關(guān)鍵詞：MIKE21;水動力;水質(zhì);環(huán)境修復;品清湖

中圖分類號：X55 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）03-0016-12

0 引言

潟湖是具有豐富自然資源的寶貴生態(tài)系統(tǒng)，近些年來人類活動頻繁，如產(chǎn)業(yè)開發(fā)、基礎建設和海岸漁業(yè)等，對潟湖的有效水域面積和水環(huán)境造成嚴重影響，使?jié)暫粩辔s，生態(tài)環(huán)境日趨惡化[1]。潟湖具有潮汐通道窄，與鄰近海域水體交換有限，自凈能力弱，生態(tài)系統(tǒng)敏感等特點，導致生態(tài)環(huán)境更容易受到陸源污染的影響[1-2]。保證良好的水動力是保證潟湖生態(tài)保護系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎，對于潟湖生態(tài)修復和工程開發(fā)都具有重要意義[3]。

目前科研工作者就潟湖演化[4-6]、相關(guān)分布特征[7-9]以及工程對潟湖的影響評估[10]等方面進行了較為廣泛的研究，但采取人工措施提升水動力改善潟湖水質(zhì)鮮見報道。傳統(tǒng)的水動力分析方法由于數(shù)據(jù)不易獲取，并且易受制于許多其他因素，目前采用數(shù)值模擬方法進行水動力分析已經(jīng)成為主流[11]。劉尚辰等[12]基于MIKE21模型建立了新村潟湖及附近海域的水動力數(shù)值模型，通過水體自凈速率、半交換時間和停留時間3種指標，對新村潟湖的水體交換能力進行了分析，闡述了潟湖各個區(qū)域水體交換能力的基本規(guī)律。李水娟等[13]建立水動力模型，分析了連通湖泊后水生植物受到湖水水動力和鹽度的影響狀況，為科學規(guī)劃陵水縣的發(fā)展提供依據(jù)。

品清湖作為亞洲第二大潟湖，具有典型的沙壩潟湖特征和污染特征，主要污染來源為海水養(yǎng)殖、生活污水、地表徑流、漁船廢水等，在潟湖修復和保護研究中具有重要的代表性。因此，本研究以品清湖為例，采用MIKE21軟件構(gòu)建品清湖水動力模型，基于品清湖的水文、水質(zhì)以及地形地貌的現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，模擬分析了17種改造工況對品清湖水動力、納潮量、水體更新時間的影響;篩選綜合提升效果好、改造工程量小的工況耦合水質(zhì)模型進行模擬，進一步分析了優(yōu)選工況下的水質(zhì)提升效果。研究成果可以為潟湖提供改造和模擬案例，為品清湖的開發(fā)與環(huán)境修復工程實施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

品清湖位于汕尾市中心城區(qū)東南面，是中國大陸最大濱海潟湖[14]，基本形態(tài)特征見圖1和圖2。品清湖口門朝西，潮汐通道沿西北向延伸，與紅海灣相通。水文監(jiān)測結(jié)果顯示品清湖海域?qū)儆诨旌铣敝械牟徽?guī)半日潮型，潮流呈現(xiàn)明顯的往復特征，流速從連接外海的西部自西向東減弱。品清湖曾由于生活污水直排、入湖河涌污染和水動力不足等問題，導致水質(zhì)惡化、綠藻災害暴發(fā)[15]。

2022年，汕尾市政府成立了品清湖管委會，加大品清湖整治力度，使品清湖污染狀況得到了很大的改善，但由于品清湖沿湖排水口較多，集水面積大，陸源污染難以在短期內(nèi)全部阻斷，且品清湖水動力較差，污染物無法快速擴散和降解，品清湖仍存在局部水質(zhì)超標的現(xiàn)象。根據(jù)2022年品清湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，湖內(nèi)主要超標因子為無機氮和活性磷酸鹽，其濃度超出了《海水水質(zhì)標準（3097—1997）》的四類水質(zhì)標準。

本研究根據(jù)污染程度及水動力分布情況，將品清湖內(nèi)湖劃分為東區(qū)、西區(qū)、中區(qū)和避風塘區(qū)域（圖1）。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 模型基本方程與相關(guān)計算方法

本研究模型包括水動力模塊、對流擴散模塊和ECOLab水質(zhì)模塊，其中水動力模塊和ECOLab水質(zhì)模塊的基本方程詳細介紹見文獻[16]，對流擴散模塊的基本方程詳細介紹見文獻[17]。其他相關(guān)計算方法如下。

（1）水體更新時間?；诒Ｊ匚镔|(zhì)對流擴散模型，采用歐拉法計算水體更新時間。假設品清湖內(nèi)保守物質(zhì)的初始質(zhì)量濃度為1mg/L，紅海灣及其他陸源進水口質(zhì)量濃度為0mg/L，當模型中湖內(nèi)濃度下降至37%的閾值，則認為水體已經(jīng)完全交換[18-19]。

（2）納潮量。通過計算每個網(wǎng)格中的納潮量后進行加和得出總納潮量，計算公式如下。

2.2 數(shù)據(jù)來源與參數(shù)設置

利用MIKE21軟件自帶的網(wǎng)格生成器構(gòu)造研究地形網(wǎng)格，其中陸地邊界數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)來源于中國人民解放軍海軍海道測量局出版的《電子海圖》和本研究團隊實地測繪的比例尺為1∶2000的CAD地形圖，坐標系采用CGCS_2000_3_Degree_GK_CM_114E。為了避免計算過程中出現(xiàn)由于網(wǎng)格尺寸突變導致的計算過程不穩(wěn)定的現(xiàn)象，對網(wǎng)格進行逐級加密，網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點數(shù)分別為22287個和11604個（圖3）。模擬時間為2022年12月1日至2023年1月16日，時間步長為180s，渦黏系數(shù)為0.3，根據(jù)地形和水深，不同區(qū)域設置不同糙率，經(jīng)過多次驗證，曼寧系數(shù)設置為0.014～0.03。模型設置的排水口數(shù)量與位置見圖3。

以汕尾市生態(tài)環(huán)境局2020—2022年監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，通過水文比擬法對缺失的排水口水量進行估算，根據(jù)旱澇季多年平均降雨量比例（0.164）估算旱季排洪渠排水量。通過各排水口歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值計算污染物通量，對于部分水量小且未曾監(jiān)測水質(zhì)的排水口，通過地理位置接近、接收污水類型一致等原則根據(jù)其他排水口水質(zhì)數(shù)據(jù)進行概化，具體水量數(shù)據(jù)見表1。

本研究中水質(zhì)狀態(tài)變量包括溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）。考慮品清湖主要為無機氮、磷超標的污染特征，本研究僅討論TN 與TP的變化。TN、TP生化過程包括有機物降解釋放氮磷過程、生物轉(zhuǎn)化以及底泥釋放氮磷過程，表達式如下：

根據(jù)品清湖實測數(shù)據(jù)多次驗證調(diào)整，確定水質(zhì)模型的主要參數(shù)（表2）。溫度、鹽度取模擬月份的實際監(jiān)測平均值，分別為15.6℃和32.5‰。

2.4 水動力提升工況設計

根據(jù)品清湖特征，設計了拓寬納潮口、拆除防波堤、改建運河以及疏浚4種模擬方案合計17種改造工況，模擬工況見表3，各工況中涉及位置見圖1。

2.5 水質(zhì)模擬研究

對篩選出來的水動力提升效果相對較好、工程量相對較低的工況（工況2、工況3和工況9）進行進一步的水質(zhì)模擬分析。鑒于污染物濃度隨潮汐變化且相差較大，進行水質(zhì)分析的平均濃度取一個潮周（從大潮到小潮）的平均值（圖5），即2022年12月24日至2023年1月1日模擬平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 水動力驗證結(jié)果

水動力模型驗證結(jié)果見圖6和圖7。潮位的效率系數(shù)S為0.99，流速和流向驗證站點S值分別在0.83～0.96和0.80～0.95，平均值分別為0.9和0.89，可見水動力模擬結(jié)果可有效反映實際情況，可以用于后續(xù)設計工況的水動力模擬和水質(zhì)模擬。

3.2 水動力模擬結(jié)果與討論

各工況平均流速、納潮量及平均水體更新時間及變化見表4。結(jié)果顯示，工況1的平均流速為0.076m/s， 其中品清湖西區(qū)、中區(qū)、避風塘和東區(qū)平均流速分別為0.164m/s、0.074m/s、0.031m/s和0.037m/s，與品清湖實際監(jiān)測情況相吻合;平均水體更新時間約為5.8d，其中避風塘區(qū)域水體更新時間約為11.5d，與韓春陽等[22]模擬的60d左右有較大差距。本模型是基于考慮品清湖陸源排水的情況下所模擬的結(jié)果，當不考慮陸源排水時，模擬結(jié)果與其接近，約54d;品清湖大潮期納潮量約為4.61×107m³，其中9：00-21：00納潮量約為3.36×107 m³，與斷面流量監(jiān)測的實際納潮量為3.51×107m³相接近（圖8）。整體上模型模擬精度高，模擬流速、納潮量以及水體更新時間結(jié)果可靠。

拆除防波堤方案中，拆除1/2防波堤（工況2-3）對納潮量和流速的改善效果與全部拆除防波堤（工況4）接近，水交換能力的改善優(yōu)于全部拆除。拆除防波堤加強了避風塘的環(huán)流，能有效改善品清湖中部、西部和避風塘水動力，對東南部水動力有一定削弱，拆除防波堤時應考慮綜合效益。從成本、水動力提升效果及保持避風塘使用功能等方面考慮，拆除1/2防波堤效果均更佳。拆除1/2防波堤的兩個工況能分別提高品清湖整體流速和納潮量10.42%～10.70%和2.17%～2.48%，降低水體更新時間21.44%～23.13%。

拓寬納潮口方案中，拆除沙舌能使品清湖內(nèi)湖水體更快地與外海水體進行交換，使水體更新能力大大提高，但除沙舌口外，崩坎角口門也是限制潮水進入品清湖的主要因素，因此雖然全部拆除沙舌時能減少80.54%的水體更新時間，增加37.09%的水體流速，但會減少1.31%的納潮量。拆除崩坎角和拆除沙舌有很好的協(xié)同作用，相比于單獨拆除時的改善效果有顯著提高，工況9分別提高品清湖整體流速和納潮量32.25%和1.68%，減少水體更新時間21.49%。綜合考慮水動力提升效果、工程量以及沙舌為品清湖特色等因素，工況9更具優(yōu)勢。

引入外來水源能有效提高品清湖水動力，補水50 m³/s時分別提高品清湖整體流速和納潮量15.99%和2.30%，減少水體更新時間47.9%。但品清湖運河開挖工程量較大，該效果遠不足以補償開挖運河所帶來的巨大成本以及可能產(chǎn)生的環(huán)境影響。如果其他潟湖擁有鄰近且干凈的水源，該方法或許能起到不錯的效果。

疏浚具有增加庫容、清除內(nèi)源污染等重要作用，但是對水動力影響較小。各疏浚工況中，東區(qū)疏浚對品清湖改善最佳，分別提高品清湖整體流速和納潮量0.91% 和0.37%，減少水體更新時間4.27%。水動力的影響與疏浚的位置和疏浚量有關(guān)。

不同方案之間的組合工況對于水動力的提升效果并不一定能疊加，本研究中設計的組合工況（工況17-18）效果與其中單個工況相接近，甚至不如單個工況。

總體而言，工況2（拆除離岸端1/2防波堤）、工況3（拆除近岸端1/2防波堤）和工況9（拆除1/4沙舌和部分崩坎角）對品清湖流速、納潮量以及水體更新時間改善效果均較好，工程量相對較低且能保留品清湖特色，因此選取這3個工況耦合水質(zhì)模型進一步分析水質(zhì)變化情況。

3.3 水質(zhì)驗證結(jié)果

水質(zhì)驗證結(jié)果見圖9。TN 和TP的PB值分別為5.7和5.1，模型評價為極好，可用于設計工況水質(zhì)模擬。

3.4 水質(zhì)模擬結(jié)果與討論

污染物濃度分布上（圖10），工況2、工況3和工況9均呈現(xiàn)排水口所形成的高濃度場范圍減小，湖內(nèi)污染分布更加均勻的趨勢。工況2和工況3促進避風塘水體與其他區(qū)域水體的混合，加大了水體往避風塘和小島左側(cè)通道的環(huán)流，且工況3下避風塘與其他區(qū)域混合更為均勻，工況9則主要影響主潮汐通道，促進品清湖東區(qū)、中區(qū)、西區(qū)與外海的混合，對避風塘影響較小。

水質(zhì)提升效果上（圖5），工況2、工況3和工況9水質(zhì)提升效果均較好，TN 的濃度相對工況1分別下降了9.6%、9.0%和10.7%，TP的濃度分別下降了11.7%、11.2%和13.0%。工況9去除效果最優(yōu)，工況2和工況3去除效果相接近。

4 結(jié)論

17個水動力水質(zhì)提升方案中，工況2、工況3和工況9對品清湖流速、納潮量、水交換能力和水質(zhì)提升效果均較好，且成本相對較低，提高品清湖平均流速（10.42% ～32.25%）和納潮量（1.68% ～2.48%），減少水體更新時間21.44%～23.13%;去除9.0%～10.7%的TN 和11.2%～13.0%的TP。3個工況各有優(yōu)勢，其中工況9水動力水質(zhì)改善效果最佳，工況2和工況3改善效果相接近，但工況9工程量相對更高。3個工況不適合共同實施，共同實施效果與單個工況相接近，甚至不如單個工況。

總體而言，工況2、工況3和工況9能在相對較低成本下有效提高品清湖水動力和水質(zhì)?？赏ㄟ^拆除1/2防波堤或同步拆除1/4沙舌和部分崩坎角的方式提高品清湖水動力和水質(zhì)，或可通過透水式改造達到相似的效果。其他潟湖水動力水質(zhì)提升可考慮根據(jù)潟湖特色通過拓寬納潮口、水源輸入、合理疏浚以及改造內(nèi)湖中的阻水構(gòu)筑物進行設計模擬，從中篩選效果最佳的方式。