陳雪峰

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

博斯騰湖是我國最大的內(nèi)陸淡水湖[1]，主要由開都河流域和孔雀河流域組合，總面積7.7×104km2[2]，是博斯騰湖流域人民生產(chǎn)生活的主要水源和生態(tài)屏障。為了有效改善博斯騰湖水環(huán)境面貌，增加入湖水量，現(xiàn)對北岸水系連通對博斯湖入湖水動力、水質(zhì)影響情況進行探討。

1 存在問題

近50a來，隨著區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展進程中的水土資源高強度開發(fā)利用，入湖徑流的攔截，工業(yè)排污和農(nóng)業(yè)污染的加劇，導致博斯騰湖水環(huán)境呈惡化趨勢，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①湖泊萎縮，水量減少；②水質(zhì)咸化、礦化度上升；③水質(zhì)惡化，富營養(yǎng)化加??；④地表徑流減少，進入到水體中營養(yǎng)物和污染物的濃度增加；⑤水動力不足，水污染加劇等[3]。

2 北岸水系情況

博斯騰湖入湖河流主要有開都河、黃水溝、清水河等，多年平均入湖徑流量為26.8億m3，其中只有開都河直接流入博湖，為博湖的主要補給水源，占到了補給總量的84.7%?？兹负邮遣┧跪v湖唯一的出湖河流，平均每年流出量為12.5億m3。博斯騰湖北岸清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等支流，僅在洪水季節(jié)才有少量洪水匯入博斯騰湖。清水源發(fā)源于和靜縣合依都它烏山系冰川區(qū)，河長88.21km，多年平均徑流量1.1×108m3，是博斯騰湖第三大入湖河流。曲惠溝發(fā)源于哈依都他烏山系南麓，全長60km，多年平均徑流量0.17×108m3。烏什塔拉河發(fā)源于哈依都他烏山系南麓冰川區(qū)，全長80km，多年平均徑流量0.5×108m3。鑒于博斯騰湖水動力條件較差的情況，考慮連通北岸支流水系以改善博斯騰湖水動力和水環(huán)境條件。

3 研究方法與模型構建

3.1 研究方法

本次研究采用DHI開發(fā)的MIKE軟件構建博斯騰湖水動力-水質(zhì)-水生態(tài)數(shù)學模型，模擬博斯騰湖北岸水系連通后湖區(qū)水流流場、污染物濃度場和水生態(tài)環(huán)境分布特征。模型的水動力-水質(zhì)模塊控制方程如下[4]。

水流連續(xù)性方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

濃度對流擴散方程：

(3)

k-ε雙流體模型：

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

式中，ρ—水的密度；CS—水中聲的傳播速度；ui—xi方向的速度分量；Ωij—克氏張量；p—壓力；gi—重力矢量；vT—紊動黏性系數(shù)；δ—克羅奈克函數(shù)；k—紊動動能；ε—紊動動能的耗散率；C—濃度；DT與DC—相關的濃度擴散系數(shù)；t—時間；SS—各自的源匯項(每個方程的均不相同)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε、σT—特征值；β—容量擴張系數(shù)；φ—浮力標量。

3.2 模型構建

本次研究采用非結構三角形網(wǎng)格對博斯騰湖區(qū)域進行劃分。計算網(wǎng)格尺寸100～300m，每個網(wǎng)格平均64439m2，計算區(qū)域共13257個網(wǎng)格節(jié)點，25583個網(wǎng)格單元。對于博斯騰湖水位變化的動邊界，采用“干濕判別法”處理計算。根據(jù)數(shù)據(jù)資料完整度及博湖實際情況，選取COD和礦化度作為水質(zhì)指標進行模擬計算。模型計算初始流速為0，初始濃度場為17個水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)據(jù)插值得到，每次模擬計算時，計算時間提前3個月開始，使模型達到穩(wěn)定的流場和濃度場。

3.3 模型參數(shù)率定與驗證

為驗證模型參數(shù)設置合理性及模型計算結果的準確性，需對模型相關參數(shù)進行率定，對模擬結果進行驗證。博斯騰湖現(xiàn)有17個水質(zhì)監(jiān)測點的長序列水質(zhì)資料，本次選用2018年水質(zhì)數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定，選用2019年水位數(shù)據(jù)進行模型驗證。模型需要率定的水質(zhì)參數(shù)主要為各水質(zhì)指標擴散系數(shù)和降解系數(shù)等。率定驗證選用的水質(zhì)評估指標為博斯騰湖大湖區(qū)水質(zhì)超標的COD和博斯騰湖指標礦化度。

通過反復計算，率定得到博斯騰湖水生態(tài)動力學擴散系數(shù)D=0.05m2/s，K20COD=0.02，K20NH3-N=0.06，K20TN=0.008，K20TP=0.05.使用率定的模型參數(shù)計算2019年博斯騰湖水質(zhì)過程并與檢測結果進行比較，17個國控監(jiān)測點的水質(zhì)模擬值與實測值比較結果表明，博斯騰湖水生態(tài)動力學模型可以較準確的反映博斯騰水動力和水質(zhì)的變化過程，模擬結果可信。

3.4 模擬工況設定

博斯騰湖北岸清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等支流水系的水源，均為開都河，因此以黃水溝與開都河的徑流比例為參考，同時考慮開都河農(nóng)業(yè)灌溉用水等因素，設置豐水年、平水年、枯水年3種北岸水系的流量條件模擬工況，模擬工況見表1，3條支流在豐、平、枯水文年入湖水量如圖1所示。

圖1 博斯騰湖北岸支流水系流量變化過程

表1 博斯騰湖北岸支流水系連通工況設定表

4 計算結果分析

4.1 北岸支流水系連通對博斯騰湖水動力條件的影響

利用模型分別模擬現(xiàn)狀條件下及不同補水量條件下的北岸支注水系連貫時博斯騰湖水動力變化情況，模擬結果顯示，北岸支流水系連通后，并未改變博斯騰湖主要的水動力特征，湖區(qū)仍呈現(xiàn)明顯的風生湖流特征，湖岸區(qū)域流速大，湖心區(qū)域流速小，僅北岸支流入湖處的流速明顯增大，統(tǒng)計北岸支流水系連通前后博斯騰湖水動力條件變化情況見表2，如圖2所示。

圖2 北岸支流水系連通前后博斯騰湖流速變化

表2 北岸支流水系連通前后博斯騰湖流速變化統(tǒng)計表 單位：cm/s

由表2和圖2可知，北岸支流水系連續(xù)后，博斯騰湖水動力條件有了一定的提升，流速較現(xiàn)狀條件增大。北岸支流水系在豐、平、枯3種來水工況下，博斯騰湖區(qū)平均流速由現(xiàn)狀的0.82cm/s分別升高為0.9、0.86和0.84cm/s。為更直觀的表示湖區(qū)流速變化，統(tǒng)計3種工況下補水前后湖區(qū)流速變化差值，可知，豐平枯3種補水工況下，湖區(qū)流速增大的面積分別占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%。

4.2 北岸支流水系連通對博斯騰湖水質(zhì)的影響

利用模型分別模擬北岸支流水系連通后不同補水量時博斯騰湖水質(zhì)變化情況可知，北岸支流水系連通后，并未改變博斯騰湖主要的水質(zhì)分布特征，湖區(qū)大部分區(qū)域COD均超過20mg/L。統(tǒng)計北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化情況見表3，如圖3所示。

圖3 北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化

表3 北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化統(tǒng)計表

由表3和圖3可知，北岸支流水系連通后，博斯騰湖水質(zhì)狀況有了一定的提升，湖區(qū)平均COD濃度較現(xiàn)狀條件略微降低。北岸支流水系在豐、平、枯3種來水工況下，博斯騰湖湖區(qū)平均COD濃度由現(xiàn)狀的22.1mg/L分別降低為20.5、20.8和21mg/L，更接近Ⅲ類水標準。

為更直觀的表示湖區(qū)水質(zhì)變化情況，統(tǒng)計3種工況下補水后湖區(qū)COD濃度變化差值可知，豐平枯3種補水工況下，湖區(qū)COD濃度降低的面積分別占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%。

4.3 出入湖水量對博斯騰湖水環(huán)境的影響

統(tǒng)計2019—2021年博斯騰湖出入湖流量、水質(zhì)和5個水功能區(qū)的COD濃度，如圖4所示。并使用pearson相關性分析法分析出入湖流量、水質(zhì)與各水功能區(qū)COD濃度的相關性，見表4。

表4 近3a博斯騰湖出入湖海流量水質(zhì)與湖區(qū)水質(zhì)的相關性

從入湖水質(zhì)來看，寶浪蘇木和黃水溝的入湖水體中COD濃度基本小于20mg/L，因此入湖河流對博斯騰湖水環(huán)境具有一定的提升作用。從入湖流量與博斯湖5個水功能區(qū)COD濃度的相關性來看，博斯騰湖的入湖流量與湖區(qū)內(nèi)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量無明顯相關性。黃水溝入湖水量只與Ⅳ區(qū)水環(huán)境質(zhì)量有較弱正相關關系，入湖水量與Ⅲ區(qū)水環(huán)境產(chǎn)生影響，對Ⅴ區(qū)水環(huán)境影響較弱，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的水環(huán)境基本與入湖河流無關，造成這一現(xiàn)象的原因是由于博斯騰在風力作用下產(chǎn)生的風生環(huán)境結構所導致的。

綜上分析可知，入湖水量增加雖然有利于改善博斯騰湖水質(zhì)，北岸水系連通使博斯騰湖水動力條件有了一定的提升，但由于湖區(qū)水流速緩慢，水動力特征仍呈現(xiàn)明顯的風生湖流特征。北岸三條河流的水量有限，大多只會在汛期流入博斯騰湖，僅在流入?yún)^(qū)西南角泵站處和北岸支流入湖處改善水質(zhì)，使得COD濃度低于20mg/L，整體湖區(qū)水質(zhì)分布特征并未發(fā)生變化。

5 結語

博斯騰湖的水環(huán)境惡化，直接威脅到沿湖群眾用水和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。水環(huán)境的改變不僅取決于水量的增加還有水動力條件?；诓┧跪v湖水環(huán)境存在的問題，經(jīng)過水生態(tài)動力學模型構建和分析探討可知，北岸水系連通后，雖然在豐平枯3種來水工況下，使得博斯騰湖湖區(qū)平均流速由現(xiàn)狀的0.82cm/s分別升高為0.9、0.86和0.84cm/s，COD濃度由現(xiàn)狀的22.1mg/L分別降低為20.5、20.8和21mg/L，但由于水力不足，水量有限，北岸水系連通產(chǎn)生的流速增大和COD濃度降低的面積僅占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%，對于整個湖區(qū)水環(huán)境來說作用力太小，要想改善博斯騰湖水環(huán)境現(xiàn)狀必須采取綜合的有效的治理措施，為類似湖泊水環(huán)境治理研究提供了借鑒。