孫東旭，丁愛(ài)中

(北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院/教育部地下水污染控制與修復(fù)工程研究中心，北京 100875)

水是人類生存發(fā)展的基本條件，對(duì)于人類生活居住的城市來(lái)說(shuō)，這一條件體現(xiàn)于城市湖泊。一個(gè)地區(qū)的湖泊存在狀況可以反映一個(gè)城市的特征和發(fā)展水平。我國(guó)有許多城市湖泊，大多數(shù)湖泊屬于小型淺水湖泊，可用于防洪航運(yùn)、娛樂(lè)、發(fā)電和供水。多數(shù)城市湖泊還能作為景觀湖泊提高周圍居民的生活質(zhì)量，改變周邊的生態(tài)系統(tǒng)。

隨著人口增長(zhǎng)、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生了大量的污染物質(zhì)，城市湖泊極易成為這些污染物的受納體。調(diào)查表明，我國(guó)大部分城市湖泊、水庫(kù)己達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化或超富營(yíng)養(yǎng)化程度。如杭州西湖、南京玄武湖、江西九江甘棠湖、廣州麓湖、流花湖、武漢墨水湖等。我國(guó)大多數(shù)湖泊水的總氮(TN)質(zhì)量濃度超過(guò)0.02 mg/L，92%以上水體的總磷(TP)質(zhì)量濃度超過(guò)0.02 mg/L，近50%水體的TP質(zhì)量濃度為0.2～1.0 mg/L，水質(zhì)已普遍遭受污染。

針對(duì)城市湖泊特點(diǎn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其治理進(jìn)行了大量的研究。如泰晤士河建立城市污水和廢水的治理系統(tǒng)。美國(guó)通過(guò)與自然相協(xié)調(diào)的可持續(xù)河流管理理念，建立了完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)。日本強(qiáng)調(diào)用生態(tài)工程方法治理河流環(huán)境、恢復(fù)水質(zhì)、維護(hù)景觀多樣性和生物多樣性。我國(guó)對(duì)人工生態(tài)工程凈化系統(tǒng)和水生植物凈化湖泊方面的研究也取得了巨大進(jìn)展。

相對(duì)于缺水和水質(zhì)較差的城市，水量調(diào)控是城市湖泊水資源維持和改善的重要措施。水量調(diào)控治理城市湖泊見(jiàn)效較快，調(diào)水時(shí)通過(guò)改善水動(dòng)力條件，可以提高水體的自凈能力；水量調(diào)控也是湖泊水資源維持的先決條件，不僅可以改善湖泊水質(zhì)，也可以應(yīng)對(duì)湖泊水體在豐水期和枯水期水位的急劇變化；水量調(diào)控還可以對(duì)水資源進(jìn)行合理的分配和調(diào)度，避免水資源的浪費(fèi)。沒(méi)有一個(gè)合理的水量調(diào)控措施做為保障，城市的水資源利用效果將大打折扣。

筆者以北京南海子湖泊為實(shí)驗(yàn)?zāi)M案例，根據(jù)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和保護(hù)目標(biāo)，以TP為水質(zhì)的控制目標(biāo)，通過(guò)建立的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模型，模擬了綜合考慮水質(zhì)水量的湖泊水調(diào)度問(wèn)題，研究不同水量調(diào)控方案對(duì)改善城市湖泊水體水質(zhì)的總體效果和最大收益。為基于水量調(diào)控治理城市湖泊水資源狀況這一措施提供依據(jù)和建議。

1 北京南海子湖泊概況

南海子郊野公園位于大興區(qū)東北部南五環(huán)南側(cè)、大興新城與亦莊新城之間，全園規(guī)劃面積約8 000萬(wàn)m2。其中，一期工程總占地面積1 524萬(wàn)m2，湖泊水體面積30萬(wàn)m2，引水渠總長(zhǎng)4.5 km，湖體平均水深1.5 m，總蓄水量約70萬(wàn)m3。

據(jù)預(yù)測(cè)，湖泊蒸發(fā)、滲漏及綠化灌溉需水量約291.67 m3/h，湖泊擬通過(guò)引水渠引水入湖416.67 m3/h。由于湖泊尚未建設(shè)完成，一期景觀湖仍為目前普遍采用的“盲腸式用水”模式，即湖泊通過(guò)水閘等手段獨(dú)立于外部水系，不與外部水系一起循環(huán)，只有在需要的時(shí)候從水源引水進(jìn)行一定的補(bǔ)水。

目前，南海子湖泊水質(zhì)保持主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)湖泊水系主要水源為大興區(qū)內(nèi)污水處理廠和再生水廠的再生水，相對(duì)公園內(nèi)景觀環(huán)境用水水質(zhì)具有一定差距；(2)水資源量極度短缺，總供水水量不足，生態(tài)換水量和換水頻率不足，導(dǎo)致公園水體流動(dòng)性差，存在發(fā)生水華的潛在風(fēng)險(xiǎn)；(3)湖泊水系為新建，尚未建立自身生態(tài)系統(tǒng)，水體自凈能力低，環(huán)境容量低；(4)缺乏水體健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)；(5)缺乏水質(zhì)惡化應(yīng)急處理系統(tǒng)。

2 模型的建立

在湖泊中選取8個(gè)采樣點(diǎn)作為模型建立、模擬、驗(yàn)證的參考數(shù)據(jù)，具體位置見(jiàn)圖1，采樣點(diǎn)基本覆蓋了湖泊的整體范圍。

圖1 模型建立的采樣點(diǎn)分布圖

由于南海子湖泊屬于城市淺水湖泊，所以方程需考慮柯氏力、水面風(fēng)應(yīng)力及湖底摩擦力，應(yīng)用Navier-Stokes方程，可得到湖泊的控制方程[1-2]，如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：δ為湖面的水位，m；h為水深，m；q為湖泊的流量，m3/h；u為沿x方向的流速分量；v為沿y方向的流速分量；g為重力加速度，m/s；ρ為水體密度，g/m3；f為柯氏力系數(shù)；τbx和τby為湖面風(fēng)應(yīng)力分量；τwx和τwy為湖底摩擦力分量。

對(duì)上述8個(gè)點(diǎn)TN、TP的分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

采樣時(shí)間(a) 各點(diǎn)變化

采樣時(shí)間(b) 各點(diǎn)平均值變化圖2 南海子湖區(qū)采樣點(diǎn)氮磷比隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

根據(jù)Stumn研究，氮磷比在小于7時(shí)為氮限制，大于7為磷限制。

由圖2的結(jié)果可以看出，南海子湖氮磷比大于7，為磷限制湖泊，所以水質(zhì)模型選取TP作為模擬對(duì)象，如式(4)、式(5)所示。

(4)

F(C)=Sp-KTP×C×H

(5)

式中：M、N分別為橫向和縱向的單寬流量，m2/s；Ex為橫向擴(kuò)散系數(shù)；Ey為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；C為水體TP質(zhì)量濃度，mg/L；S為源匯項(xiàng)，g/(m2·s)；F(C)為生化項(xiàng)；Sp為底泥磷釋放速率，g/(m2·d)；KTP為綜合沉降系數(shù)，d-1。

模型求解采用笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程，網(wǎng)格大小為100 m×100 m，如式6、式7所示[3-5]。

(6)

(7)

式中：h為水深，m；u和v為流速在x和y方向的分量；g為重力加速度，m/s；Δx和Δy為x和y方向的特征長(zhǎng)度，m；Δt為時(shí)間間距，s。

模型的初始條件為2012年1月11日8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值，模型的南邊界條件是監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4和S5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

模型各項(xiàng)參數(shù)的確定分別為式(8)～式(11)[6]。

f=2×ω×sinφ

(8)

式中：f為柯氏力系數(shù)；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為湖泊所處緯度。

(9)

τωx=CD·ρa(bǔ)·w·wx

(10)

τωy=CD·ρa(bǔ)·w·wy

(11)

式中：τωx和τωy為湖面風(fēng)應(yīng)力分量；CD為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；w為離湖面10 m處風(fēng)速，m/s；wx和wy分別為x，y方向的風(fēng)速，m/s。

根據(jù)采樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和公園建設(shè)資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果反應(yīng)了南海子公園湖泊的水體指標(biāo)的變化特征，所以模型可用于模擬計(jì)算湖泊水質(zhì)和水量的變化結(jié)果。

3 水量調(diào)控策略模擬分析

3.1 南海子湖泊水質(zhì)水量現(xiàn)狀

根據(jù)南海子湖泊的工程建設(shè)條件，假設(shè)南海子湖泊一次性引水達(dá)到蓄水量為70萬(wàn)m3，此時(shí)水位可達(dá)到29.5 m，湖心水深2.5 m，湖面面積為30.81 m2，分析其蓄水量的逐月變化情況。經(jīng)分析，南海子湖三月份蓄水量較少，可以在三月中旬對(duì)湖泊進(jìn)行引水調(diào)控，保證其在春夏兩季水量豐沛。同時(shí)通過(guò)計(jì)算得到湖泊引入水須達(dá)到10萬(wàn)m3，才可保證湖泊在維持水量的基礎(chǔ)上，湖泊污染物濃度進(jìn)一步下降。

采樣結(jié)果表明南海子湖夏季磷濃度較高，其余月份較低。全年平均值為0.143 mg/L，各采樣點(diǎn)的水質(zhì)優(yōu)劣不同。表1為2012年～2013年各個(gè)采樣點(diǎn)TP的平均監(jiān)測(cè)值。由表1數(shù)據(jù)可以看出湖東的磷質(zhì)量濃度低于湖西。

表1 2012年～2013年各采樣點(diǎn)TP質(zhì)量濃度平均值

3.2 水量調(diào)控方案設(shè)計(jì)

為了改善城市湖泊水質(zhì)環(huán)境，降低污染物在湖泊中的總體濃度，筆者提出3種調(diào)控策略，選擇在枯水季3月為湖泊進(jìn)行引水和入湖徑流作為模型的邊界條件，以TP為狀態(tài)變量，進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1) 湖西入水口引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對(duì)湖西入水口進(jìn)行入水，進(jìn)水量為0.4 m3/s，引入水經(jīng)湖東入水口流入湖西，從湖西出水口排出。

(2) 湖東入水口引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對(duì)湖東入水口進(jìn)行引水，進(jìn)水量為0.4 m3/s，流入湖東后進(jìn)入湖西，同時(shí)從湖東出水口流出。

(3) 對(duì)湖西入水口和湖東入水口分別進(jìn)行引水：從2012年3月11日到2012年4月11日，對(duì)湖西入水口進(jìn)行引水，進(jìn)水量為0.2 m3/s，在2012年3月11日到2012年4月11日對(duì)湖東進(jìn)行引水，進(jìn)水量為0.2 m3/s，同時(shí)通過(guò)湖西的自流引水改善湖泊的整體水動(dòng)力和水質(zhì)條件。

3.3 方案模擬結(jié)果分析

3.3.1 不同調(diào)控方案模擬分析

通過(guò)模型模擬發(fā)現(xiàn)，第1種方案容易造成湖西污染物流入湖東，湖東水質(zhì)條件得不到改善，甚至在采樣點(diǎn)S7和S8處水質(zhì)條件進(jìn)一步變差，使湖西的污染遷移到湖東區(qū)域。第2種方案由于受南海子湖泊水動(dòng)力條件限制，湖東的引入水不能進(jìn)入湖西，無(wú)法改善湖西的水質(zhì)環(huán)境。造成這2種方案無(wú)法有效地治理湖泊污染的主要原因是受到湖泊的水動(dòng)力條件限制，同時(shí)湖西和湖東的污染狀況并不相同，污染物容易通過(guò)湖泊的水循環(huán)發(fā)生遷移，容易使水質(zhì)較好的區(qū)域面臨水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

在第3種引水方案下，模型模擬得到各采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)TP含量的變化過(guò)程，見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 2012年采樣點(diǎn)S1處TP含量變化

圖4 2012年采樣點(diǎn)S3處TP含量變化

由圖3和圖4可以看出對(duì)湖西入水口處進(jìn)行引水方案可以較快地改善湖西水質(zhì)，有效地降低 湖西污染物向湖東遷移的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 2012年采樣點(diǎn)S4處TP含量變化

圖6 2012年采樣點(diǎn)S5處TP含量變化

圖7 2012年采樣點(diǎn)S6處TP含量變化

圖8 2012年采樣點(diǎn)S7處TP含量變化

由圖5～圖7可以看出通過(guò)湖東入水口引水和湖西的自流引水，南海子公園湖東各區(qū)域水質(zhì)得到有效改善。通過(guò)圖8可以看出，采樣點(diǎn)S7處TP質(zhì)量濃度并未發(fā)生大幅度的升高變化，說(shuō)明湖西區(qū)域污染物和湖東其它區(qū)域污染并未在采樣點(diǎn)S7區(qū)域滯留，大幅度降低了污染物遷移到湖泊其它區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 南海子湖東不同引水流量模擬分析

對(duì)于水量調(diào)控方案三，模擬設(shè)計(jì)3種不同的引水規(guī)模，分別為0.2、0.4、0.6 m3/s，對(duì)這3種流量進(jìn)行模擬計(jì)算，連續(xù)引水時(shí)間為20 d，對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)域的TN和TP以及COD平均濃度進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算引水后相對(duì)于引水前的各個(gè)水質(zhì)條件的改善效果，如表2～表4所示。

由表2～表4可見(jiàn)，如果按照0.2 m3/s引水流量對(duì)湖東入水口進(jìn)行引水，采樣點(diǎn)S7處的水質(zhì)容易發(fā)生進(jìn)一步惡化，其主要原因是在南海子湖泊水動(dòng)力條件的作用下，湖東東北部區(qū)域容易使污染物滯留，其它湖泊區(qū)域污染物發(fā)生遷移，影響湖泊個(gè)別區(qū)域的水質(zhì)改善效果，甚至使水質(zhì)相對(duì)較好的區(qū)域水質(zhì)變差。而湖西0.1 m3/s的出水流量不足以在引水時(shí)間內(nèi)使污染物都排出進(jìn)入湖東。因此0.2 m3/s的引水流量方案不能完全有效地改善南海子湖泊各個(gè)區(qū)域的水質(zhì)狀況，引水規(guī)模略顯不足。

表2 3種流量分別對(duì)各采樣點(diǎn)TN影響效果統(tǒng)計(jì)表

表3 3種流量分別對(duì)各采樣點(diǎn)TP影響效果統(tǒng)計(jì)表

表4 3種流量分別對(duì)各采樣點(diǎn)COD影響效果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

水量調(diào)控這一措施可以快速有效地改善湖泊的水質(zhì)條件，使城市湖泊水體中污染物濃度大幅度降低，但是采用水量調(diào)控治理湖泊還需要考慮多種不同因素。

(1) 針對(duì)城市湖泊水動(dòng)力條件，需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的引水調(diào)度方案，對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)水和換水，如果引水調(diào)控方案不合理，不僅不能有效地降低城市湖泊的污染物濃度，而且使城市湖泊中的主要污染物滯留在水體中。

(2) 引水規(guī)模對(duì)湖泊的治理效果有著極大影響。隨著引水流量的增大，湖泊的主要水質(zhì)指標(biāo)如COD、TN和TP的改善結(jié)果不斷增強(qiáng)，同時(shí)湖泊的改善增值率則不斷下降。因此，在采用水量調(diào)控這一措施時(shí)，筆者不僅要考慮湖泊的治理改善效果，同時(shí)還要考慮治理的投資運(yùn)行成本，隨著引水規(guī)模的不斷增大，投資成本也隨著不斷增加，但是改善效果卻在不斷降低，這會(huì)造成投資效益比的明顯下降。因此根據(jù)不同城市湖泊的工程數(shù)據(jù)，需要選取最為合適的引水流量，同時(shí)需要綜合考慮湖泊的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的相關(guān)影響因素。

(3) 雖然合理的水量調(diào)控措施可以快速有效地治理城市湖泊污染，但是同時(shí)還存在許多風(fēng)險(xiǎn)與局限性。首先，城市湖泊的水動(dòng)力條件決定了再引水調(diào)控過(guò)程中，污染物容易發(fā)生遷移，使污染物進(jìn)入湖泊中水質(zhì)相對(duì)較好的區(qū)域，造成了水質(zhì)相對(duì)較好的區(qū)域的水質(zhì)惡化，所以選取合適的引水流量和引水周期，使湖泊的主要污染物排出湖泊水體是引水方案的重中之重。其次，引水調(diào)控方法治理城市湖泊的效果容易在幾年后發(fā)生反彈，所以在引水調(diào)控湖泊水體之后，還要控制入湖污染物進(jìn)入水體。

在引水調(diào)控過(guò)程中，改善了城市湖泊的水動(dòng)力條件，通過(guò)控制入湖污染，能大幅度改善湖泊水質(zhì)，避免在非引水期內(nèi)，湖泊各區(qū)域水質(zhì)產(chǎn)生不同程度的反彈。在控制污染物進(jìn)入水體、引水調(diào)控、生態(tài)修復(fù)等多種治理措施的綜合作用下，湖泊水質(zhì)才能逐年得到有效改善。

引水調(diào)控方案只適用于相對(duì)較小的城市湖泊，對(duì)于相對(duì)較大的城市湖泊引水換水治理措施不可行，這不僅造成了水資源的浪費(fèi)，還容易使水體水質(zhì)進(jìn)一步惡化。因此在治理城市湖泊污染的過(guò)程中，關(guān)鍵在于如何選取合理的治理手段，以最小的經(jīng)濟(jì)投入使水體達(dá)到最理想的狀態(tài)。

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