黃 明 馬飛虎# 匡 武 孫亞敏

(1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽建筑大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所,安徽 合肥 230601;3.安徽省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,安徽 合肥 230061;4.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,安徽 合肥 230061)

巢湖是我國(guó)五大淡水湖之一,近年來(lái)巢湖水環(huán)境有所改善,但巢湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題依然存在。巢湖東半湖是巢湖市的飲用水水源地,環(huán)巢湖區(qū)域是當(dāng)?shù)刂木坝^(guān)水體,其水環(huán)境質(zhì)量直接影響到巢湖市居民用水和旅游觀(guān)光的經(jīng)濟(jì)收入。改善湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,要綜合考慮長(zhǎng)期和短期治理方案,長(zhǎng)期方案的重點(diǎn)在于減少污染物進(jìn)入湖泊,治理好湖泊流域內(nèi)的點(diǎn)源和面源污染;短期方案是實(shí)施有效的工程措施降低湖泊污染物濃度,其中生態(tài)補(bǔ)水是改善湖泊水環(huán)境的重要手段之一。關(guān)于生態(tài)補(bǔ)水對(duì)水環(huán)境的改善研究,JIANG等[1]發(fā)現(xiàn)“南水北調(diào)”東線(xiàn)二期工程的實(shí)施加快了湖區(qū)水質(zhì)變化頻率,形成了由東南向西北的水流流向,對(duì)洪澤湖水質(zhì)起到了改善效果;ZHANG等[2]利用MIKE21軟件構(gòu)建水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,模擬生態(tài)補(bǔ)水對(duì)白龜山水庫(kù)水質(zhì)的改善作用,發(fā)現(xiàn)在大流量補(bǔ)水條件下,水動(dòng)力條件和水庫(kù)復(fù)氧效果良好,水質(zhì)改善效果最佳;WANG等[3]建立了巢湖三維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,研究生態(tài)補(bǔ)水對(duì)巢湖水體生態(tài)環(huán)境的影響?？梢?jiàn),數(shù)理模型是研究湖泊水動(dòng)力和水質(zhì)改善效果的常用手段。

引江濟(jì)淮工程被稱(chēng)為安徽的“南水北調(diào)”,自南向北分為引江濟(jì)巢、江淮運(yùn)河、淮水北調(diào)3段,本研究主要針對(duì)引江濟(jì)淮工程中引江濟(jì)巢段的生態(tài)補(bǔ)水路線(xiàn)進(jìn)行研究。由于引江濟(jì)巢的長(zhǎng)江水量和水質(zhì)對(duì)巢湖的水動(dòng)力和水質(zhì)變化會(huì)產(chǎn)生一定影響,且巢湖流域內(nèi)的點(diǎn)源和面源污染尚未得到完全控制,因此,本研究利用MIKE21軟件建立巢湖水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,研究引江濟(jì)巢工程實(shí)施前后,巢湖的水動(dòng)力和水質(zhì)變化過(guò)程,尤其研究引江濟(jì)巢工程對(duì)南淝河入湖口、巢湖飲用水水源地等敏感區(qū)域的水質(zhì)影響,研究結(jié)果對(duì)于巢湖水環(huán)境質(zhì)量的精細(xì)化管控具有重要意義。

1 研究區(qū)域與模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖位于東經(jīng)117.25°～117.85°、北緯31.43°～31.73°,多年平均水位為8.52 m,平均水深為2.69 m,屬于淺水湖泊[4-5]。巢湖湖泊面積為769 km2,主要入湖河流有杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河和兆河,這些河流呈放射狀流入巢湖,其中杭埠河的水量最大[6]104?；谥苓吽堤卣髋c巢湖出水口位置,設(shè)計(jì)3種生態(tài)補(bǔ)水方案:方案一設(shè)置2條生態(tài)補(bǔ)水路線(xiàn),其中菜巢線(xiàn)由樅陽(yáng)樞紐引水經(jīng)菜子湖、白石天河進(jìn)入巢湖,西兆線(xiàn)由西向鳳凰頸樞紐引水經(jīng)兆河進(jìn)入巢湖,由巢湖閘流出;方案二由鳳凰頸樞紐單線(xiàn)引水經(jīng)兆河進(jìn)入巢湖,由白山節(jié)制樞紐流出巢湖;方案三由鳳凰頸樞紐單線(xiàn)引水經(jīng)兆河進(jìn)入巢湖,經(jīng)由巢湖閘流出,具體線(xiàn)路見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)位置與引江濟(jì)巢段生態(tài)補(bǔ)水路線(xiàn)Fig.1 Location of the study area and the ecological water replenishment routes in water diversion projects from Yangtze River to Chaohu Lake

1.2 模型構(gòu)建

MIKE21、EFDC、Delft3D等軟件被廣泛應(yīng)用于河湖水動(dòng)力與水質(zhì)模擬[7-8]。其中,MIKE21相比于EFDC和Delft3D,具有模型建立簡(jiǎn)單、軟件界面友好、前后期處理功能強(qiáng)大、其Ecolab模塊能很好地模擬湖泊水質(zhì)變化等優(yōu)勢(shì)[9-11],因此本研究采用MIKE21軟件構(gòu)建巢湖水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,對(duì)引水前后巢湖的水動(dòng)力和水質(zhì)進(jìn)行研究。模型網(wǎng)格的構(gòu)建對(duì)于確保模型精度和提高計(jì)算速度至關(guān)重要,密集的模型網(wǎng)格能保證模型高精度,但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng),而網(wǎng)格過(guò)少又會(huì)嚴(yán)重降低模型精度。因此,應(yīng)通過(guò)反復(fù)調(diào)整網(wǎng)格密度確定巢湖模型網(wǎng)格,在保證計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算時(shí)間。經(jīng)多次驗(yàn)證,本研究構(gòu)建的巢湖模型網(wǎng)格共有3 831個(gè)節(jié)點(diǎn),7 199個(gè)非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格,模型網(wǎng)格邊界、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、敏感區(qū)域位置見(jiàn)圖2。

圖2 巢湖模型網(wǎng)格邊界、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及敏感區(qū)域Fig.2 Boundaries,monitoring point locations and sensitive areas of Chaohu Lake model grid

1.2.1 模型原理

MIKE21中水動(dòng)力模型方程是基于N-S方程且服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定建立[12];水質(zhì)模型使用MIKE21中Ecolab模塊耦合水動(dòng)力模型建立。

1.2.2 邊界條件

巢湖水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型以7條入湖河流(南淝河、十五里河、派河、杭埠河、白石天河、兆河和柘皋河)作為上邊界,1條出湖河流(裕溪河)作為下邊界。生態(tài)補(bǔ)水情況下,方案一邊界條件不變,方案二、方案三中白石天河引水不進(jìn)入巢湖,而是經(jīng)人工河道進(jìn)入派河流出,因此上邊界入湖河流需去掉白石天河及派河,入湖河流由7條改為5條,且方案二將白石天河由上邊界的入湖河流變?yōu)橄逻吔绯龊凇?/p>

對(duì)巢湖8條邊界河流的氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1。參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中湖、庫(kù)標(biāo)準(zhǔn),入湖河流中南淝河、十五里河、派河等入西半湖河流的TN均值為劣Ⅴ類(lèi),白石天河TN均值為Ⅳ類(lèi),杭埠河、兆河和柘皋河TN均值為Ⅲ類(lèi);南淝河氨氮均值為Ⅴ類(lèi),其他6條入湖河流氨氮均值為Ⅰ～Ⅲ類(lèi);南淝河、十五里河和柘皋河TP均值為Ⅲ類(lèi),派河、杭埠河、白石天河、兆河TP均值為Ⅱ類(lèi)。

表1 8條邊界河流中氨氮、TN和TP的質(zhì)量濃度Table 1 Mass concentrations of ammonia nitrogen,TN and TP in eight border rivers mg/L

1.2.3 水文水質(zhì)數(shù)據(jù)

巢湖地形數(shù)據(jù)由巢湖底部高程點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建,降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自塘西、忠廟、柘皋和兆河閘4個(gè)雨量站,蒸發(fā)量取流域多年平均值[13];巢湖閘、忠廟、塘西和槐林4個(gè)水文站的水位數(shù)據(jù)來(lái)自安徽水文局(http://yc.wswj.net/ahsxx/LOL/Δrefer=upl&to=public_public)。模型上下邊界的水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自安徽生態(tài)環(huán)境廳(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。巢湖水質(zhì)和水溫?cái)?shù)據(jù)取自巢湖8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自相關(guān)文獻(xiàn)和安徽生態(tài)環(huán)境廳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。生態(tài)補(bǔ)水資料來(lái)源于文獻(xiàn)資料和引江濟(jì)淮工程環(huán)境影響報(bào)告書(shū)[14]。

1.2.4 日入湖流量計(jì)算

根據(jù)水量平衡原理,日入湖流量計(jì)算如下:

Qi+P=Q0+Ev+ΔV

(1)

ΔV=ΔH×S

(2)

式中:Qi為進(jìn)入巢湖流量(包括巢湖各個(gè)子流域的徑流量和河閘進(jìn)入巢湖的流量),m3/d;P為巢湖湖面降雨量,m3/d;Q0為經(jīng)由河閘流出巢湖的流量,m3/d;Ev為巢湖湖面蒸發(fā)損失的水量,m3/d;ΔV為水量變化引起的巢湖容積變化,m3/d;ΔH為水量變化引起的巢湖水位變化,m/d;S為巢湖水面面積,m2。

式(1)中各子流域的徑流量根據(jù)《安徽省暴雨參數(shù)等值線(xiàn)圖、山丘區(qū)產(chǎn)生匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》[15]獲得,Pi和Ev由降雨量和蒸發(fā)量乘以巢湖湖面面積得到,Q0為巢湖閘和兆河閘的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。水位數(shù)據(jù)取巢湖4個(gè)水文站點(diǎn)水位的平均值。根據(jù)式(1)、式(2),計(jì)算得到巢湖年總?cè)牒繛? 728 258 594 m3,實(shí)際年總?cè)牒繛? 878 199 185 m3,相對(duì)誤差為1.7%,可見(jiàn)該計(jì)算方法結(jié)果可靠,可用于模型模擬。

1.2.5 生態(tài)補(bǔ)水方案

參考高芮等[6]103-107的研究,設(shè)定巢湖生態(tài)補(bǔ)水時(shí)間為25 d,生態(tài)補(bǔ)水前巢湖、白石天河、兆河和白石天河引水(樅陽(yáng)引江樞紐)、兆河引水(鳳凰頸樞紐)的水質(zhì)情況見(jiàn)圖3,生態(tài)補(bǔ)水設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 生態(tài)補(bǔ)水方案設(shè)計(jì)Table 2 Program design for ecological water replenishment

圖3 生態(tài)補(bǔ)水前巢湖、白石天河、兆河水質(zhì)和引水水質(zhì)Fig.3 Water quality of Chaohu Lake,Baishitian River and Zhao River before ecological water replenishment and water quality of inlet water

方案一西兆線(xiàn)、菜巢線(xiàn)雙線(xiàn)引長(zhǎng)江水入巢湖,經(jīng)裕溪河巢湖閘流出,兆河、白石天河生態(tài)補(bǔ)水流量均為150 m3/s;方案二生態(tài)補(bǔ)水經(jīng)兆河單線(xiàn)引入巢湖,巢湖出水口由裕溪河的巢湖閘改為白石天河的白山節(jié)制樞紐,兆河生態(tài)補(bǔ)水流量為150 m3/s,白石天河引水不進(jìn)入巢湖,而是經(jīng)人工河道進(jìn)入派河,再北上進(jìn)入引江濟(jì)淮工程的“江淮運(yùn)河段”,因此派河與白石天河均不再入流巢湖;方案三生態(tài)補(bǔ)水經(jīng)兆河單線(xiàn)進(jìn)入巢湖,經(jīng)裕溪河巢湖閘流出,生態(tài)補(bǔ)水流量為150 m3/s。白石天河的引水與方案二相同,通過(guò)人工河道與派河進(jìn)入引江濟(jì)淮工程的“江淮運(yùn)河段”。

1.2.6 參數(shù)設(shè)置

以2020年共366 d為研究周期,時(shí)間步長(zhǎng)為1 d,干水深、濕水深、淹沒(méi)水深分別設(shè)置為0.005、0.050、0.100 m。巢湖水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型上邊界河流流量由徑流系數(shù)法計(jì)算得到。利用水位和水量數(shù)據(jù)率定模型,調(diào)整模型參數(shù),使模型的精度滿(mǎn)足要求。

模型參數(shù)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定再經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后確定,具體見(jiàn)表3。

表3 模型中的參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter settings in the model

1.3 模型驗(yàn)證

采用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RSME)判斷模型的可靠性與精度。當(dāng)R2大于0.6并且RSME越小,表明水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型具有越高的擬合度與可靠性。

1.3.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

選取下邊界巢湖閘上游水位作為水動(dòng)力驗(yàn)證條件,模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),模擬水位與實(shí)測(cè)水位基本吻合,總體趨勢(shì)一致。模擬水位與實(shí)測(cè)水位的R2、RSME分別為0.97、0.25 m,表明模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近,驗(yàn)證了徑流系數(shù)法的可靠性。水動(dòng)力模型具有良好的精度和可靠性,可為后續(xù)的水質(zhì)模擬提供保障。

圖4 巢湖閘上游水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and actual measurement water level in upstream of Chaohu Lock

1.3.2 水質(zhì)模型驗(yàn)證

使用水動(dòng)力模型耦合Ecolab模塊,輸入相應(yīng)的模型參數(shù),建立水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,再根據(jù)巢湖水質(zhì)數(shù)據(jù)率定模型參數(shù),以驗(yàn)證模型的可靠性。鑒于巢湖東、西半湖水質(zhì)存在一定差異,以東、西半湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)的平均值代表東、西半湖水質(zhì),進(jìn)行模擬值與實(shí)測(cè)值的比較,模擬結(jié)果見(jiàn)表4?？傮w看來(lái),模擬水質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致,東、西半湖3種污染物的R2≥0.70,且RSME相對(duì)較低,說(shuō)明水質(zhì)模型可靠性高,可為后續(xù)的生態(tài)補(bǔ)水后巢湖水質(zhì)模擬提供保證。

表4 巢湖東、西半湖氨氮、TN及TP的模擬效果Table 4 Simulated results of ammonia nitrogen,TN and TP in eastern half and western half of Chaohu Lake

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生態(tài)補(bǔ)水方案的巢湖水流流速變化

不同生態(tài)補(bǔ)水方案下巢湖內(nèi)流速分布模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。未進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水時(shí),巢湖西半湖和東半湖水流的平均流速分別為0.57、0.75 cm/s,東半湖靠近巢湖閘區(qū)域的流速可達(dá)2.40 cm/s,呈現(xiàn)西半湖水流速度慢,東半湖水流速度相對(duì)較快的狀態(tài)。杭埠河是巢湖流域面積和徑流量最大的入湖河流,其入湖口為巢湖西半湖與東半湖分界的南端,由南向北流入巢湖,由于杭埠河入湖流量大,而西半湖南淝河和派河的入湖河流流量相對(duì)較小,造成西半湖水流呈逆向流動(dòng),延長(zhǎng)了污染物在西半湖內(nèi)部的擴(kuò)散流動(dòng)時(shí)間。因此,巢湖入湖河流的流量大小和入湖口的位置分布會(huì)相互作用,影響湖泊的水動(dòng)力和污染物的分布情況。

注:圖中數(shù)據(jù)為水流流速,單位為m/s。

與未進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水相比,方案一由白石天河與兆河雙線(xiàn)生態(tài)補(bǔ)水,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.57、1.05 cm/s,東半湖水流流速提高了40%,而西半湖流速無(wú)明顯變化;方案二由兆河生態(tài)補(bǔ)水且出水口為白山節(jié)制樞紐,不再流向東半湖,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.68、0.93 cm/s,西半湖流速增加了近20%,改善了西半湖的水動(dòng)力條件,且東半湖臨近白山節(jié)制樞紐區(qū)域流速提高25%,而東半湖臨近巢湖閘區(qū)域流速降低40%;方案三由兆河生態(tài)補(bǔ)水,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.57、0.93 cm/s,東半湖的流速增加24%,改善了東半湖的水動(dòng)力條件,而西半湖流速無(wú)明顯變化?？偸鲋?3種生態(tài)補(bǔ)水方案中,方案一由白石天河與兆河持續(xù)補(bǔ)水,增加了入河河流的水量和巢湖閘出流流量,提高了巢湖東半湖和巢湖閘上游區(qū)域的水流流速。在方案二中,巢湖水流經(jīng)由白山節(jié)制閘出流,大幅增加了白石天河附近區(qū)域的水流流速,但降低了巢湖閘區(qū)域水流流速。方案三由兆河單線(xiàn)調(diào)水,增加了兆河入湖流量與巢湖閘出湖流量,提高了巢湖閘上游區(qū)域的水流流速。

2.2 生態(tài)補(bǔ)水前后巢湖敏感點(diǎn)區(qū)域水質(zhì)變化

若通過(guò)設(shè)置密集的水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)來(lái)觀(guān)測(cè)生態(tài)補(bǔ)水前后巢湖水質(zhì)變化,將會(huì)產(chǎn)生大量的檢測(cè)費(fèi)和管理費(fèi),為此本研究通過(guò)湖泊水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,獲得整個(gè)湖泊內(nèi)水動(dòng)力與水質(zhì)的時(shí)空變化過(guò)程,進(jìn)而研究敏感區(qū)域的水質(zhì)變化情況。選取南淝河入湖口、峔山島、忠廟和東半湖飲用水水源地4個(gè)敏感區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,研究其生態(tài)補(bǔ)水前后水質(zhì)變化情況,為改善巢湖水質(zhì)提供科學(xué)的對(duì)策和建議。生態(tài)補(bǔ)水前后白石天河和兆河的入湖水量與水質(zhì)的變化見(jiàn)表5。由表5可知,補(bǔ)水后巢湖氨氮和TN濃度均有明顯下降,方案一、方案二使巢湖TP濃度小幅降低,方案三下巢湖TP濃度呈上升趨勢(shì)。

表5 生態(tài)補(bǔ)水前后白石天河、兆河及巢湖水質(zhì)的變化Table 5 Changes in water quality of Baishitian River,Zhao River and Chaohu Lake before and after ecological water replenishment

從圖6(a)可以看出,南淝河入湖口區(qū)域在3種生態(tài)補(bǔ)水方案下氨氮較補(bǔ)水前均有所提高,但均滿(mǎn)足GB 3838—2002的Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),其中方案一氨氮上升幅度最小,方案三氨氮增幅最為明顯,達(dá)到0.332 mg/L,方案三由兆河單線(xiàn)補(bǔ)水,部分流向西半湖,阻礙了西半湖污染物向東半湖擴(kuò)散,且西半湖流速較慢,最終導(dǎo)致南淝河入湖口氨氮濃度提升幅度最大;方案二和方案三中TN降低并達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),其中方案二西半湖流速增幅最大,且派河不再入流,減少了流入西半湖的污染物通量,二者共同作用下,TN濃度下降幅度最大;方案二和方案三可使TP下降至0.100 mg/L,達(dá)到GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。在方案二和方案三中,派河不再入流巢湖,減少了西半湖污染物入湖通量,降低了南淝河入湖口的TP濃度,而方案二對(duì)西半湖流速提高更明顯,因此,方案二TP濃度下降最多。綜合比較,方案二對(duì)南淝河入湖口水質(zhì)改善效果最好。根據(jù)相關(guān)研究,水體中TN/TP在15左右時(shí)易暴發(fā)藍(lán)藻[16-18],3個(gè)生態(tài)補(bǔ)水方案中南淝河入湖口區(qū)域TN/TP均在15～20,南淝河入湖口區(qū)域藍(lán)藻暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)依然較高,表明生態(tài)補(bǔ)水不能有效改善南淝河入湖口區(qū)域的水質(zhì),因此,要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)南淝河流域的治理,如控制上游磷礦區(qū)的地表徑流、農(nóng)業(yè)面源污染及城市合流制系統(tǒng)的溢流污染,以減少污染物的流入,改善南淝河入湖口的水質(zhì)。

圖6 不同生態(tài)補(bǔ)水方案對(duì)敏感區(qū)水質(zhì)的影響Fig.6 Impacts of different ecological water replenishment programs on the water quality of sensitive areas

從圖6(b)可以看出,在3種生態(tài)補(bǔ)水方案下,峔山島氨氮和TN濃度都呈下降趨勢(shì),在方案二中二者濃度降低幅度最大,且TN指標(biāo)由GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)提高為Ⅲ類(lèi)水。方案一、方案三對(duì)TP濃度改變不明顯,但方案二的TP濃度呈明顯下降趨勢(shì)。方案二巢湖水從白石天河出流,靠近峔山島區(qū)域,大幅提高了峔山島區(qū)域的流速,因此,方案二能有效降低峔山島氨氮、TN和TP,且TN/TP由14.7降為7.4,降低了峔山島暴發(fā)藍(lán)藻的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖6(c)可以看出,在3種生態(tài)補(bǔ)水方案下忠廟氨氮、TN濃度都呈明顯下降趨勢(shì),且TN濃度均降低達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。方案一、方案三提高了TP濃度,但方案二小幅降低了TP濃度。由以上分析可知,方案二對(duì)忠廟水質(zhì)的改善效果最好;忠廟TN/TP由13.4降低至4.0,降低了忠廟暴發(fā)藍(lán)藻的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖6(d)可以看出,3種生態(tài)補(bǔ)水方案均降低了飲用水水源地氨氮和TN的濃度,使二者均達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)補(bǔ)水初期,方案一、方案三降低了飲用水水源地TP的濃度,但方案二增加了TP濃度,在方案一和方案三中,飲用水水源地TP總體達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),方案三派河與白石天河不再流入巢湖,減少了入湖污染物通量,且持續(xù)的兆河補(bǔ)水提高了東半湖的流速,因此方案三對(duì)飲用水水源地水質(zhì)的改善效果最好,且TN/TP由10.0降為4.8,降低了飲用水水源地暴發(fā)藍(lán)藻的風(fēng)險(xiǎn)。綜上可知,方案一經(jīng)由白石天河和兆河引入低濃度氨氮和TN補(bǔ)水,可以稀釋巢湖中氨氮和TN的濃度,而補(bǔ)水中TP濃度與巢湖接近,無(wú)法發(fā)揮稀釋作用,但隨著入湖流量的增加,加快了飲用水水源地的流速,降低了其TP濃度;方案二中巢湖水流經(jīng)白山節(jié)制閘出流,提高了白石天河附近區(qū)域的水流流速,同時(shí)減少了西半湖流入東半湖的污染物通量,因此能有效降低峔山島和忠廟區(qū)域的氨氮、TN和TP濃度;方案三兆河補(bǔ)水可以稀釋水體氨氮和TN,增加飲用水水源地水流流速,降低TP濃度,同時(shí)派河不再入流巢湖減少了進(jìn)入西半湖的污染物通量,改善了巢湖的水質(zhì)。基于4個(gè)敏感區(qū)域模擬結(jié)果分析,方案二對(duì)巢湖水質(zhì)的改善效果最好,生態(tài)補(bǔ)水對(duì)峔山島、忠廟和飲用水水源地水質(zhì)都起到了明顯的改善效果。

3 結(jié) 論

為探究引江濟(jì)巢工程生態(tài)補(bǔ)水對(duì)巢湖水動(dòng)力和水質(zhì)改善效果,利用MIKE21建立巢湖水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,用于模擬研究生態(tài)補(bǔ)水對(duì)巢湖水動(dòng)力和水質(zhì)隨時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)影響過(guò)程,分析了不同生態(tài)補(bǔ)水方案對(duì)巢湖敏感區(qū)域的水質(zhì)改善效果,確定了最優(yōu)的補(bǔ)水方案。

1) 水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型對(duì)巢湖水位、水質(zhì)模擬的R2均大于0.6且RSME值相對(duì)較低,表明構(gòu)建的模型可靠,可以模擬生態(tài)補(bǔ)水后巢湖的水動(dòng)力和水質(zhì)時(shí)空變化過(guò)程。

2) 引江濟(jì)巢工程通過(guò)持續(xù)輸入氨氮和TN含量較低的生態(tài)補(bǔ)水,可以降低巢湖水體中氨氮和TN水平,以及西半湖的TP濃度。由于西半湖水流流速慢,水動(dòng)力條件差,方案一白石天河持續(xù)生態(tài)補(bǔ)水,部分水流流向西半湖,導(dǎo)致西半湖內(nèi)部產(chǎn)生水流逆循環(huán)現(xiàn)象,增加了南淝河入湖口區(qū)域污染物滯留時(shí)間;方案二將巢湖出水口從裕溪河的巢湖閘改為白石天河的白山節(jié)制樞紐,可以有效提高巢湖西半湖流速,進(jìn)而改善西半湖水質(zhì)?？梢?jiàn),生態(tài)效果受到補(bǔ)水水質(zhì)、位置以及出湖口位置的影響。

3) 在巢湖南淝河入湖口、峔山島、忠廟和飲用水水源地4個(gè)敏感區(qū)域中,3種生態(tài)補(bǔ)水方案使4個(gè)敏感區(qū)域TN總體達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn);其中方案二對(duì)忠廟水質(zhì)改善效果最優(yōu);方案三下飲用水水源地TP降幅最大。方案二中峔山島、忠廟的TN/TP分別從14.7、13.4降至7.4、4.0,降低了峔山島、忠廟區(qū)域藍(lán)藻暴發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn),方案三中飲用水水源地的TN/TP從10.0降至4.8,降低了飲用水水源地藍(lán)藻暴發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn),但3個(gè)生態(tài)補(bǔ)水方案下南淝河入湖口區(qū)域的TN/TP均在15～20,藍(lán)藻暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)依然較高。綜合考慮,方案二生態(tài)補(bǔ)水效果最好。

4) 引江濟(jì)巢工程對(duì)巢湖水環(huán)境改善有積極的效果,但由于西半湖入湖河流的水動(dòng)力環(huán)境未得到改善,藍(lán)藻暴發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)依然較高,因此,要優(yōu)化生態(tài)補(bǔ)水方案,并有效控制入湖河流流域的地表徑流污染、農(nóng)業(yè)面源污染及城市合流制系統(tǒng)的溢流污染。