基于水量调控的城市湖泊水环境保障措施研究*

孙东旭，丁爱中

(北京师范大学 水科学研究院/教育部地下水污染控制与修复工程研究中心，北京 100875)

水是人类生存发展的基本条件，对于人类生活居住的城市来说，这一条件体现于城市湖泊。一个地区的湖泊存在状况可以反映一个城市的特征和发展水平。我国有许多城市湖泊，大多数湖泊属于小型浅水湖泊，可用于防洪航运、娱乐、发电和供水。多数城市湖泊还能作为景观湖泊提高周围居民的生活质量，改变周边的生态系统。

随着人口增长、工业化和城镇化进程的推进，人类的生活和生产活动产生了大量的污染物质，城市湖泊极易成为这些污染物的受纳体。调查表明，我国大部分城市湖泊、水库己达到富营养化或超富营养化程度。如杭州西湖、南京玄武湖、江西九江甘棠湖、广州麓湖、流花湖、武汉墨水湖等。我国大多数湖泊水的总氮(TN)质量浓度超过0.02 mg/L，92%以上水体的总磷(TP)质量浓度超过0.02 mg/L，近50%水体的TP质量浓度为0.2～1.0 mg/L，水质已普遍遭受污染。

针对城市湖泊特点国内外学者对其治理进行了大量的研究。如泰晤士河建立城市污水和废水的治理系统。美国通过与自然相协调的可持续河流管理理念，建立了完善的湿地生态系统。日本强调用生态工程方法治理河流环境、恢复水质、维护景观多样性和生物多样性。我国对人工生态工程净化系统和水生植物净化湖泊方面的研究也取得了巨大进展。

相对于缺水和水质较差的城市，水量调控是城市湖泊水资源维持和改善的重要措施。水量调控治理城市湖泊见效较快，调水时通过改善水动力条件，可以提高水体的自净能力；水量调控也是湖泊水资源维持的先决条件，不仅可以改善湖泊水质，也可以应对湖泊水体在丰水期和枯水期水位的急剧变化；水量调控还可以对水资源进行合理的分配和调度，避免水资源的浪费。没有一个合理的水量调控措施做为保障，城市的水资源利用效果将大打折扣。

笔者以北京南海子湖泊为实验模拟案例，根据水质的监测结果和保护目标，以TP为水质的控制目标，通过建立的水动力学和水质模型，模拟了综合考虑水质水量的湖泊水调度问题，研究不同水量调控方案对改善城市湖泊水体水质的总体效果和最大收益。为基于水量调控治理城市湖泊水资源状况这一措施提供依据和建议。

1 北京南海子湖泊概况

南海子郊野公园位于大兴区东北部南五环南侧、大兴新城与亦庄新城之间，全园规划面积约8 000万m2。其中，一期工程总占地面积1 524万m2，湖泊水体面积30万m2，引水渠总长4.5 km，湖体平均水深1.5 m，总蓄水量约70万m3。

据预测，湖泊蒸发、渗漏及绿化灌溉需水量约291.67 m3/h，湖泊拟通过引水渠引水入湖416.67 m3/h。由于湖泊尚未建设完成，一期景观湖仍为目前普遍采用的“盲肠式用水”模式，即湖泊通过水闸等手段独立于外部水系，不与外部水系一起循环，只有在需要的时候从水源引水进行一定的补水。

目前，南海子湖泊水质保持主要存在以下几个问题：(1)湖泊水系主要水源为大兴区内污水处理厂和再生水厂的再生水，相对公园内景观环境用水水质具有一定差距；(2)水资源量极度短缺，总供水水量不足，生态换水量和换水频率不足，导致公园水体流动性差，存在发生水华的潜在风险；(3)湖泊水系为新建，尚未建立自身生态系统，水体自净能力低，环境容量低；(4)缺乏水体健康监测与评估系统；(5)缺乏水质恶化应急处理系统。

2 模型的建立

在湖泊中选取8个采样点作为模型建立、模拟、验证的参考数据，具体位置见图1，采样点基本覆盖了湖泊的整体范围。

图1 模型建立的采样点分布图

由于南海子湖泊属于城市浅水湖泊，所以方程需考虑柯氏力、水面风应力及湖底摩擦力，应用Navier-Stokes方程，可得到湖泊的控制方程[1-2]，如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：δ为湖面的水位，m；h为水深，m；q为湖泊的流量，m3/h；u为沿x方向的流速分量；v为沿y方向的流速分量；g为重力加速度，m/s；ρ为水体密度，g/m3；f为柯氏力系数；τbx和τby为湖面风应力分量；τwx和τwy为湖底摩擦力分量。

对上述8个点TN、TP的分析结果见图2。

采样时间(a) 各点变化

采样时间(b) 各点平均值变化图2 南海子湖区采样点氮磷比随时间的变化趋势

根据Stumn研究，氮磷比在小于7时为氮限制，大于7为磷限制。

由图2的结果可以看出，南海子湖氮磷比大于7，为磷限制湖泊，所以水质模型选取TP作为模拟对象，如式(4)、式(5)所示。

(4)

F(C)=Sp-KTP×C×H

(5)

式中：M、N分别为横向和纵向的单宽流量，m2/s；Ex为横向扩散系数；Ey为纵向扩散系数，m2/s；C为水体TP质量浓度，mg/L；S为源汇项，g/(m2·s)；F(C)为生化项；Sp为底泥磷释放速率，g/(m2·d)；KTP为综合沉降系数，d-1。

模型求解采用笛卡尔坐标下的浅水方程，网格大小为100 m×100 m，如式6、式7所示[3-5]。

(6)

(7)

式中：h为水深，m；u和v为流速在x和y方向的分量；g为重力加速度，m/s；Δx和Δy为x和y方向的特征长度，m；Δt为时间间距，s。

模型的初始条件为2012年1月11日8个监测点的平均值，模型的南边界条件是监测点S4和S5的监测数据。

模型各项参数的确定分别为式(8)～式(11)[6]。

f=2×ω×sinφ

(8)

式中：f为柯氏力系数；ω为地球自转角速度；φ为湖泊所处纬度。

(9)

τωx=CD·ρa·w·wx

(10)

τωy=CD·ρa·w·wy

(11)

式中：τωx和τωy为湖面风应力分量；CD为风应力系数；ρa为空气密度，kg/m3；w为离湖面10 m处风速，m/s；wx和wy分别为x，y方向的风速，m/s。

根据采样点水质监测数据和公园建设资料对模型进行了验证，结果反应了南海子公园湖泊的水体指标的变化特征，所以模型可用于模拟计算湖泊水质和水量的变化结果。

3 水量调控策略模拟分析

3.1 南海子湖泊水质水量现状

根据南海子湖泊的工程建设条件，假设南海子湖泊一次性引水达到蓄水量为70万m3，此时水位可达到29.5 m，湖心水深2.5 m，湖面面积为30.81 m2，分析其蓄水量的逐月变化情况。经分析，南海子湖三月份蓄水量较少，可以在三月中旬对湖泊进行引水调控，保证其在春夏两季水量丰沛。同时通过计算得到湖泊引入水须达到10万m3，才可保证湖泊在维持水量的基础上，湖泊污染物浓度进一步下降。

采样结果表明南海子湖夏季磷浓度较高，其余月份较低。全年平均值为0.143 mg/L，各采样点的水质优劣不同。表1为2012年～2013年各个采样点TP的平均监测值。由表1数据可以看出湖东的磷质量浓度低于湖西。

表1 2012年～2013年各采样点TP质量浓度平均值

3.2 水量调控方案设计

为了改善城市湖泊水质环境，降低污染物在湖泊中的总体浓度，笔者提出3种调控策略，选择在枯水季3月为湖泊进行引水和入湖径流作为模型的边界条件，以TP为状态变量，进行模拟计算。

(1) 湖西入水口引水：从2012年3月11日到2012年4月11日，对湖西入水口进行入水，进水量为0.4 m3/s，引入水经湖东入水口流入湖西，从湖西出水口排出。

(2) 湖东入水口引水：从2012年3月11日到2012年4月11日，对湖东入水口进行引水，进水量为0.4 m3/s，流入湖东后进入湖西，同时从湖东出水口流出。

(3) 对湖西入水口和湖东入水口分别进行引水：从2012年3月11日到2012年4月11日，对湖西入水口进行引水，进水量为0.2 m3/s，在2012年3月11日到2012年4月11日对湖东进行引水，进水量为0.2 m3/s，同时通过湖西的自流引水改善湖泊的整体水动力和水质条件。

3.3 方案模拟结果分析

3.3.1 不同调控方案模拟分析

通过模型模拟发现，第1种方案容易造成湖西污染物流入湖东，湖东水质条件得不到改善，甚至在采样点S7和S8处水质条件进一步变差，使湖西的污染迁移到湖东区域。第2种方案由于受南海子湖泊水动力条件限制，湖东的引入水不能进入湖西，无法改善湖西的水质环境。造成这2种方案无法有效地治理湖泊污染的主要原因是受到湖泊的水动力条件限制，同时湖西和湖东的污染状况并不相同，污染物容易通过湖泊的水循环发生迁移，容易使水质较好的区域面临水质恶化的风险。

在第3种引水方案下，模型模拟得到各采样点的水质指标TP含量的变化过程，见图3～图8。

图3 2012年采样点S1处TP含量变化

图4 2012年采样点S3处TP含量变化

由图3和图4可以看出对湖西入水口处进行引水方案可以较快地改善湖西水质，有效地降低 湖西污染物向湖东迁移的风险。

图5 2012年采样点S4处TP含量变化

图6 2012年采样点S5处TP含量变化

图7 2012年采样点S6处TP含量变化

图8 2012年采样点S7处TP含量变化

由图5～图7可以看出通过湖东入水口引水和湖西的自流引水，南海子公园湖东各区域水质得到有效改善。通过图8可以看出，采样点S7处TP质量浓度并未发生大幅度的升高变化，说明湖西区域污染物和湖东其它区域污染并未在采样点S7区域滞留，大幅度降低了污染物迁移到湖泊其它区域的风险。

3.3.2 南海子湖东不同引水流量模拟分析

对于水量调控方案三，模拟设计3种不同的引水规模，分别为0.2、0.4、0.6 m3/s，对这3种流量进行模拟计算，连续引水时间为20 d，对各个采样点区域的TN和TP以及COD平均浓度进行数学统计，计算引水后相对于引水前的各个水质条件的改善效果，如表2～表4所示。

由表2～表4可见，如果按照0.2 m3/s引水流量对湖东入水口进行引水，采样点S7处的水质容易发生进一步恶化，其主要原因是在南海子湖泊水动力条件的作用下，湖东东北部区域容易使污染物滞留，其它湖泊区域污染物发生迁移，影响湖泊个别区域的水质改善效果，甚至使水质相对较好的区域水质变差。而湖西0.1 m3/s的出水流量不足以在引水时间内使污染物都排出进入湖东。因此0.2 m3/s的引水流量方案不能完全有效地改善南海子湖泊各个区域的水质状况，引水规模略显不足。

表2 3种流量分别对各采样点TN影响效果统计表

表3 3种流量分别对各采样点TP影响效果统计表

表4 3种流量分别对各采样点COD影响效果统计表

4 结 论

水量调控这一措施可以快速有效地改善湖泊的水质条件，使城市湖泊水体中污染物浓度大幅度降低，但是采用水量调控治理湖泊还需要考虑多种不同因素。

(1) 针对城市湖泊水动力条件，需要设计一个合理的引水调度方案，对湖泊水质进行补水和换水，如果引水调控方案不合理，不仅不能有效地降低城市湖泊的污染物浓度，而且使城市湖泊中的主要污染物滞留在水体中。

(2) 引水规模对湖泊的治理效果有着极大影响。随着引水流量的增大，湖泊的主要水质指标如COD、TN和TP的改善结果不断增强，同时湖泊的改善增值率则不断下降。因此，在采用水量调控这一措施时，笔者不仅要考虑湖泊的治理改善效果，同时还要考虑治理的投资运行成本，随着引水规模的不断增大，投资成本也随着不断增加，但是改善效果却在不断降低，这会造成投资效益比的明显下降。因此根据不同城市湖泊的工程数据，需要选取最为合适的引水流量，同时需要综合考虑湖泊的环境、经济和技术的相关影响因素。

(3) 虽然合理的水量调控措施可以快速有效地治理城市湖泊污染，但是同时还存在许多风险与局限性。首先，城市湖泊的水动力条件决定了再引水调控过程中，污染物容易发生迁移，使污染物进入湖泊中水质相对较好的区域，造成了水质相对较好的区域的水质恶化，所以选取合适的引水流量和引水周期，使湖泊的主要污染物排出湖泊水体是引水方案的重中之重。其次，引水调控方法治理城市湖泊的效果容易在几年后发生反弹，所以在引水调控湖泊水体之后，还要控制入湖污染物进入水体。

在引水调控过程中，改善了城市湖泊的水动力条件，通过控制入湖污染，能大幅度改善湖泊水质，避免在非引水期内，湖泊各区域水质产生不同程度的反弹。在控制污染物进入水体、引水调控、生态修复等多种治理措施的综合作用下，湖泊水质才能逐年得到有效改善。

引水调控方案只适用于相对较小的城市湖泊，对于相对较大的城市湖泊引水换水治理措施不可行，这不仅造成了水资源的浪费，还容易使水体水质进一步恶化。因此在治理城市湖泊污染的过程中，关键在于如何选取合理的治理手段，以最小的经济投入使水体达到最理想的状态。

参 考 文 献：

[1] Jin Kang-Ren,Hamrick John H,Todd T s Dale.Application of three dimensional hydrodynamic model for lake okeechobee[J].Journal of Hydraulic Engineering,2000,126(10):758-771.

[2] 冯民权，郑邦民，周孝德.河流及水库流场与水质的数值模拟[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 刘昌明，陈志恺．中国水资源现状评价和供需发展趋势分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2001.

[4] 张荔，王晓昌．小流域水量水质综合模型模拟研究[J]．干旱区资源与环境，2008，22(2)：10-13.

[5] 游进军，薛小妮，牛存稳．水量水质联合调控思路与研究进展[J]．水利水电技术，2010，41(11)：7-9.

[6] 董增川，卞戈亚，王船海，等．基于数值模拟的区域水量水质联合调度研究[J]．水科学进展，2009，20(2)：184-189．