楊博林，陳倩倩，夏 偉

(1.上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038)

1 引言

湯遜湖位于武漢市東南部，是亞洲最大的城市內(nèi)湖，水域面積47.62 km2。湯遜湖流域面積240.48 km2，涉及洪山區(qū)、東湖高新區(qū)、江夏區(qū)3個行政區(qū)[1]。其中，江夏區(qū)擁有湖面面積81.26%，東湖高新區(qū)和洪山區(qū)分別擁有湖面面積的2.35%和16.39%。湯遜湖以江夏大道為界，西部為外湯遜湖，東部為內(nèi)湯遜湖，兩者之間以涵洞相通。流域范圍總?cè)丝?7.73萬人(2018年末)。湯遜湖區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤區(qū)，雨量充沛，年降水量1150～1190 mm，降雨主要集中在4～8月，通常春夏多雨，秋冬少雨。湯遜湖湖泊平均水深2.2 m，全湖湖底高程14.5～17.5 m，規(guī)劃控制常水位17.65 m，最高水位18.65 m(圖1)。

近年來，湯遜湖各類點(diǎn)、面源污染物排入導(dǎo)致各子湖水質(zhì)常出現(xiàn)超標(biāo)情況，水環(huán)境容量已顯不足，水體無法滿足水體功能要求。目前，針對湯遜湖全湖水環(huán)境數(shù)值模擬方面的研究較少，而類似研究已廣泛應(yīng)用在武漢東湖、長江口、杭州灣、太湖富營養(yǎng)模型等[2～4]?；诖?，本研究應(yīng)用MIKE 21水環(huán)境模擬軟件，建立湯遜湖全湖的水動力-水質(zhì)模型，對湯遜湖水動力和水質(zhì)現(xiàn)狀和改善情景分別進(jìn)行模擬，為水環(huán)境治理工程的實(shí)施提供依據(jù)。

2 污染源與水環(huán)境容量計算

2.1 污染源現(xiàn)狀分析

經(jīng)計算，全湖污染總量為COD 18751.13 t，NH3-N 1105.55 t，TN 3293.28 t，TP 209.06 t，其中面源污染、生活點(diǎn)源和內(nèi)源污染為主要污染源，見表1。

表1 湯遜湖全湖污染量匯總

2.2 水環(huán)境容量分析

采用完全均勻混合箱體水質(zhì)模型來預(yù)測湖泊或水庫水體水質(zhì)變化情況，COD和NH3-N等有機(jī)物容量計算可用水體質(zhì)量平衡基本方程計算，計算公式如下：

W=Cs(Qout+KV)

(1)

式(1)中：W為湖泊COD、NH3-N的水環(huán)境容量,t/a；Cs為湖泊功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；Qout為湖泊出水流量(入湖流量減去蒸發(fā)量)；K為湖泊水質(zhì)綜合降解系數(shù)，1/a；V為設(shè)計水文條件下的湖泊容積，m3。

湖泊中氮磷等營養(yǎng)鹽物質(zhì)隨時間的變化率，是輸入、輸出和在水庫內(nèi)沉積的污染物量的函數(shù)，利用狄龍富營養(yǎng)化模型計算TN、TP環(huán)境容量，計算公式如下：

M=Ls·A

(2)

(3)

R=1-Wout/Win

(4)

式(2)～(4)中：M為湖泊TN、TP環(huán)境容量，t/a；Ls為單位湖水面積TN、TP水環(huán)境容量，g/(m2·a)；A為湖泊面積，m2；Ps為湖泊中TN、TN年均控制濃度，g/m3，用水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)衡量；h為湖泊平均水深，m；Qout為湖泊年出水量，m3/s；R為污染物滯留系數(shù)；Win為湖泊污染物輸入量，t/a；Wout為湖泊污染物輸出量，t/a；V為設(shè)計水文條件下的湖泊容積，m3。

經(jīng)計算，根據(jù)湯遜湖水質(zhì)治理目標(biāo)，計算得湯遜湖環(huán)境容量為COD 4947.62 t/a；NH3-N 247.38 t/a；TN 1289.73 t/a；TP 102.52 t/a，各子湖水環(huán)境容量見表2。由表2可知，現(xiàn)狀入湖污染物負(fù)荷均超過湯遜湖水環(huán)境容量，需要削減，污染物削減率在50.96%～77.62%。

表2 湯遜湖各子湖水環(huán)境容量匯總

3 湯遜湖水動力、水質(zhì)模型建立

3.1 模型介紹

模型軟件采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的MIKE軟件，MIKE軟件是目前世界上領(lǐng)先，經(jīng)過實(shí)際工程驗證最多的，被水資源研究人員廣泛認(rèn)同的優(yōu)秀軟件。本次選用MIKE 21 FM的水動力模塊(HD)模擬二維水流，對流擴(kuò)散模塊(AD)模擬污染物在水中的對流擴(kuò)散及降解過程，構(gòu)建湯遜湖二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。其中，HD模塊是軟件的最基本模塊，為其他功能模塊運(yùn)行提供了基礎(chǔ)水力要素信息，可模擬湖泊、河道的水流運(yùn)動規(guī)律[5]。

3.1.1 水動力模型基本方程

連續(xù)方程：

(5)

動量方程：

(6)

式(6)中：t為時間；x，y為右手Cartesian坐標(biāo)系；η為表面水位；d為靜止水深，h=η+d為總水深；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f=2Ωsinφ為Coriolis參數(shù)(Ω是地球自轉(zhuǎn)角速率，Φ為地理緯度)；ρ為水的密度，ρ0則是參考水密度；pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海?τsx，τsy)、(τbx，τby)分別為表面風(fēng)和底部應(yīng)力在x，y方向上的分量；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項；S為源匯項；(us，vs)為源匯項水流流速。

3.1.2 水質(zhì)模型基本方程

水質(zhì)控制方程是在考慮污染物質(zhì)水動力學(xué)、物理運(yùn)輸和對流擴(kuò)散等過程并運(yùn)用質(zhì)量守恒原理的前提下建立起來的[6]，控制方程為：

(7)

式(7)中：C為垂線平均濃度；u，v為x，y方向的垂線平均流速；Dx，Dy為x，y方向的擴(kuò)散系數(shù)；KC為綜合降解系數(shù)；s為源匯項。

3.2 建模范圍

本模型模擬范圍為湯遜湖藍(lán)線以內(nèi)水域范圍，總面積47.6 km2。湖泊水下地形采用2019年7月實(shí)測1∶2000實(shí)測水下地形，模擬區(qū)域采用三角形網(wǎng)格，外湯主湖和內(nèi)湯主湖采用邊長500 m三角形網(wǎng)格，貼岸區(qū)域采用邊長100 m三角形網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格2587個，如圖2所示。

圖2 研究范圍網(wǎng)格劃分

3.3 模型計算條件

(1)降雨徑流。采用2012年降雨資料，年降雨量1392.3 mm，綜合考慮湯遜湖地區(qū)下墊面條件，城鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)徑流系數(shù)分別采用0.6和0.5。

(3)風(fēng)速風(fēng)向。湯遜湖水系屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，年平均風(fēng)力2～3級，多年平均風(fēng)速2.5～2.9 m/s。

(4)出流。東港是湯遜湖流域主要的排水出口，經(jīng)過青菱河與巡司河排入長江。

(5)湖底糙率。糙率是主要衡量邊壁形狀不規(guī)則性和河床表面的粗糙程度的一個綜合性系數(shù)，根據(jù)有關(guān)的水力學(xué)手冊加以選取。本模型計算中，根據(jù)湯遜湖不同區(qū)域深淺將曼寧系數(shù)M取值為32～50。

(6)水質(zhì)降解系數(shù)。取COD、NH3-N、TP和TN作為水質(zhì)計算的代表指標(biāo)，COD降解系數(shù)取值為：0.017d-1，NH3-N降解系數(shù)取值為：0.015d-1，TP降解系數(shù)取值為：0.01d-1，TN降解系數(shù)取值為：0.02d-1。

3.4 模型邊界條件

入湖港渠水量邊界根據(jù)降雨和下墊面土地利用類型，采用SCS-CN模型進(jìn)行計算。入湖港渠水質(zhì)邊界根據(jù)2019年《湯遜湖水環(huán)境提升攻堅檢測考核情況的通報》中水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)給定。

污染物的輸入主要通過陸域點(diǎn)源、面源及湖面降水和內(nèi)源匯入。點(diǎn)源污染包括湖周52處分散式排口、1處污水處理廠排口。面源污染概化到雨污混流排口，降塵和內(nèi)源污染在模型中以降水的形式伴隨入湖。

最后，石里克最大的問題是他對直觀哲學(xué)提出的疑難亦可以反問于他自身：既然體驗與認(rèn)識有本質(zhì)區(qū)別，那么概念的配列能保持事實(shí)的本來面貌嗎？概念與對象的一義性判斷之網(wǎng)如何能夠達(dá)成？換句話說，既然體驗與認(rèn)識有本質(zhì)區(qū)別，那么體驗與認(rèn)識又是如何能結(jié)合為一個具有統(tǒng)一性的系統(tǒng)呢？這一問題可以稱為知識論中的超越問題。石里克大方地承認(rèn)概念一義性的判斷之網(wǎng)，并不能保證對事物的實(shí)在本質(zhì)的知識，想獲取事物的本質(zhì)知識恰恰是直觀哲學(xué)的錯誤。然而，直觀哲學(xué)的本質(zhì)論恰恰是以懸置事物的存在為前提，所以直觀哲學(xué)繞開了實(shí)在本質(zhì)的問題，而石里克卻以事物的存在為事實(shí)，那么實(shí)在本質(zhì)的問題就成為石里克認(rèn)識論難以解決卻如影隨形的難題。

3.5 模型分析與驗證

3.5.1 水動力結(jié)果分析

現(xiàn)狀情境下，由于圩垸阻擋，大橋湖、中洲湖、麻雀湖、紅旗湖等部分區(qū)域不在建模范圍內(nèi)。圖3和圖4為由模型計算得到的湯遜湖2012年6月15日(SE風(fēng)向)和2012年12月15日(NE風(fēng)向)的風(fēng)生流場圖。湖泊水動力學(xué)研究成果表明：在湖泊的深水區(qū)，沿水深方向的平均流速方向與風(fēng)向相反，在淺水區(qū)則與風(fēng)向相同。根據(jù)查驗?zāi)Ｐ退畡恿τ嬎憬Y(jié)果，可以看出湯遜湖水域流場分布與風(fēng)場關(guān)系符合以上結(jié)論，說明建立的水動力學(xué)模型能較好地模擬湖泊的流場。

3.5.2 水質(zhì)率定驗證結(jié)果與分析

以水動力模型計算得到的湖泊流場作為計算湖泊水體污染物濃度場的基礎(chǔ)，再考慮年污染負(fù)荷輸入量，利用水質(zhì)模型進(jìn)行水質(zhì)模擬計算。本次收集到外湯遜湖湖心2012年1～12月湯遜湖水質(zhì)監(jiān)測資料，對模型水動力和水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定，得到湯遜湖的模型參數(shù)。外湯主湖中心水質(zhì)率定結(jié)果見圖5。外湯COD實(shí)測值與模擬值平均誤差為28%，外湯NH3-N實(shí)測值與模擬值平均誤差為34%，外湯TN實(shí)測值與模擬值平均誤差為21%，TP實(shí)測值與模擬值平均誤差為31%。這些誤差均在允許范圍內(nèi)，證明建立的水質(zhì)模型具有良好的模擬精度，確定的縱向和橫向擴(kuò)散系數(shù)、四種污染物衰減速率合理可信。

圖5 模型水質(zhì)驗證

4 湯遜湖水動力、水質(zhì)情景方案模擬

4.1 水動力情景模擬

4.1.1 內(nèi)水系連通方案說明

對湯遜湖藍(lán)線范圍內(nèi)湯遜湖藍(lán)線范圍內(nèi)劉家咀、麻雀湖、武漢鐵職技校、湯遜湖村等15處較大的圩垸進(jìn)行拆除，總長度26.1 km；另外，新建3個箱涵，擴(kuò)建1個箱涵，改建1處路堤。

風(fēng)速：1.6m/s 風(fēng)向：45度 圖4 2012年12月15日流場驗證

風(fēng)速：2.3m/s 風(fēng)向：135度圖3 2012年6月15日流場驗證

4.1.2 效果分析

分別對6月和12月代表豐水期、枯水期的狀況，分析湯遜湖實(shí)施內(nèi)水系連通工程實(shí)施前后湖體水動力情況。

(1)流速變化：湯遜湖內(nèi)水系連通工程實(shí)施前，豐水期平均流速為0.0053 m/s，枯水期平均流速為0.0039 m/s。湯遜湖內(nèi)水系連通工程實(shí)施后，豐水期平均流速為0.0063 m/s，升幅17%，枯水期平均流速為0.0042 m/s，升幅10%。從各子湖來看，在豐水期，湯遜湖水系連通工程實(shí)施后，除麻雀湖，其余子湖平均流速比內(nèi)連通工程實(shí)施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加47%；在枯水期，外湯主湖、大橋湖、沙咀湖、內(nèi)湯主湖、中洲湖平均流速比內(nèi)連通工程實(shí)施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加42%。其余子湖流速有所減小，其中降幅最大的紅旗湖平均流速下降14%。

(2)流場變化：湯遜湖水系內(nèi)連通工程實(shí)施后，流場變化主要體現(xiàn)在子湖水流方向和流場形態(tài)的變化方面。無論豐水期還是枯水期，子湖與子湖新增連接處水流方向均發(fā)生改變，外湯主湖、內(nèi)湯主湖、大橋湖和紅旗湖部分流場洄流區(qū)變大。由于風(fēng)生流作用，連通工程前個別圩垸封閉的區(qū)域洄流區(qū)面積小，區(qū)域內(nèi)流速較大，但污染物無法向外轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。而實(shí)施連通工程后，雖然這些封閉區(qū)域在拆除圩垸后與較大區(qū)域湖面合并平均流速減小，但流場洄流區(qū)變大，湖水整體流動性增強(qiáng)，尤其是增強(qiáng)了外湯主湖和內(nèi)湯主湖之間的聯(lián)系。這將有利于污染物的遷移和擴(kuò)散，為湯遜湖整體水質(zhì)的改善提供條件。連通工程實(shí)施前后枯水期流場分布情況見圖6。

圖6 連通工程實(shí)施前后枯水期流場分布情況表3 湯遜湖各子湖面源污染削減率

4.2 水質(zhì)情景模擬

在《武漢市“大東湖”生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建總體方案》中，已有將湯遜湖水系和梁子湖水系連通的設(shè)想?！段錆h市水生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃》中也提出了通過東壩港連通湯遜湖和梁子湖以及長江?？陂l引水兩個方案，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水系連通，利用梁子湖的引水改善湯遜湖水質(zhì)。因此，考慮在實(shí)施內(nèi)水系連通后，僅實(shí)施污染物削減，以及污染物削減配合引水工程兩種方案。

4.2.1 僅實(shí)施污染物削減

4.2.1.1 方案說明

現(xiàn)階段點(diǎn)源污染主要包括污水處理廠尾水、生活污染及工業(yè)廢水。根據(jù)湯遜湖污水處理廠規(guī)劃方案，其尾水將不再入湖，因此確定污水處理廠尾水削減率為100%。據(jù)湯遜湖底泥污染現(xiàn)狀，以及內(nèi)源污染治理方案，確定內(nèi)源污染削減率為50%。面源污染治理工程包括城市面源和農(nóng)村面源兩方面，其中城市面源污染控制工程包括溢流污染治理和初雨污染治理。農(nóng)村面源污染控制工程包括農(nóng)村生活污水治理、農(nóng)村環(huán)境綜合整治、畜禽養(yǎng)殖污染治理、退田/垸還湖等。根據(jù)武漢市大氣環(huán)境治理控制目標(biāo)，確定降塵污染削減率為30%。并根據(jù)湯遜湖面源污染現(xiàn)狀，以及面源污染治理方案，分區(qū)提出污染削減率，見表3。

面源污染削減率/%子湖名稱外湯主湖沙咀湖大橋湖麻雀湖內(nèi)湯主湖紅旗湖楊橋湖中洲湖COD7261666564666673NH3-N7361656371676573TN7261666370646573TP7361666677666773

4.2.1.2 模擬結(jié)果

(1)全湖水質(zhì)分析：不引水時，湯遜湖7月31日和9月5日濃度場分布情況見圖7和圖8。綜合旱季和雨季水質(zhì)模擬結(jié)果可知，雨季由于面源沖刷作用，水質(zhì)較旱季稍差。全湖COD、NH3-N、TP和TN達(dá)Ⅳ類水質(zhì)面積比例分別為99%、100%、93%、89%。因此，在污染源削減、不實(shí)施引水時，湖灣TP和TN仍然較差，應(yīng)增加引水措施。

圖7 湯遜湖污染物削減、不引水情況下7月濃度場

圖8 湯遜湖污染物削減、不引水情況下9月濃度場

(2)重點(diǎn)湖區(qū)水質(zhì)分析：外湯主湖和內(nèi)湯主湖在近期點(diǎn)源、面源及內(nèi)源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四類污染物可以全年達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，外湯主湖湖心水質(zhì)較現(xiàn)狀有明顯提升。大橋湖四類污染物均可達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，但紅旗湖仍有5%的天數(shù)TP不達(dá)標(biāo)，6%的天數(shù)TN不達(dá)標(biāo)。外湯主湖、內(nèi)湯主湖、大橋湖、紅旗湖等幾個重點(diǎn)子湖的各污染物全年水質(zhì)變化情況見圖9～12。

圖9 湯遜湖污染治理后外湯湖心污染物濃度變化

4.2.2 污染物削減配合引水工程

4.2.2.1 方案說明

在污染物削減方案的基礎(chǔ)上，考慮到湯遜湖區(qū)域現(xiàn)狀面臨的問題及需求，本方案提出梁子湖為引水水源的水系連通方案。方案中，年引水規(guī)模0.69億m3，僅占梁子湖年徑流量的4.4%，且梁子湖水質(zhì)較好，在Ⅱ～Ⅲ類之間?？傮w來看，梁子湖水量充足、水質(zhì)優(yōu)良，可作為湯遜湖補(bǔ)水水源。此情境下，引水量為10 m3/s，東壩河引水時段分別為4月20日至5月8日、7月13～31日、8月15日至9月5日，且當(dāng)日降雨強(qiáng)度超過25 mm時，不引水。

4.2.2.2 模擬結(jié)果

(1)全湖水質(zhì)分析：當(dāng)引水10 m3/s時，湯遜湖各子湖在7月31日和9月5日濃度場分布情況見圖13和圖14。綜合旱季和雨季水質(zhì)模擬結(jié)果可知，雨季由于面源沖刷作用，水質(zhì)較旱季稍差。全湖COD和NH3-N可達(dá)Ⅴ類水質(zhì)，TP和TN達(dá)Ⅴ類水質(zhì)面積比例分別為98%和97%。

圖10 湯遜湖污染治理后內(nèi)湯湖心污染物濃度變化

圖11 湯遜湖污染治理后大橋湖心污染物濃度變化

圖12 湯遜湖污染治理后紅旗湖心污染物濃度變化

圖13 湯遜湖污染物削減配合東壩河引水10 m3/s情況下7月濃度場

圖14 湯遜湖污染物削減配合東壩河引水10 m3/s情況下9月濃度場

(2)重點(diǎn)湖區(qū)水質(zhì)分析：外湯主湖和內(nèi)湯主湖在近期點(diǎn)源、面源及內(nèi)源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四類污染物可以全年達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)湯主湖在引水期TP和TN指標(biāo)改善顯著，分別有15%和52%天數(shù)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)。大橋湖四類污染物均可達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，但紅旗湖仍有4%的天數(shù)TP不達(dá)標(biāo)，3%的天數(shù)TN不達(dá)標(biāo)，較不引水結(jié)果有一定程度提升，但效果不明顯。外湯主湖、內(nèi)湯主湖、大橋湖、紅旗湖等幾個重點(diǎn)子湖的各污染物全年水質(zhì)變化情況見圖15～18。

圖15 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后外湯湖心污染物濃度變化

圖16 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后內(nèi)湯湖心污染物濃度變化

圖17 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后大橋湖心污染物濃度變化

圖18 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后紅旗湖心污染物濃度變化

5 結(jié)論

(1)本文建立了湯遜湖全湖水動力-水質(zhì)耦合模型，并對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了率定驗證，確定了水動力、水質(zhì)等模型的參數(shù)，模型誤差在合理范圍內(nèi)，表明該模型精度較高，可用于各類情景分析。

(2)現(xiàn)狀湯遜湖水質(zhì)整體不達(dá)標(biāo)，水體無富余水環(huán)境容量，已無力承擔(dān)額外的污染負(fù)荷輸入。為實(shí)現(xiàn)主湖及子湖水質(zhì)主要指標(biāo)達(dá)到V類，入湖污染負(fù)荷根據(jù)水環(huán)境容量要求進(jìn)行了削減。削減措施考慮了城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)提質(zhì)增效、城市面源污染控制、農(nóng)村環(huán)境綜合整治、內(nèi)源污染防治、水網(wǎng)構(gòu)建與引水活水等綜合措施等。(3)根據(jù)模擬計算結(jié)果，內(nèi)水系連通對湯遜湖水動力改善效果明顯。在此基礎(chǔ)上，若僅采用污染物削減，各子湖難以達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求，引水可改善湯遜湖尤其是外湯主湖和內(nèi)湯主湖水動力，促進(jìn)污染物擴(kuò)散降解，保障湖泊水質(zhì)達(dá)標(biāo)。雨季由于面源沖刷作用，水質(zhì)較旱季稍差。而沙咀湖、紅旗湖、楊橋湖等子湖較為封閉、水動力不暢，若要保證各子湖水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需進(jìn)一步采取措施改善其水動力、消除面源污染。

(4)湯遜湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)后，可通過入湖污染緩沖凈化、生境營造、水生植被恢復(fù)等生態(tài)修復(fù)措施進(jìn)一步改善和維護(hù)水質(zhì)，確保湯遜湖水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。