徐 丹，付 湘，謝亨旺，靳偉榮，秦嘉楠

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201)

人類劇烈的社會經(jīng)濟活動和頻繁的氣候變化共同脅迫著脆弱的城市水生態(tài)環(huán)境[1]，使得部分河湖水質(zhì)變差。這在影響城市的整體形象的同時，也嚴重威脅了城市居民的健康和生態(tài)安全，已逐漸成為制約城市經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸因素。因此，研究切實可行的河湖水質(zhì)改善方法，對改善城市水生態(tài)環(huán)境意義重大。

引水沖污具有稀釋置換被污染水體、改善水動力條件的作用，大量的研究與具體工程實例的應用已證明了引水沖污對于改善城市河湖水環(huán)境是有效的。如安娟等[2]以南京城市內(nèi)河為研究對象，通過建立了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，在選擇引水水源、線路、方式及規(guī)模后進行了引水沖污模擬；陳振濤[3]等以杭州市江干區(qū)為例，構(gòu)建了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，模擬了不同的引水水量和水源水質(zhì)方案下河網(wǎng)水質(zhì)改善情況，進行了調(diào)水效果評估；張秀菊[4]等為分析南通市通州區(qū)新江海河地區(qū)不同引水方案下的水質(zhì)改善效果，模擬分析了不同引水方案對新江海河各斷面水體的化學需氧量和氨氮濃度變化的影響。

在以往研究的引水沖污方案中，大多采用某一固定大小的流量連續(xù)地進行引水沖污直到達到治理目標[5-7]，導致部分清水未能充分與污水混合就從需治理的水體中排出，所引清水的稀釋與置換功能未能充分發(fā)揮，造成了引水的極大浪費，在經(jīng)濟成本與資源節(jié)約上不可行。因此，在推進城市水生態(tài)文明建設形勢下，研究間歇式引水沖污以改善城市湖泊水質(zhì)，對于保障城市生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。本文以南昌市艾溪湖為例，采用MIKE 21構(gòu)建了二維水動力-水質(zhì)耦合模型，進行了引水沖污的模擬，并對傳統(tǒng)連續(xù)式引水沖污與間歇式引水沖污所需的水量進行了對比分析。

1 研究區(qū)域概況

研究對象艾溪湖 (115°58′08″～115°59′37″ E,28°40′16″～28°42′55″N) 位于江西省南昌市昌東鎮(zhèn)轄區(qū)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，湖面面積約 4.0 km2，平均水深約 3.5 m，是贛江古河道廢棄后經(jīng)積水而形成的一個典型城市內(nèi)湖。該湖泊補給主要來源于降水和幸福渠，只有一個位于東北角的出口，通過閘門向贛江南支排水入贛江。雖然集水面積小，但蒸發(fā)量大，加之自然狀態(tài)下湖泊水體交換率不高，水質(zhì)常年處于Ⅴ類或劣于Ⅴ類。艾溪湖水質(zhì)的改善作為城市基礎設施中很重要的組成部分，受到了高度重視。

本次引水沖污的引水水源地為江西省贛撫平原灌區(qū)，地處江西省偏北的贛江和撫河下游的三角洲平原地帶，水量充足，水質(zhì)良好，能達到《GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類水標準。灌區(qū)取水自撫河，通過焦石大壩攔截來水、抬高河道水位后，經(jīng)西總干、五干、五干二支渠后可流入艾溪湖，最后匯入贛江，全程均為渠道自流，作為艾溪湖進行引水沖污的引水水源地，具有較大的優(yōu)勢。艾溪湖只有一個位于南端的進口和一個位于東北角向贛江排水的出口。引水沖污的路線示意圖如圖1所示。

圖1 引水沖污線路示意圖Fig.1 The route of water diversion

2 間歇式引水沖污模擬

2.1 MIKE 21模型

MIKE 21 模型前、后處理模塊的功能強大，具有能根據(jù)實際模擬范圍設置干、濕節(jié)點和干、濕單元，內(nèi)置多種形式的邊界條件等多個優(yōu)勢，已被廣泛應用于湖泊、河流水動力、水質(zhì)數(shù)值模擬[8-13]。模型的控制方程為沿水深平均的二維淺水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組見公式(1)～(3)，可溶污染物的擴散控制方程見公式(4)。

(1)

fp-Ωq-v▽2p-λ(hua)=0

(2)

fp-Ωq-v▽2q-λ(hva)=0

(3)

式中：ε為自由水面水位，m；h為水深，m；u、v分別為x、y方向上的垂直平均流速 ，m/s；p=hu、q=hv分別為單寬流量在x、y方向上的分量，[m·(m/s)]；g為重力加速度，m/s2；f為阻力系數(shù)；Ω=2ωsinφ為柯式力系數(shù)，反映了地球自轉(zhuǎn)偏心力的作用，其中ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，為2π/(24×3 600) rad/s，φ為所在點的緯度；v為紊流渦黏系數(shù)；λ=Cwρaw/ρwh為風應力系數(shù)；ρa為空氣密度；ρw為水體密度；w、ua、va分別為風速及其在x、y方向的分量，m/s。

(4)

式中：h為水深，m；c為污染物濃度；u、v分別為x、y方向上的水平流速，m/s；F為線性衰減系數(shù)，s；λx、λy為x、y方向上的擴散系數(shù)，m2/s；S=Qs·(cs-c)，其中Qs為源匯項流量，m3/(s·m2)，cs為源匯項處污染物相對濃度。

MIKE 21模型包含許多模塊，此次選用的是水動力模塊和對流擴散模塊。水動力模塊能模擬由于外界條件變化引起的水體水位和流場的變化，是MIKE 21中其他模塊的基礎。對流擴散模塊能模擬在不同外界條件影響下湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)的擴散、遷移過程?？紤]到引水沖污相對歷時較短，對水體的稀釋置換作用比較明顯，所以此次運用水動力學模塊和對流擴散模塊建立耦合模型進行引水沖污的模擬。

概化模型時設置湖岸及艾溪湖大橋橋墩為不過水邊界，進口采用流量邊界，出口采用水位邊界。根據(jù)ArcMap和AutoCAD建立邊界和湖底高程的.xyz文件，使用MIKE 21中的Mesh Generator建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在艾溪湖大橋橋墩及湖泊進出口處設置網(wǎng)格加密后，最終模型劃分1 802個節(jié)點，共3 083個單元(見圖2)。

圖2 艾溪湖網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點圖Fig.2 Grid division and monitoring points of Aixi lake

2.2 模型參數(shù)率定及驗證

艾溪湖水體富營養(yǎng)化嚴重，尤其是總氮TN與總磷TP兩個水質(zhì)指標超標較為嚴重，因此選擇總氮、總磷作為本次模型研究的水質(zhì)指標。為了能保證計算的穩(wěn)定性和獲得較準確的模擬結(jié)果，根據(jù)2017年2月21日、3月21日實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，對模型重要參數(shù)進行了率定，率定結(jié)果見圖3。最終選定參數(shù)：床底摩擦系數(shù)(Manning number)為34；渦黏系數(shù)(Smagorinsky formulation)為0.28；擴散系數(shù)在橫縱向上一致，取1；TN、TP的降解系數(shù)分別取0.005 /d，0.004 /d。運用2017年5月17日、6月26日實測水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進行驗證，驗證結(jié)果見圖4，經(jīng)過對比分析，模型模擬的情況與實際情況較為接近，所采用的模型及其率定的參數(shù)可用于艾溪湖引水沖污模擬研究。

圖3 參數(shù)率定情況Fig.3 Parameter calibration considering

圖4 模型驗證情況Fig.4 Model verification considering

2.3 引水沖污模擬

本次模擬選取景觀常水位17.2 m為計算初始水位，湖泊進口設置不同流量的引水，出口設置水位17.2 m。水質(zhì)指標主要考慮湖中總氮與總磷，湖泊初始水質(zhì)為Ⅴ類水，其中總氮為1.8 mg/L(Ⅴ類)，總磷為0.12 mg/L(Ⅴ類)。引水水源來自贛撫平原灌區(qū)，為Ⅲ類水，水質(zhì)較好，總氮為1.0 mg/L(Ⅲ類)，總磷為0.05 mg/L(Ⅲ類)。艾溪湖的水質(zhì)管理目標為Ⅳ類(總氮小于等于1.5 mg/L，總磷小于等于0.1 mg/L)，為檢測調(diào)水效果，在湖中設置8個觀測點(見圖2)，當8個觀測點水質(zhì)均達標時，認為目標已達到，調(diào)水停止。

為了比較兩種引水沖污方法，本次模擬的工況包括不同引水流量下的“連續(xù)式”引水沖污與“間歇式”引水沖污?？紤]到調(diào)水實際操作的復雜性，調(diào)水間歇周期不宜太短，間歇式引水沖污方案設置了3 d的間歇周期，即模擬的第1～3 d引水流量為某一固定值，接下來的第4～6 d停止引水，第7～9 d恢復引水，往后以此循環(huán)。此外，為了使間歇期在沒有引水的情況下能加速湖泊水體的流動及混合過后的污水的排出，在引水間歇期間將出口水位降低0.3 m。

3 結(jié)果分析

通過建立的MIKE21二維水動力-水質(zhì)耦合模型模擬了不同流量下的引水沖污后，為了更加準確地對比間歇式引水沖污和連續(xù)式引水沖污的區(qū)別，將湖水中的總氮和總磷的濃度的達標作為兩個獨立的目標考慮，實際引水結(jié)果見表1、表2所示。

表1 考慮總氮的引水沖污情況Tab.1 Water diversion considering the TN

表2 考慮總磷的引水沖污情況Tab.2 Water diversion considering the TP

模擬結(jié)果表明，在達到引水沖污目標所需的時間上，間歇式所用的時間，均大于連續(xù)式引水沖污。如當湖中總氮達標，引水流量為3 m3/s時，間歇式引水沖污和連續(xù)式引水沖污達標時間相差8.3 d。但沖污所需的時間均受引水流量大小的影響，隨著引水流量的增大，時間差逐漸減小，當流量達到10 m3/s時，時間相差僅為2.4 d?？偟膩碚f，由于引水沖污治理城市內(nèi)湖污染是一個長期的過程，引水時間一定范圍內(nèi)的變化不會帶來太大的影響，并且，選擇適宜的沖污流量能有效地彌補時間上的不足?？紤]總磷達標時情況類似，所以不再贅述。

從水量上看，由模擬結(jié)果可以看出，在引水流量從3 m3/s變化到10 m3/s過程中，相比于連續(xù)式引水沖污，節(jié)約水量最少的是引水流量為8 m3/s，以湖中總氮達標為目標時的工況。這個工況下，間歇式引水節(jié)約了引水108 萬m3，占連續(xù)式引水沖污所使用水量的16.30%。節(jié)約水量最多的是引水流量為7 m3/s，以湖中總磷達標為目標時的工況。這個工況下，間歇式引水節(jié)約了引水207 萬m3，占連續(xù)式引水沖污所使用水量的36.28%。在所有模擬的工況中，無論是考慮湖水中的總氮還是總磷，間歇式引水沖污所使用的水量均小于連續(xù)式引水沖污達到目標所需的水量，節(jié)約水量的效果明顯。

4 結(jié) 論

通過建立的二維水動力-水質(zhì)耦合模型，模擬了不同工況下的間歇式引水沖污與連續(xù)式引水沖污，將兩種引水沖污進行了對比分析后，得出結(jié)論：在達到相同的湖泊水質(zhì)改善目標的條件下，相比于連續(xù)式引水沖污，雖然在達到目標所需的時間上有差異，但間歇式方法能夠明顯節(jié)約引水沖污過程中所使用清水的水量。在工程實際操作中，引水沖污需要不菲的運行成本，調(diào)水的次數(shù)與調(diào)水持續(xù)的時間均受到制約。而本文研究的間歇式引水沖污理念能夠節(jié)約所用清水量，能在一定程度上使得引水沖污在經(jīng)濟上具有更好的可行性，可為城市內(nèi)湖實際的引水沖污工作提供參考。

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