張靖雨 姜永生 操家順

洪澤湖水質(zhì)模型應(yīng)用設(shè)想

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1 概述

開辟馮鐵營引河等工程措施是浮山以下段行洪區(qū)調(diào)整的重要內(nèi)容之一，馮鐵營引河開挖對(duì)洪澤湖的水質(zhì)及周邊環(huán)境將產(chǎn)生一定影響，為此需要對(duì)馮鐵營引河建設(shè)對(duì)洪澤湖水質(zhì)的影響進(jìn)行模擬分析。洪澤湖水環(huán)境影響研究主要通過建立輸入—響應(yīng)模型，參照典型年洪水和來水水質(zhì)，分析馮鐵營引河開挖后的調(diào)度運(yùn)行對(duì)洪澤湖湖區(qū)的水質(zhì)影響范圍和程度，研究淮河干流不同來水水量水質(zhì)條件下馮鐵營引河的啟用時(shí)機(jī)和水環(huán)境保護(hù)調(diào)度運(yùn)用方案。

1.1 洪澤湖概況

洪澤湖為淮河流域最大的湖泊型水庫，也是中國五大淡水湖中的第四大淡水湖泊。西納長(zhǎng)淮，南注長(zhǎng)江，東臨黃海，北連沂沭，湖面分屬江蘇省淮陰市的盱眙、洪澤、淮陰3縣和宿遷市的泗陽、泗洪2縣。洪澤湖屬淺水湖泊，湖盆呈淺碟形，湖底十分平坦，湖區(qū)地形總趨勢(shì)為西高東低，湖底為現(xiàn)代河湖沉積物所覆蓋。

注入洪澤湖的主要河流有淮河、新汴河、懷洪新河等，分布于洪澤湖的西岸。出湖河道主要是東岸的三河（入江水道工程）、淮河入海水道、二河（下游為淮沭新河）和蘇北灌溉總渠，其中三河是最大的出湖河道。大部分區(qū)域的耗氧有機(jī)污染狀況稍好，而湖泊的富營養(yǎng)狀況不容樂觀。

根據(jù)江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒（2006）數(shù)據(jù)顯示，截至2005年底，涉湖的淮、宿兩市總?cè)丝?052.31萬，土地面積18627km2，地區(qū)生產(chǎn)總值937.74億元。農(nóng)林牧漁業(yè)從業(yè)總?cè)丝?20.27萬，總產(chǎn)值401.77億元，占地區(qū)生產(chǎn)總值的42.8%；漁業(yè)生產(chǎn)總值58.62億元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值14.6%。

1.2 馮鐵營引河概況

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、城市化進(jìn)程的加快，淮河流域防洪安全要求不斷提高。從2003年、2007年洪水的情況看，淮河中游仍存在著行蓄洪區(qū)難以及時(shí)啟用、廣大平原洼地排水出路不暢、澇災(zāi)嚴(yán)重等問題。水利部將淮河干流行蓄洪區(qū)調(diào)整作為治淮19項(xiàng)骨干工程重要組成部分。而開辟馮鐵營引河等工程措施是浮山以下段行洪區(qū)調(diào)整的主要工程內(nèi)容之一。

馮鐵營引河的開挖將影響洪澤湖周邊的排澇，對(duì)洪澤湖的流場(chǎng)流態(tài)以及生態(tài)環(huán)境都將產(chǎn)生一定影響，并有可能導(dǎo)致淮河中上游污水直接進(jìn)入洪澤湖中心湖區(qū)。由于淮河干流歷史上發(fā)生過污染事故，因此需要結(jié)合來水水質(zhì)水量研究工程運(yùn)行對(duì)洪澤湖區(qū)水質(zhì)的影響。

1.3 水質(zhì)模型簡(jiǎn)介

水質(zhì)模型的發(fā)展從時(shí)間上經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：1925年至20世紀(jì)70年代中期，主要開發(fā)了比較簡(jiǎn)單的生化需氧量和溶解氧（BOD-DO）的雙線性系統(tǒng)模型；20世紀(jì)70年代初期到80年代中期，水質(zhì)模型發(fā)展為六個(gè)線性系統(tǒng)，以多維模擬、形態(tài)模擬、多介質(zhì)模擬、動(dòng)態(tài)模擬等為特征的多種模型研究都有了迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代中期至今，水質(zhì)模型研究進(jìn)入到深化、完善與廣泛應(yīng)用的階段。

水質(zhì)模型目前的研究方向是與全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、環(huán)境問題的日益突出以及不斷更新的科技變革密不可分的。

2 洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)模擬的必要性

一維模型對(duì)于湖泊及水庫來說是反映垂向梯度的?；诤闈珊^(qū)情況，簡(jiǎn)單地將湖泊劃分成完全均勻混合的垂向水平層將給水質(zhì)模擬帶來較大誤差。而要準(zhǔn)確模擬又長(zhǎng)又深的洪澤湖中的水質(zhì)情況，縱向和垂向的水質(zhì)梯度同等重要。同時(shí)一維水質(zhì)模型不考慮污染物與河水的混合過程而假設(shè)在排污口斷面處瞬時(shí)充分混合均勻，只適用于預(yù)測(cè)符合一維動(dòng)力學(xué)降解規(guī)律的污染物如BOD、COD、有機(jī)毒物和重金屬等單項(xiàng)指標(biāo)的污染物，適用于充分混合段。而對(duì)于湖泊這種無法忽視混合過程的情況，必須采用二維模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

常用的水質(zhì)模型軟件有很多，包括Streeter-Phelps模型、QUAL模型、WASP模型以及Mike模型體系等。WASP模型具備了可視化的Windows操作界面，計(jì)算簡(jiǎn)便速度快，且可模擬水體中絕大多數(shù)污染物，同時(shí)WASP軟件能夠方便地和多種水力學(xué)程序如EFDC、DYNHYD5等對(duì)接，具有高效的富營養(yǎng)化和有機(jī)污染物處理模塊，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可直接進(jìn)行曲線比較。因此對(duì)于洪澤湖水質(zhì)模擬考慮應(yīng)用WASP軟件來進(jìn)行。

3 水質(zhì)模擬

通過對(duì)淮河干流和洪澤湖湖區(qū)的歷史水文、水質(zhì)、湖底地形等基本資料進(jìn)行處理，分析研究范圍內(nèi)污染源、水量和水質(zhì)變化規(guī)律。選擇適合的水質(zhì)指標(biāo)后，建立相應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)的多元耦合氧平衡方程。水質(zhì)模型以湖泊水動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過WASP與EFDC水動(dòng)力模塊耦合建立洪澤湖湖區(qū)二維水質(zhì)模型。

WASP模型水質(zhì)模塊的基本方程式質(zhì)量守恒方程：

式中 C為水質(zhì)指標(biāo)濃度；Ux、Uy、Uz為流速；Ex、Ey、Ez為河流的縱向、橫向和垂向擴(kuò)散系數(shù)；SL為污染源負(fù)荷；SB為邊界負(fù)荷；SK為動(dòng)力轉(zhuǎn)換項(xiàng)。

湖泊水質(zhì)模型概化采用正方形網(wǎng)格，采用有限差分的數(shù)值格式求解模型方程，利用實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)值估算法對(duì)重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行率定，擬選擇一個(gè)典型年的水污染事故數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證，Nash確定性系數(shù)R2為似然判據(jù)，驗(yàn)證采用目標(biāo)函數(shù)為效率系數(shù)。最后采用擾動(dòng)分析法對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行靈敏性分析。

建立洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)模型對(duì)洪澤湖湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)模型參數(shù)的靈敏性分析后能夠準(zhǔn)確評(píng)估各參數(shù)的不確定性對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果的影響大小，在水質(zhì)預(yù)測(cè)中可重點(diǎn)提高對(duì)模型結(jié)果影響程度大的參數(shù)的準(zhǔn)確度。

4 展望

通過本次研究工作，預(yù)期成果為一套模擬較為精確、性能較為穩(wěn)定的洪澤湖水質(zhì)二維模型，篩選出幾個(gè)對(duì)模型結(jié)果影響最大的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，例如污染物在水體和底泥中的遷移、轉(zhuǎn)化和衰減參數(shù)以及橫向轉(zhuǎn)移擴(kuò)散速率等參數(shù)，為以后洪澤湖的水質(zhì)預(yù)測(cè)研究提供參考，也為進(jìn)一步研究不同水質(zhì)水量條件下馮鐵營引河的啟用時(shí)機(jī)和相應(yīng)的水環(huán)境保護(hù)調(diào)度方案，為浮山以下段行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)的前期工作提供技術(shù)支撐

1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院 210098 2.淮河流域水資源保護(hù)局 233001）