閆軍波，馮 健，張守平

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100089)

目前，中國(guó)湖泊水污染形勢(shì)嚴(yán)峻，特別是位于城市的湖泊，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，導(dǎo)致湖泊被過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，湖泊水質(zhì)污染、富營(yíng)養(yǎng)化等一系列問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響周邊居民的生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)展湖泊水環(huán)境治理已經(jīng)迫在眉睫[1]。引調(diào)水改善湖泊水質(zhì)作為水體修復(fù)的方法之一，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)環(huán)境修復(fù)，通過(guò)水利工程調(diào)度技術(shù)，引清水入湖，促進(jìn)水體流動(dòng)，增加水體自凈能力，改善生境[2-4]。胡琪勇[5]等從治理滇池草海的水污染出發(fā)，利用MIKE21軟件建立了草海二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，分析滇中引水工程對(duì)滇池草海的水質(zhì)改善效果；路洪波[6]等利用MIKE21軟件模擬人工水循環(huán)對(duì)城市湖泊水環(huán)境的改善作用；吳慶[7]等利用MIKE21軟件及MATLAB零維模型模擬長(zhǎng)江-金湖水系連通方案及適宜的引水流量對(duì)湖泊的水質(zhì)改善效果；楊衛(wèi)[8]等利用二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬不同連通方案下湯遜湖湖泊群的流場(chǎng)及水質(zhì)變化情況，并對(duì)水質(zhì)改善效果進(jìn)行評(píng)估?？傮w上引調(diào)水改善湖泊水質(zhì)的方法比較成熟且各具特點(diǎn)，結(jié)合研究目標(biāo)、湖泊特征、基礎(chǔ)資料等情況在實(shí)際工作中進(jìn)行選擇、優(yōu)化應(yīng)用。

小南海湖歷史悠久，文化積淀豐富，但是由于城區(qū)污水匯入，湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、農(nóng)村面源污染加重等原因，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)常年處于V類水。為了合理調(diào)配小南海區(qū)域水資源，有效改善水體水質(zhì)和湖泊生態(tài)條件，促進(jìn)小南海湖流域水質(zhì)改善，維護(hù)河流健康，采取補(bǔ)水工程是非常必要的。本文擬通過(guò)工程截污、清水補(bǔ)給的方式，利用MIKE21軟件建立小南海湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬在截?cái)喑鞘形鬯蟛煌难a(bǔ)水方案對(duì)于湖泊水質(zhì)的改善效果，綜合選定最優(yōu)補(bǔ)水方案，為小南海湖水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

小南海湖地處東經(jīng)111°47′11″～111°53′04″、北緯30°03′29″～30°08′44″，位于松滋市東南部的南海鎮(zhèn)，北鄰松西河和新河，湖泊水面面積為8.03 km2，湖泊常水位為38.2 m，平均水深約為1.9 m，湖泊蓄水量約為1 475萬(wàn)m3，屬于常見(jiàn)的城市淺水湖泊。小南海湖水系分布見(jiàn)圖1，小南海湖入湖河道主要有3條：一是北部趙家垸的紅旗渠經(jīng)倒虹吸管進(jìn)入小南海湖，主要接納城南污水處理廠尾水和城區(qū)初雨截留，其中城南污水處理廠尾水水量為666萬(wàn)m3/a，城區(qū)初雨截留水量約為857萬(wàn)m3/a；二是從西部丘崗入湖的蒿子港，入湖水量約為1 082萬(wàn)m3/a；三是西北部匯水區(qū)入湖的中槽溝，入湖水量約為771萬(wàn)m3/a。

2016年小南海湖流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，小南海湖心COD、TN、TP分別為32.4、2.05、1.06 mg/L，超過(guò)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類水標(biāo)準(zhǔn)限值(20、1、0.2 mg/L)，水體為V類水，湖泊水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀；倒虹管來(lái)水COD、TN、NH3-N濃度均高于中槽溝和蒿子港，是小南海湖的主要污染源之一；新河和松西河COD、TP、NH3-N基本達(dá)到地表水III類標(biāo)準(zhǔn)，TN超過(guò)III類水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 小南海湖流域2016年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/L

2 研究方法

2.1 模型控制方程

MIKE21二維水動(dòng)力模型[9-11]是建立在數(shù)值求解二維淺水方程的基礎(chǔ)上，在笛卡爾坐標(biāo)系下，通過(guò)對(duì)水平動(dòng)量方程沿垂向積分得到：

連續(xù)方程：

(1)

X方向動(dòng)量方程：

(2)

Y方向動(dòng)量方程：

(3)

MIKE21水質(zhì)模型(Transport模塊)，考慮了污染物的對(duì)流擴(kuò)散和衰減，基本方程如下：

(4)

2.2 小南海湖二維模型搭建

2.2.1模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分

模型模擬范圍為8.03 km2的湖泊水面，網(wǎng)格劃分是基于小南海湖生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)1∶10000地形圖和下載的DEM數(shù)據(jù)。采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算網(wǎng)格距為50 m，計(jì)算單元數(shù)為2 974個(gè)，模型采用干濕單元自動(dòng)判別的方法自動(dòng)識(shí)別陸域及水域面積，水深0.2 m以上的網(wǎng)格默認(rèn)為水域，參與水動(dòng)力部分的計(jì)算。計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

2.2.2模擬條件設(shè)置

a) 邊界條件。小南海湖水動(dòng)力模型邊界包括：入湖邊界、出湖邊界、湖面降雨蒸發(fā)。入湖邊界：按照源項(xiàng)處理，根據(jù)中槽溝、蒿子港、倒虹管3條入湖支流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為最為模型計(jì)算的入湖邊界條件，各支流平均流量為：中槽溝0.24 m3/s、蒿子港0.34 m3/s、倒虹管0.48 m3/s。出湖邊界：按照匯項(xiàng)處理，小南海湖出水口為松林垱橫壩，可以采用水位作為出湖邊界條件，湖泊常水位為38.2 m。湖面降雨蒸發(fā)：按照源項(xiàng)處理，即所有湖面計(jì)算單元連續(xù)方程和污染物質(zhì)量守恒方程中增加一個(gè)源項(xiàng)。

b) 初始條件。湖泊初始水位按38.2 m計(jì)，小南海湖水質(zhì)初始值：COD為32.4 mg/L，TN為2.05 mg/L，TP為1.06 mg/L、NH3-H為0.28 mg/L，初始流速為0。

2.3 模型參數(shù)率定驗(yàn)證

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，確定二維模型COD、TN、TP、NH3-N的降解系數(shù)初始值，并參考《滇中引水工程洱海水環(huán)境影響專題研究報(bào)告》和《云南杞麓湖流域水污染綜合防治規(guī)劃》中湖泊模型污染物的降解系數(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，將小南海湖水質(zhì)模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，使模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合效果達(dá)到最優(yōu)，最終確定模型中COD、TN、TP、NH3-N綜合降解系數(shù)分別為0.000 5、0.002、0.004、0.001 5/d。選擇COD、TN、TP、NH3-N為模擬檢驗(yàn)指標(biāo)，在小南海湖中選擇3個(gè)點(diǎn)分析實(shí)測(cè)值與模擬值之間的誤差情況，分析結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，小南海湖COD的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差最大為-0.26%，最小為-0.02%，平均為-11%，TP的實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差最大為-0.26%，最小為-0.02%，平均為-0.04%，TN的實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為0.05%，NH3-N的實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差最大為-0.24%，最小為-0.05%，平均為-0.14%。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均保持在20%左右，整體來(lái)講，各水質(zhì)指標(biāo)的模擬值與實(shí)測(cè)值擬合效果較好，構(gòu)建的二維水動(dòng)力水質(zhì)模型可以較好地反應(yīng)小南海湖的水質(zhì)狀況。

表2 小南海湖各點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

3 結(jié)果分析

3.1 小南海湖生態(tài)補(bǔ)水方案設(shè)計(jì)

根據(jù)小南海湖水量平衡分析，為改善水質(zhì)，保持小南海湖38.2 m常水位下的蓄水量，滿足流域農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，考慮分別從新河及松西河引水補(bǔ)充小南海湖。根據(jù)小南海湖規(guī)劃年需水要求，規(guī)劃水平年共需要補(bǔ)水1 855.7萬(wàn)m3，其中每年4、10月湖泊水量基本滿足用水要求，不需要補(bǔ)水，其他月份需要補(bǔ)水，據(jù)此設(shè)計(jì)不同的補(bǔ)水方案，見(jiàn)表3，方案0不引水，即模擬現(xiàn)狀條件下湖泊的污染物變化過(guò)程，方案1—5是在截?cái)嗟购绻芪鬯那闆r下，分別從新河和松西河調(diào)水補(bǔ)給小南海湖，其中新河補(bǔ)水經(jīng)中槽溝匯入小南海湖，松西河補(bǔ)水經(jīng)倒虹管入小南海湖。

3.2 補(bǔ)水方案效果分析

湖泊水動(dòng)力條件和污染物濃度是影響湖泊水質(zhì)的重要因素，建立污染物擴(kuò)散遷移模型，分析湖泊水體污染物濃度變化，有助于優(yōu)化湖泊治理方案設(shè)計(jì)。根據(jù)小南海湖污染現(xiàn)狀及污染物超標(biāo)情況，以小南海湖心作為控制點(diǎn)，選擇COD和TN作為研究湖泊水質(zhì)改善變化規(guī)律的評(píng)判指標(biāo)分析湖泊污染物濃度變化。

表3 補(bǔ)水方案設(shè)計(jì) m3/s

3.2.1小南海補(bǔ)水必要性分析

僅將城南污水處理廠和城南片匯水截?cái)嗪?，不?duì)湖泊進(jìn)行補(bǔ)水，小南海湖心水位變化見(jiàn)圖3。小南海湖常水位是38.2 m，截?cái)嗟购绻芪鬯?，入湖水量每年大約減少1 523萬(wàn)m3，同時(shí)小南海湖心水位將下降0.7 m左右，湖泊水量平衡被破壞，將對(duì)小南海生態(tài)環(huán)境造成重大影響。隨著小南海的蓄水量的減少，小南海的納污能力也急劇下降，會(huì)造成“截污不提質(zhì)”的效果，所以在將城南污水處理廠和城南片匯水導(dǎo)入三級(jí)濕地前必須從新河或松西河向小南海湖引水。

3.2.22個(gè)補(bǔ)水方案COD濃度模擬

為了分析不同補(bǔ)水方案對(duì)其濃度的影響，進(jìn)行了5種方案下不同引水流量的COD的濃度對(duì)比分析，湖泊濃度場(chǎng)分布見(jiàn)圖4，小南海湖心污染物濃度變化過(guò)程見(jiàn)圖5。

從圖4中可以看出，方案0為現(xiàn)狀條件下整個(gè)湖泊COD濃度維持在35 mg/L，方案1—5在引水條件下，湖泊COD濃度整體下降，在中槽溝入水口附近水域COD濃度大幅降低，可以達(dá)到20 mg/L，接近地表水III標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比方案1—5，無(wú)論從新河引水還是從松西河引水，湖泊COD濃度場(chǎng)分布區(qū)別不大。由于蒿子港入湖水質(zhì)較差，COD濃度高達(dá)35.37 mg/L，因此在蒿子港入湖口附近湖區(qū)出現(xiàn)COD濃度偏高的現(xiàn)象。

從圖5可以看出，方案0小南海湖不引水時(shí)小南海湖心COD濃度整體呈上升趨勢(shì)，最高可達(dá)37.3 mg/L，小南海湖實(shí)施引水方案1—5時(shí)小南海湖心COD濃度整體呈下降趨勢(shì)；無(wú)論從松西河引水還是從新河引水，方案1—5對(duì)湖泊水質(zhì)改善的效果基本相同，引水后期小南海湖心COD濃度維持在29 mg/L左右；但是各補(bǔ)水方案對(duì)小南海湖心COD的削減作用均存在一定的滯后性，在補(bǔ)水工程實(shí)施超過(guò)7個(gè)月后，小南海湖心COD濃度較不補(bǔ)水時(shí)明顯下降。

3.2.35個(gè)補(bǔ)水方案TN濃度模擬

為了分析不同補(bǔ)水方案對(duì)其濃度的影響，進(jìn)行了5種方案下不同引水流量的TN的濃度對(duì)比分析，湖泊濃度場(chǎng)分布見(jiàn)圖6，小南海湖心污染物濃度變化過(guò)程見(jiàn)圖7。

從圖6中可以看出，方案0為現(xiàn)狀條件下湖泊TN濃度，湖區(qū)大部分區(qū)域維持在2.5 mg/L以上，南部湖區(qū)TN濃度為2.3 mg/L；方案1、2松西河引水量占比較高時(shí)，整個(gè)湖區(qū)TN濃度保持在2.1 mg/L左右，相比方案0有所下降；方案3、4、5新河引水量占比增加時(shí)，整個(gè)湖區(qū)TN濃度降至1.9 mg/L左右，相比方案0、1、2下降較明顯，主要是因?yàn)樾潞覶N濃度較松西河低；整體而言，實(shí)施補(bǔ)水工程后，湖泊TN濃度下降較明顯，說(shuō)明補(bǔ)水工程有助于小南海湖水質(zhì)改善。

從圖7可以看出，方案0小南海湖不引水時(shí)小南海湖心TN濃度整體呈上升趨勢(shì)，最高值接近2.8 mg/L，5個(gè)引水方案在補(bǔ)水工程實(shí)施1個(gè)月后，小南海湖心TN濃度開(kāi)始下降，補(bǔ)水時(shí)間超過(guò)8個(gè)月后，小南海湖心TN濃度略有上升，但是較方案0濃度相差較大，方案1單獨(dú)從松西河引水時(shí)小南海湖心TN濃度較方案5單獨(dú)從新河引水時(shí)高，方案2、3、4逐漸增加新河引水量時(shí)，小南海湖心TN濃度逐漸下降，方案5條件下小南海湖心TN濃度最低，對(duì)湖泊TN改善效果最佳。

4 結(jié)論

以水污染較為嚴(yán)重的松滋市小南海湖作為研究對(duì)象，利用MIKE 21軟件建立了二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)該模型進(jìn)行了參數(shù)率定，得到了小南海湖水質(zhì)遷移擴(kuò)散模型的各項(xiàng)參數(shù)，為城市淺水湖泊水質(zhì)變化研究提供了一定參考；該模型與實(shí)地調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)擬合情況較好，有一定的借鑒意義，可以較好地反應(yīng)水體流動(dòng)情況和水體中污染物的分布情況，為污染物的治理提供一定的依據(jù)。同時(shí)以小南海湖心為控制點(diǎn)，以COD、TN為例，重點(diǎn)分析了小南海湖5個(gè)補(bǔ)水方案對(duì)湖泊的水質(zhì)改善效果，形成以下結(jié)論。

a) 小南海湖截?cái)嗟购绻軄?lái)水后，入湖水量每年減少1 523萬(wàn)m3，湖泊水位下降0.7 m，嚴(yán)重影響湖泊生態(tài)環(huán)境，必須同步實(shí)施補(bǔ)水方案，用以保證湖泊蓄水量，維持湖泊生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

b) 實(shí)施補(bǔ)水措施后湖泊清水補(bǔ)給增加，有利于湖泊污染物的稀釋和降解，從而有效改善湖泊水環(huán)境。引水8個(gè)月后，小南海湖心COD、TN濃度下降較明顯，湖泊水質(zhì)情況得到顯著改善，隨著引水時(shí)間的增長(zhǎng)，改善幅度逐漸增加。

c) 5個(gè)引水方案的綜合比較結(jié)果可以看出，方案1—5，無(wú)論從松西河引水還是從新河引水，最終小南海湖心COD濃度穩(wěn)定在29 mg/L左右，改善效果基本相同；方案1—2松西河引水量占比較大時(shí)，小南海湖心TN濃度降至2.1 mg/L，方案3—5新河引水量占比增加后，小南海湖心TN濃度顯著降低，其中方案5效果最明顯，TN濃度降至1.9 mg/L，因此建議采用方案5從新河引水補(bǔ)給小南海湖。

d) 小南海湖的水質(zhì)管理目標(biāo)為IV類水，通過(guò)工程截污、清水補(bǔ)給的措施湖泊水質(zhì)得到一定的改善，COD濃度基本達(dá)到地表水IV水標(biāo)準(zhǔn)(30 mg/L)，但是TN超過(guò)地表水IV水標(biāo)準(zhǔn)(1.5 mg/L)，另外還存在蒿子港入湖水質(zhì)差、湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、底泥污染等問(wèn)題，因此還需要輔以其他措施來(lái)治理湖泊污染，最終實(shí)現(xiàn)小南海湖水清岸綠、健康宜居的良好生態(tài)環(huán)境。