王瑋 陳利華 楊文瑜 韓帥

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

0 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，水環(huán)境問題正受到越來越多研究人員和工程人員的關(guān)注［1］。水體污染由于其影響范圍廣，對生態(tài)環(huán)境破壞大，因此需要針對性地開展水環(huán)境治理工程，通過技術(shù)手段削減污染物。然而，水環(huán)境治理的技術(shù)手段種類繁多，主要包括物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)以及生態(tài)技術(shù)［2］，不同技術(shù)的功能及適用性都存在較大差異，因此設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行治理技術(shù)方案比選、集成，從而實(shí)現(xiàn)工程費(fèi)效比最佳。目前較普遍的做法是參考類似工程經(jīng)驗(yàn)或者技術(shù)手冊確定治理方案，缺乏足夠的客觀性和針對性，無法做到因地制宜、科學(xué)施策，往往出現(xiàn)工程項(xiàng)目投入過大卻效果不盡如人意的情況。

基于此，水動(dòng)力和水質(zhì)模型技術(shù)逐漸受到工程人員的關(guān)注。該技術(shù)旨在借助計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)研究區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)搭建水動(dòng)力和物質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行基于數(shù)值模擬的水力水質(zhì)分析，并將可視化的分析結(jié)果作為方案設(shè)計(jì)的依據(jù)要素［3］。由于水力水質(zhì)模型技術(shù)極大提高了方案比選過程的客觀性和針對性，在越來越多的水環(huán)境治理工程中得以應(yīng)用。盡管如此，該技術(shù)在國內(nèi)水環(huán)境治理工程中的應(yīng)用仍然存在一些不足。具體來說，以往工程中該技術(shù)的應(yīng)用更多針對于城市管網(wǎng)，比如建模分析給水系統(tǒng)的爆管和水質(zhì)問題［4-5］，以及建模分析排水管網(wǎng)在暴雨中應(yīng)對城市內(nèi)澇和污水溢流的效果［6］，等等。然而，近年來國內(nèi)外的研究表明，水力水質(zhì)模型在河流、湖泊的水環(huán)境治理工程中也具有很大的應(yīng)用前景，有必要加以研究和應(yīng)用［7-8］。

因此，本次研究旨在耦合數(shù)值模型中的水動(dòng)力和物質(zhì)遷移模塊，分析小型湖泊中的流態(tài)和污染物遷移擴(kuò)散情況，判別出水體的水力和水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，從而為后續(xù)水環(huán)境治理技術(shù)的方案提供理論基礎(chǔ)。本次的研究方法和研究發(fā)現(xiàn)有望為水力水質(zhì)模型技術(shù)在小型湖泊水環(huán)境治理的研究和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 方法

1.1 研究區(qū)域介紹

（1）自然條件。本次研究區(qū)域位于四川省資陽市雁江區(qū)雁南湖，位于東經(jīng)104°11'23″—105°45'16″、北緯29°40'50″—30°38'48″之間。研究區(qū)域整體標(biāo)高為379.81 m～398.44 m，最大高差約18.6 m。地貌單元屬于淺丘地貌。研究區(qū)域及水質(zhì)取樣點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域及水質(zhì)取樣點(diǎn)位置

該區(qū)域年平均降雨量914.7 mm，年內(nèi)分配不均勻，6 月～9月為683 mm，占全年降雨量的71.8%，11 月～翌年3 月降雨量為83 mm，占全年降雨量的8.7%，據(jù)歷年雨量資料統(tǒng)計(jì)，大暴雨多集中在7 月～8 月，多年平均暴雨日數(shù)40 d。

（2）水文水質(zhì)。研究區(qū)域湖泊為20 世紀(jì)70 年代初在河道上人工筑壩形成的過水型湖泊，總匯水面積約4.5 km2，年平均徑流量約為25.8 萬m3，上游水庫年平均泄水量為209 萬m3。湖泊總?cè)萘?8.85 萬m3，常水位386.5 m。

隨著近年來該區(qū)域的快速發(fā)展，雁南湖出現(xiàn)水質(zhì)富營養(yǎng)化，存在藻類爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，急需對該區(qū)域的水環(huán)境進(jìn)行治理。通過對雁南湖進(jìn)出水口和湖區(qū)中部的水質(zhì)檢測，了解到雁南湖主要污染物的濃度情況，如表1 所示。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002），雁南湖現(xiàn)狀水質(zhì)狀況較差。其中COD 為Ⅳ-Ⅴ類水質(zhì)，TN 和TP 均為劣V 類水質(zhì)。

表1 雁南湖水質(zhì)現(xiàn)狀

1.2 建模步驟

（1）模型搭建。本次研究采用由丹麥水利研究所DHI 開發(fā)的MIKE21 軟件進(jìn)行建模搭建。具體而言，基于實(shí)測地形數(shù)據(jù)搭建了湖區(qū)水動(dòng)力網(wǎng)格模型，該部分?jǐn)?shù)據(jù)包括等高線、岸線、湖底高程3 部分。隨后基于實(shí)測水文水質(zhì)數(shù)據(jù)，設(shè)立了模型的初始條件和邊界條件，該部分?jǐn)?shù)據(jù)包括上下游水位、流量、污染物濃度3 部分。模型搭建如圖2 所示。

圖2 模型搭建流程

（2）模型參數(shù)率定驗(yàn)證。完成模型基礎(chǔ)部分的搭建后，進(jìn)行了模型參數(shù)的取值分析以及校準(zhǔn)率定。具體而言，①確定渦流粘度、河床阻力、污染物分散系數(shù)、污染物降解系數(shù)這4 項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，如表2 所示；②在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行取值并作為輸入值代入數(shù)值模擬；③選取流速和污染物濃度作為率定指標(biāo)，將模擬結(jié)果作為輸出值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并評估擬合度；④選取擬合度最高的輸出值對應(yīng)的輸入值作為關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)取值。

表2 模型參數(shù)表

1.3 工況設(shè)計(jì)及模擬

工況設(shè)計(jì)主要指通過分析設(shè)計(jì)區(qū)域的多種運(yùn)行工況，以建立相應(yīng)的模擬場景。本次研究涉及2 種工況：初始工況和流態(tài)優(yōu)化工況。

（1）初始工況。初始工況是基于現(xiàn)狀實(shí)測湖底地形和岸線走向確定的水動(dòng)力工況條件，進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)模擬，以評估現(xiàn)狀下湖區(qū)的流態(tài)和污染物分布情況。具體涉及的評估指標(biāo)包括水深、水流流向、水流流速、COD 濃度、TN 濃度和TP 濃度。

（2）流態(tài)優(yōu)化工況。根據(jù)初始工況下的流態(tài)分析結(jié)果，針對性地進(jìn)行湖區(qū)流態(tài)優(yōu)化，包括岸線整治和湖底地形微整2部分。一方面，根據(jù)初始工況下水流流向和流速分布，實(shí)施湖區(qū)岸線微調(diào)。對湖區(qū)除中游既有橋梁段的岸線，通過微調(diào)的方式使其走向更為順暢，盡量避免岸線局部曲折突變，減少旋流。另一方面，根據(jù)初始工況下水深分布，進(jìn)行湖底地形微整。具體而言，將岸線微調(diào)產(chǎn)生的土方，依次從上游到下游填入湖區(qū)的水深突變點(diǎn)，盡量實(shí)現(xiàn)湖底高程的平滑過渡，減少旋流，如圖3 所示。

圖3 初始工況和流態(tài)優(yōu)化工況下的湖底高程和岸線分布

流態(tài)優(yōu)化工況便是基于岸線整治和湖底地形微整方案而確定的水動(dòng)力工況條件，進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)模擬，以評估優(yōu)化后湖區(qū)的流態(tài)和污染物分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)狀流態(tài)及污染分布

不同工況下水力風(fēng)險(xiǎn)和污染物風(fēng)險(xiǎn)分布模擬結(jié)果見圖4，圖中通過不同灰度來呈現(xiàn)不同的指標(biāo)分級。其中，圖4（a）和（b）中根據(jù)水深從深灰色（大于4.20 m）到黑色（陸地區(qū)域）進(jìn)行分類呈現(xiàn)，通過箭頭表示水流流態(tài)，箭頭方向表示流向，箭頭大小粗細(xì)表示流速；對于圖4（c）～（h），則根據(jù)3 種污染物的濃度從高到低進(jìn)行分類呈現(xiàn)。

經(jīng)建模分析后，初始工況下湖區(qū)的流態(tài)分布和水深分布如圖4（a）所示。整個(gè)湖區(qū)的流態(tài)受岸線走向和水深影響較大。一方面，在湖區(qū)入口段及湖區(qū)中游橋梁涵洞段湖面寬度較小，因此流速較快，在0.10 m/s 左右；而其他區(qū)域湖面較寬，因此流速為0.01 m/s 左右。另一方面，除去流態(tài)順暢的平流區(qū)外，在岸線曲折的區(qū)域普遍存在不同大小的旋流，其流態(tài)較為紊亂，水流流向呈回旋狀。此外，湖區(qū)大部分區(qū)域水深在2.10 m～4.20 m 之間，但在上游和中下游段均存在不同規(guī)模的水深突變，下游區(qū)域最大水深達(dá)到5.50 m。值得注意的是，在水深突變區(qū)往往伴隨旋流，其流速較大且方向紊亂。該結(jié)果說明岸線的曲折導(dǎo)致了旋流及流速流向的波動(dòng)，而水深的突變一定程度上加重了流態(tài)的紊亂。

圖4 初始工況及流態(tài)優(yōu)化工況下的水力風(fēng)險(xiǎn)和污染物風(fēng)險(xiǎn)分布

經(jīng)建模分析后，初始工況下湖區(qū)的污染物（COD、TN、TP）濃度分布如圖4（c）（e）（g）所示。從空間上看，COD 在中上游高濃度（30.6 mg/L 以上）聚集情況較為明顯，中濃度（30.0 mg/L～30.6 mg/L）的污染擴(kuò)散到了湖區(qū)中部；相比之下，TN 和TP 在上游也存在高濃度聚集的情況，但同時(shí)這2 種污染物的中濃度區(qū)域擴(kuò)散到了下游。表3 列出了3 種污染物的濃度差值（1#入口污染物濃度和4# 出口污染物濃度的差值）。從數(shù)值上看，COD 的濃度差值最高，達(dá)到了2.67 mg/L，占進(jìn)水濃度的8.38%；而TN 和TP 的濃度差值分別為0.30 mg/L 和0.014 mg/L，分別占進(jìn)水濃度的5.62%和1.66%。該結(jié)果說明，3 種污染物在湖區(qū)存在一定程度的遷移和擴(kuò)散。然而，不同污染物的遷移和擴(kuò)散程度存在差異。

表3 污染物濃度差值

通過對初始工況下的流態(tài)分析和水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，由于湖區(qū)的岸線走向不合理，加之水深均勻度較差，導(dǎo)致流態(tài)不夠順暢，流向和流速波動(dòng)較大，影響了污染物的遷移和水體自凈，導(dǎo)致污染物在上游存在高濃度的聚集。因此，有必要進(jìn)行流態(tài)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更好的水體治理效果。

2.2 優(yōu)化后流態(tài)及污染物分布

經(jīng)建模分析后，流態(tài)優(yōu)化工況下湖區(qū)的水深分布和流態(tài)分布如圖4（b）所示。從空間分布上看，岸線的流暢度比先前有了很大的提高，岸線形態(tài)突變點(diǎn)明顯減少，整體呈現(xiàn)為光滑曲線形態(tài)。此外，由于湖底地形微整，原先的中上游水深突變情況得到很好的緩解，水深均勻度較初始工況有了很大提升。因此，湖區(qū)的流態(tài)分布也明顯較先前更加均勻。絕大部分區(qū)域呈現(xiàn)低速平緩流態(tài)，流速在0.01 m/s 左右；原先中上游幾個(gè)主要的旋流區(qū)已消失，僅在下游區(qū)域存在部分旋流，最大流速也下降至約0.05 m/s。流速和流向的波動(dòng)都明顯減少。這也證明了岸線整治和湖底地形微整的合理性。

流態(tài)優(yōu)化工況下，湖區(qū)的污染物濃度分布如圖4（d）（f）（h）所示。從空間上看，3 種污染物的遷移效果得到不同程度的提升。其中以COD 最為顯著，上游原先的高濃度聚集情況得到明顯緩解，而中濃度區(qū)域向下游進(jìn)一步擴(kuò)散。盡管TN 和TP在中上游的高濃度聚集情況仍然存在，但范圍相比初始工況有了明顯減小，并且這2 種污染物在下游的中濃度聚集情況也出現(xiàn)了一定程度的緩解。

此外，相比于初始工況，流態(tài)優(yōu)化后污染物的衰減效果也得到一定程度的提升，整個(gè)湖區(qū)的污染物水平出現(xiàn)了小幅度的下降。以4#水質(zhì)取樣點(diǎn)為例，優(yōu)化后COD 的濃度從29.17 mg/L下降至28.59 mg/L，TN 濃度從5.04 mg/L 下降至4.97 mg/L，TP濃度從0.830 mg/L 下降至0.825 mg/L。在污染物遷移擴(kuò)散效果增強(qiáng)的情況下，下游污染物的濃度出現(xiàn)減小，說明流態(tài)的優(yōu)化避免了污染物的高濃度聚集，從而使水體的自凈能力得以更充分地發(fā)揮。

結(jié)果表明，流態(tài)的優(yōu)化不僅可以使湖區(qū)水動(dòng)力情況更加平穩(wěn)，還可以提升污染物在湖區(qū)的均布效果，減小污染物在上下游的濃度差異。在未采取其他治理措施的情況下，發(fā)揮出水體的自凈作用，從而可以在一定程度上降低后續(xù)治理的難度和成本。

3 總結(jié)與展望

本次研究通過水力水質(zhì)建模，評估了湖區(qū)水體在自然條件下的流態(tài)和污染物分布情況，將其流態(tài)存在的問題進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。結(jié)果表明，通過優(yōu)化湖區(qū)的水動(dòng)力流態(tài)，可以一定程度提升污染物的均布，減小污染物濃度差異，發(fā)揮水體自凈能力，從而降低后續(xù)治理的難度和成本。

基于數(shù)值模擬制定的流態(tài)優(yōu)化方案對于COD 的濃度改善有較明顯的效果，但對于TN 和TP 濃度降低的作用并不顯著。鑒于湖區(qū)TN、TP 污染情況較COD 嚴(yán)重，后續(xù)水環(huán)境治理技術(shù)方案的重點(diǎn)應(yīng)放在削減TN、TP 的入湖污染負(fù)荷，同時(shí)增強(qiáng)水體對TN、TP 的去除能力上。

本次研究是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了流態(tài)和污染物的遷移擴(kuò)散分析，后續(xù)將基于建模繼續(xù)分析控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)等不同治理措施及組合的合理性與有效性，同時(shí)控制湖區(qū)景觀打造對水動(dòng)力流態(tài)的影響程度，真正實(shí)現(xiàn)因地制宜、科學(xué)施策。