知，工況1～6在入湖污染物濃度相同的條件下，隨著補水流量的增加，水質(zhì)達標(biāo)面積均為遞增趨勢。工況7～10考慮到豐枯水期、降水分布特征以及湖泊排澇需求等，采用隨時間變化的生態(tài)補水方式。在相同補水流量條件下，補水污染物的濃度越低，水質(zhì)達標(biāo)面積比例越高，表明生態(tài)補水能夠極大改善湖泊水質(zhì)，且補水量越大、補水所含污染物濃度越低，水質(zhì)改善效果越好。工況10相比相同補水污染物濃度的工況2、4、6和8條件下的TP達標(biāo)面積比例明顯增高，這是由于全年無休地引用Ⅳ類水削減了由于活水動力帶來的改善水質(zhì)作用。

（2） 水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)。

由圖9可知，工況1～6在入湖污染物濃度相同的條件下，隨著補水流量的增加，水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)均為遞增趨勢。工況7～10在相同補水流量條件下，補水污染物的濃度越低，水質(zhì)達標(biāo)天數(shù)比例維持穩(wěn)定。在補水流量達到3～4 m3/s、補水污染物濃度達到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時，各污染物的達標(biāo)天數(shù)比例均達到90%以上。

（3） 季節(jié)性變化生態(tài)補水。

季節(jié)性變化生態(tài)補水主要是指工況7～10中隨時間變化的生態(tài)補水流量。由圖8和圖9可知，工況9和工況10的水質(zhì)改善效果相比工況1～8有明顯提升，是由于工況9和工況10在增加活水動力的同時避免了持續(xù)不斷向湖泊引入新的污染物。工況9和工況10基于降水分布特征合理分配補水流量，不與湖泊排澇需求相矛盾，能夠在引用更少水量的同時與工況3和工況5補水效果保持相當(dāng)，這種方案考慮到了龍陽湖流域的降雨特征以及運行成本等經(jīng)濟因素。而工況7和工況8僅依據(jù)多年平均降水量粗略劃分了豐水期和枯水期，以此進行季節(jié)性生態(tài)補水，這種考慮有失偏頗，且忽略了防洪排澇等需求。綜上，工況9在水質(zhì)達標(biāo)面積比例、達標(biāo)天數(shù)比例、排澇需求以及引水成本等方面均具優(yōu)勢，更符合實際需求，可選作為龍陽湖生態(tài)補水措施的參考方案。

4.5" 效果不確定性分析

模型預(yù)測的水環(huán)境治理效果存在一定程度的不確定性［20-21］。具體表現(xiàn)為：

（1） 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。龍陽湖生態(tài)補水效果預(yù)測的準(zhǔn)確性與污染源數(shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)和模型參數(shù)取值有重要關(guān)系。入湖污染物濃度的統(tǒng)計和預(yù)測量與實際入湖量之間存在誤差，龍陽湖二維水動力水質(zhì)模型參數(shù)取值的合理性還有進一步校核和驗證的空間，這將在一定程度上影響模擬準(zhǔn)確性，不過本研究的模擬結(jié)果在量級和趨勢上均較合理，不影響生態(tài)補水方案效果的對比分析。

（2） 工程措施影響。武漢市漢陽區(qū)近年來正在或擬啟動湖泊水系連通、海綿化改造、農(nóng)村環(huán)境綜合治理、岸坡整治、底泥清淤、水生態(tài)修復(fù)等工程措施，涉及項目種類多、部門廣、論證難、審批慢，因此，治理措施能否按期、保質(zhì)完成具有較大不確定性，將直接影響龍陽湖水質(zhì)的改善效果。

（3） 外部環(huán)境擾動。一方面，漢江水中的氮、磷等指標(biāo)濃度是否滿足調(diào)水需要，是補水工程能否實施的制約因素；另一方面，點源和降塵污染是龍陽湖水質(zhì)污染的重要來源，其主要受周邊環(huán)境影響，因此，未來武漢市排污管控力度以及大氣環(huán)境質(zhì)量的治理改善程度也將影響龍陽湖入湖污染預(yù)測的合理性［23］。

5" 結(jié) 語

本研究提出的季節(jié)性變化生態(tài)補水方案可為城市湖泊水生態(tài)環(huán)境治理工作和相關(guān)研究提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：

（1） 增加引水量，可顯著改善龍陽湖水動力條件，促進污染物擴散降解，有利于湖泊水質(zhì)達標(biāo)。

（2） 全年平均補水流量范圍在3～4 m3/s區(qū)間內(nèi)，同時生態(tài)補水所含污染物濃度不高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中湖庫Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)濃度，則能夠滿足龍陽湖Ⅳ類水質(zhì)總體目標(biāo)要求，但這一措施引水成本較大且未考慮湖泊排澇需求。

（3） 考慮年內(nèi)降水分布和城市排澇影響，推薦龍陽湖生態(tài)補水方案如下：考慮到降水量的增大會導(dǎo)致地表徑流污染量同時增大，需增加補水量進而增強活水動力，日降水量0～15 mm時補水2.5～4.0 m3/s，流量值隨降水量增大遞增；考慮到湖泊防洪排澇需求，日降水量15～20 mm時補水4～0 m3/s，流量值隨降水量增大遞減；日降水量大于20 mm時不補水。

（4） 可通過城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)提質(zhì)增效、城市面源污染控制、農(nóng)村環(huán)境綜合整治、水生植被恢復(fù)等綜合措施進一步改善和維護水質(zhì)，確保湖泊水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)。

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（編輯：黃文晉）

Numerical simulation on seasonal ecological water supplement for urban lakes

WANG Yibo1，GUO Tiantian2，LIU Pan3，LI Yu1，F(xiàn)AN Yangzhen4，YANG Yichen3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；" 2.Wuhan Changyuan Information Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China；" 4.Hubei Water Resources and Hydropower Science and Technology Promotion Center，Hubei Water Resources Research Institute，Wuhan 430070，China）

Abstract：

Urban lakes play critical roles in socioeconomic development through providing ecosystem services，flood control，and landscape functions.The water quality of the lakes faces severe threats from sewage discharge，underlying surface changes，and pollutant input.However，most of the water ecological restoration measures have not considered the seasonal variation characteristics of factors such as precipitation and drainage.We proposed a seasonal ecological water supplement scheme that considered the variations in the distribution of annual precipitation and drainage demands in different seasons in a city.Taking Longyang Lake in Wuhan City as the study area，a two-dimensional hydrodynamic water quality mathematical model was constructed to simulate the water quality of the lake after the implementation of water ecological supplement measures.The accessibility of water quality targets was analyzed from both temporal and spatial perspectives，and a preferred water ecological supplement scheme was recommended.The study results indicated that under the overall target of Class IV water quality standards，the recommended scheme performed effectively.The average proportions of lake areas and days of water quality meeting standards would both exceed 80%.The results can provide technical support for the implementation of water ecological supplement engineering in urban lakes.

Key words：

urban lakes； ecological water supplement； seasonal variation； water quality； numerical simulation； MIKE 21