涂華偉，王 莉，張 瀟，梁 媛，申詩(shī)嘉，文 典，彭 虹

(1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 611130；3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430072)

城市湖泊是城市水環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，具有防洪排澇、調(diào)節(jié)氣候、景觀娛樂、維持生態(tài)平衡等多種功能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口集聚、產(chǎn)業(yè)集中帶來(lái)的大量點(diǎn)面源污染通過河網(wǎng)水系、排污管道等方式直接進(jìn)入湖泊水體，導(dǎo)致氮磷水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)、水體黑臭、生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多水環(huán)境問題，極大制約著城市綠色發(fā)展[1-3]。因此開展城市湖泊水環(huán)境修復(fù)研究對(duì)恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)健康、合理規(guī)劃城市發(fā)展布局、實(shí)現(xiàn)人、水、環(huán)境和諧共存的生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

湖泊水質(zhì)模型是模擬水體中污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，研究水體黑臭和水體富營(yíng)養(yǎng)化等水質(zhì)問題，進(jìn)行水質(zhì)模擬和水環(huán)境管理與規(guī)劃的重要工具[4]。目前國(guó)內(nèi)外湖泊水質(zhì)模型已取得了許多重要成果，如國(guó)外應(yīng)用較多的EFDC、MIKE、WASP模型等[5-7]。近年來(lái)我國(guó)在湖泊水質(zhì)模型研究上也取得了一定成效，如楊衛(wèi)等通過建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬分析河湖連通工程對(duì)城市湖泊群的水環(huán)境改善效果[8]；王彩艷等基于TMDL模型研究分析東湖水體TP、TN和COD污染物負(fù)荷量，為改善東湖水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化工程治理方案提供參[9]；鄒銳等通過EFDC模型構(gòu)建三維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型研究分析滇池營(yíng)養(yǎng)鹽通量平衡[10]。但城市湖泊連通的河網(wǎng)水系眾多，受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類活動(dòng)帶來(lái)的面源污染嚴(yán)重，單一水質(zhì)模型遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際湖泊水環(huán)境模擬的需求。因此近年來(lái)有學(xué)者提出耦合模型的概念[11]，如羅福亮等將SWMM和MIKE11模型耦合，用于模擬城市河網(wǎng)水動(dòng)力過程[12]；趙琰鑫等實(shí)現(xiàn)了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型與二維湖泊模型的耦合，并應(yīng)用于太湖環(huán)境模擬研究[13]。鄭曉燕等耦合SWMM模型與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型耦合，模擬分析不同暴雨條件對(duì)梁子湖水動(dòng)力水質(zhì)的影響[14]。但以上研究仍有一些不足，往往僅考慮陸地面源、河網(wǎng)以及湖泊三者中的兩兩耦合，而城市湖泊水體環(huán)境受點(diǎn)面源直接污染、河網(wǎng)連通以及自身水動(dòng)力水質(zhì)條件多因素影響，需要綜合考慮湖泊水環(huán)境系統(tǒng)所涉及的流域水文、水動(dòng)力學(xué)和污染物遷移擴(kuò)散等主要的演化過程。

本文從流域水環(huán)境系統(tǒng)出發(fā)，綜合考慮城市點(diǎn)面源污染、河網(wǎng)水系條件對(duì)湖泊水環(huán)境影響，提出一套耦合“陸面單元-河網(wǎng)-湖泊”的水環(huán)境模型。以廣東省惠州市金山湖流域?yàn)槔?，通過模擬分析金山湖流域在不同水環(huán)境修復(fù)方案下水質(zhì)狀況，系統(tǒng)評(píng)估水環(huán)境綜合治理效果和水質(zhì)改善程度，為河湖連通條件下的城市湖泊水環(huán)境修復(fù)工作提供有力的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

金山湖位于惠州市城區(qū)南部，集雨面積約為63.7 km2，水系如圖1所示。入湖主要河涌共有4條，分別是金山河、蓮塘布河、河橋水和冷水坑河。根據(jù)2019年1月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，金山河出口斷面、河橋水出口斷面、金山湖東側(cè)湖段均為劣Ⅴ類水體，主要超標(biāo)因子為NH3-N和TP，金山湖北側(cè)湖段水質(zhì)為Ⅴ類水質(zhì)，主要超標(biāo)因子為NH3-N，金山河入湖口至河橋水入湖口湖段為輕度黑臭水體?？傮w上金山湖水質(zhì)為劣Ⅴ類水體，全湖段均呈現(xiàn)出不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

圖1 金山湖流域

2 水環(huán)境模型構(gòu)建

2.1 面源模型

SWMM模型包含水文與水質(zhì)模塊，能夠充分考慮不同土地利用條件下的降雨徑流污染，已被廣泛應(yīng)用于流域面源污染研究[15-18]。采用30 m精度的DEM柵格，將金山湖及相關(guān)水系共劃分為153個(gè)子匯水區(qū)，如圖1所示。通過DEM數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)確定各子流域面積、不透水面積占比、流域?qū)挾取⑵骄露鹊却_定性參數(shù)。根據(jù)金山湖湖區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀，選取NH3-N、TP作為主要污染因子，不同地表類型污染物累積和沖刷參數(shù)如表1所示。

表1 不同地表類型參數(shù)取值[15-18]

通過對(duì)各子匯水區(qū)進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，將各分區(qū)的徑流過程和水質(zhì)濃度作為一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的旁側(cè)入流條件，實(shí)現(xiàn)降雨徑流面源模型與一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的耦合計(jì)算。

2.2 一維河網(wǎng)與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型

基于前期已有研究成果[13]，通過一維河網(wǎng)和二維湖泊在連接斷面上具有相同的流量、水位以及水質(zhì)濃度條件，作為二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型的邊界條件求解水動(dòng)力水質(zhì)方程，實(shí)現(xiàn)一維河網(wǎng)模型和二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型的耦合。

收集整理流域內(nèi)金山河、蓮塘布河、河橋水、冷水坑河水文地形資料，構(gòu)建金山河、蓮塘布河、河橋水、冷水坑河四條河涌的一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型；利用水下地形資料，生成金山湖湖區(qū)二維水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算網(wǎng)格，共計(jì)46 624個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格精度為20 m×20 m，如圖2所示。

圖2 金山湖二維網(wǎng)格

2.3 初始及邊界條件

初始水質(zhì)濃度依據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(圖1)實(shí)測(cè)濃度插值生成濃度場(chǎng)，初始水位為金山湖常水位11.29 m，初始流速設(shè)為0 m/s。

邊界條件包括流域內(nèi)四河涌入湖口、金山湖換水口、出水口以及點(diǎn)面源的輸入。出水口采用水位條件控制，換水口采用流量邊界控制，水質(zhì)濃度與相連水體西枝江水質(zhì)濃度相同。金山湖流域內(nèi)湖區(qū)及周邊四河涌點(diǎn)源排污口共計(jì)70處(圖1)，采用實(shí)測(cè)入湖點(diǎn)源濃度數(shù)據(jù)。流域內(nèi)面源污染采用面源模型結(jié)果，部分面源直接匯入湖區(qū)，其余面源匯入四河涌后通過入湖口流入湖區(qū)。四河涌入湖口流量以及水質(zhì)濃度采用一維河網(wǎng)模型計(jì)算，是考慮河涌范圍內(nèi)點(diǎn)面源入?yún)R下的綜合結(jié)果。根據(jù)金山湖湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀超標(biāo)情況，選取NH3-N、TP為水質(zhì)模擬指標(biāo)。

2.4 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

根據(jù)2018年惠陽(yáng)國(guó)家氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)作為面源模型輸入條件，根據(jù)水量驗(yàn)證斷面(圖1)實(shí)測(cè)匯水水量率定驗(yàn)證面源模型降雨產(chǎn)流參數(shù)，結(jié)果如表2所示，各斷面水量誤差在5%以內(nèi)，面源模型能夠很好的模擬流域內(nèi)降雨徑流過程。

表2 面源模型水量驗(yàn)證

根據(jù)2019年1月水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(圖1)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮河網(wǎng)各河段和金山湖湖區(qū)各段不同環(huán)境條件，選擇模型計(jì)算斷面和水質(zhì)實(shí)測(cè)點(diǎn)位吻合的斷面進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證。金山湖湖區(qū)二維水動(dòng)力模型中橫向和縱向離散系數(shù)取值為1.1，黏滯系數(shù)為1.52×10-6kPa·s，科氏力為7.5×10-5s-1，一維河網(wǎng)和二維湖區(qū)主要水質(zhì)參數(shù)取值如表3所示，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 NH3-N水質(zhì)驗(yàn)證

圖4 TP水質(zhì)驗(yàn)證

表3 主要水質(zhì)參數(shù)

其中一維河網(wǎng)水質(zhì)驗(yàn)證斷面為Q6～Q16，NH3-N、TP模擬值與實(shí)測(cè)值平均誤差分別為10.28%和13.63%。金山湖湖區(qū)水質(zhì)驗(yàn)證斷面為Q1～Q5，NH3-N、TP模擬值與實(shí)測(cè)值平均誤差分別為6.30%和5.99%。表明模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，能夠滿足本次研究金山湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模擬的要求。

3 金山湖水環(huán)境治理分析

3.1 水環(huán)境治理方案

根據(jù)金山湖流域?qū)嶋H情況和未來(lái)水環(huán)境整治項(xiàng)目的實(shí)施，以Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為水環(huán)境治理目標(biāo)，設(shè)計(jì)以下4種金山湖水環(huán)境治理方案，如表4所示。其中控源截污工程包括修建初雨調(diào)蓄池和整治點(diǎn)源排污口兩部分。初雨調(diào)蓄池主要修建在城市區(qū)域，削減50%面源負(fù)荷而不減少降雨徑流。點(diǎn)源排污口整治將減少點(diǎn)源個(gè)數(shù)，提高排污口水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，削減95%以上點(diǎn)源負(fù)荷。換水工程通過湖區(qū)換水口引入西枝江較好水質(zhì)水體對(duì)湖區(qū)進(jìn)行沖污，改善湖區(qū)水質(zhì)。

表4 水環(huán)境治理方案

3.2 入湖河涌水動(dòng)力水質(zhì)條件

考慮降雨徑流對(duì)河網(wǎng)以及湖區(qū)水環(huán)境影響，根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程(GB/T25173-2010)》，選擇90%保證率設(shè)計(jì)水文年氣象數(shù)據(jù)作為面源模型輸入條件進(jìn)行面源負(fù)荷模擬，其中6月份面源NH3-N和TP污染物負(fù)荷最大，因此將6月份面源負(fù)荷條件下的一維河網(wǎng)水量水質(zhì)計(jì)算結(jié)果作為入湖水動(dòng)力水質(zhì)條件。在實(shí)施方案一控源截污工程后，西枝江和四河涌入湖水量水質(zhì)條件如表5所示。

由表5可知，在實(shí)施控源截污工程后四河涌入湖NH3-N水質(zhì)濃度均低于IV水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而河橋水、冷水坑和連塘布TP仍處于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以下，分別為0.18 mg/L和0.23 mg/L，將對(duì)湖區(qū)水體造成嚴(yán)重污染?？卦唇匚酃こ坛鞘忻嬖聪鳒p區(qū)域主要位于金山河流域范圍內(nèi)，削減后金山河入湖水質(zhì)濃度均低于IV水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N為0.66 mg/L，TP為0.07 mg/L，能夠一定程度上改善湖區(qū)水質(zhì)條件。

表5 入湖水體水質(zhì)條件

3.3 湖區(qū)水質(zhì)改善狀況

根據(jù)建立的二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)4種水環(huán)境治理方案下的湖區(qū)水質(zhì)情況進(jìn)行模擬，分析湖區(qū)水質(zhì)改善狀況，結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 不同方案下湖區(qū)NH3-N濃度場(chǎng)分布

圖6 不同方案下湖區(qū)TP濃度場(chǎng)分布

由圖5和圖6可知，在實(shí)施控源截污工程后金山湖湖區(qū)東段水體NH3-N仍處于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP處于劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；西段水體NH3-N已基本達(dá)到IV水質(zhì)管理目標(biāo)，西南段水體TP處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，北段水體TP已基本達(dá)到Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)施引水工程后湖區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)條件隨著引水流量的加大得到更為明顯改善。西枝江較好水質(zhì)水體從湖區(qū)北段換水閘處引入金山湖湖區(qū)，加大湖區(qū)水體流速，稀釋和置換湖區(qū)水體。隨著引水流量的加大，超標(biāo)污染帶范圍逐漸縮小，引水所需時(shí)間逐漸變短，換水穩(wěn)定后湖區(qū)東段水質(zhì)接近西枝江水體水質(zhì)濃度，整體水質(zhì)逐漸達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)管理目標(biāo)，各水環(huán)境治理方案下NH3-N和TP水質(zhì)達(dá)標(biāo)面積占比如圖7和圖8所示。

圖7 NH3-N水質(zhì)達(dá)標(biāo)比

圖8 TP水質(zhì)達(dá)標(biāo)比

當(dāng)實(shí)施控源截污工程削減金山湖流域50%面源負(fù)荷和95%點(diǎn)源負(fù)荷(方案一)后，金山湖湖區(qū)水質(zhì)得到較明顯改善。全湖范圍內(nèi)有62%的區(qū)域NH3-N能達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，38%的區(qū)域仍處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以下；TP有38%的區(qū)域能達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，42%的區(qū)域水質(zhì)仍處于劣Ⅴ類，需要實(shí)施換水方案以進(jìn)一步改善湖區(qū)水質(zhì)，達(dá)到水環(huán)境管理目標(biāo)。

考慮在控源截污工程基礎(chǔ)上，通過西枝江引水進(jìn)湖改善湖區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)條件，當(dāng)換水流量為1 m3/s(方案二)時(shí)，湖區(qū)水質(zhì)在換水10 d后得到略微改善，全湖范圍內(nèi)仍有30%的區(qū)域NH3-N處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以下，有34%的區(qū)域TP仍處于劣Ⅴ類；當(dāng)換水流量為6 m3/s(方案三)時(shí)，湖區(qū)水質(zhì)在換水9 d后得到顯著改善，全湖范圍內(nèi)NH3-N均處于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，TP有81%的區(qū)域處于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，19%的區(qū)域處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)換水流量進(jìn)一步加大為12 m3/s(方案四)時(shí)，湖區(qū)水質(zhì)在換水6 d后即得到顯著改善，全湖范圍內(nèi)NH3-N均處于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，TP有85%的區(qū)域處于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，15%的區(qū)域處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。方案三和方案四均能基本達(dá)到湖區(qū)水質(zhì)改善目標(biāo)，但相較于方案三，方案四的湖區(qū)水質(zhì)改善效果并沒有顯著提升，僅僅提高了水質(zhì)改善所需時(shí)間，因此對(duì)于日常水質(zhì)改善措施，采用方案三即可。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)河網(wǎng)水系密集、土地利用開發(fā)強(qiáng)度高、點(diǎn)面源污染突出帶來(lái)的城市湖泊水環(huán)境問題，全面考慮了在人類活動(dòng)影響下的陸地單元產(chǎn)流產(chǎn)污過程、河網(wǎng)水動(dòng)力演進(jìn)與污染物輸移以及湖泊水質(zhì)遷移與擴(kuò)散過程，建立了一套耦合“陸面單元—一維河網(wǎng)—二維湖泊”的水動(dòng)力水質(zhì)綜合數(shù)值模擬模型，用于城市湖泊水環(huán)境修復(fù)模擬研究。

以廣東惠州金山湖流域?yàn)槔?，研究分析了?shí)施控源截污、湖區(qū)換水等4種水環(huán)境治理工程方案下的湖區(qū)水體水質(zhì)改善狀況。當(dāng)實(shí)施控源截污工程削減50%面源負(fù)荷和95%點(diǎn)源負(fù)荷后，通過引進(jìn)6 m3/s流量的西枝江水體9 d后，全湖區(qū)水質(zhì)狀況能夠得到顯著改善，全湖范圍內(nèi)NH3-N達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，有81.27%的區(qū)域TP達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上，基本上達(dá)到水環(huán)境治理目標(biāo)。

本研究建立的“陸面單元—一維河網(wǎng)—二維湖泊”的水動(dòng)力水質(zhì)綜合數(shù)值模擬模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流域水文、水動(dòng)力學(xué)和污染物遷移擴(kuò)散等水環(huán)境系統(tǒng)中主要的演化過程進(jìn)行模擬分析，有效反映污染物負(fù)荷削減和水力條件變化等不同水環(huán)境治理方案下的湖泊水體水質(zhì)改善狀況，為河湖連通條件下城市湖泊水環(huán)境治理工作提供有力的技術(shù)支撐，推進(jìn)城市黑臭水體整治，助力生態(tài)文明建設(shè)。

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