洪泽湖水质二维模型应用研究

张靖雨杨逸航

洪泽湖水质二维模型应用研究

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一、研究背景

开辟冯铁营引河等工程措施是浮山以下段行洪区调整的重要内容之一。冯铁营引河建成后，部分干流洪水可直接通过溧河洼进入洪泽湖，在降低淮干水位的同时加快了淮河中游入洪泽湖洪水的下泄速度，使洪泽湖的入流条件发生较大变化，对洪泽湖的水质及周边环境将产生一定的影响。本研究利用WASP软件建立湖泊二维水质模型，模拟出在典型年洪水、不同来水水质、洪泽湖湖区本地水质等影响范围和程度，能够深入阐明冯铁营引河启用后对洪泽湖水环境的影响，为浮山以下段行洪区调整和建设的前期工作提供技术支撑。

二、研究内容概述

1.研究区域概况

洪泽湖为淮河流域最大的湖泊型水库，也是中国五大淡水湖中的第四大淡水湖泊。洪泽湖属浅水湖泊，湖盆呈浅碟形，湖底十分平坦，湖区地形总趋势为西高东低，湖底为现代河湖沉积物所覆盖。根据近期相关洪泽湖水质的评价中，湖区大部分区域的耗氧有机污染状况稍好，而湖泊的富营养状况并不乐观。

2.水质模型简介

水质模型是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法。WASP模型也是由美国国家环保署（EPA）提出的水质分析模型，可以用于湖泊、河口、水库、河流、河岸等的一维、二维和三维水质模拟。同时WASP软件能够方便地和多种水力学程序如 EFDC、DYNHYD5等对接，能模拟大多数水体中的污染物，具有高效的富营养化和有机污染物的处理模块，其计算结果与实测的结果可直接进行曲线比较。本次研究选用的软件版本为WASP6。

三、水质模拟

1.流域空间离散化

本文借助ArcGIS9.3软件提取数字化后洪泽湖的湖底高程数据以及边界坐标，然后按照EFDC软件所需要的文件格式导入地形数据。本文采用等距正交网格在计算域内剖分为1443等距矩形网格，空间差分步长1000m。

2.模拟方案

结合淮河流域的历年污染事故与近年的水质状况，选定模拟的水质指标为COD与NH3-N，以淮河干流2007年典型洪水年的水量水位数据为来水量，将EFDC与WASP进行耦合，对冯铁营引河启用与否条件下洪泽湖湖区的水质进行模拟对比。

由于自2007年7月8日起，淮河干流入湖流量超过5000m3/s，至 2007年 8月3日，淮干入湖流量低于5000m3/s。因此本次模拟的起止时间为2007年7月8日至2007年8月4日共计28d，能够较好地通过模拟对比来说明引河启用前后洪泽湖湖区的水质变化情况。

3.初始条件与边界条件

模拟污水入湖前湖区水质以III类水质标准为初始浓度，即COD浓度为20mg/L， NH3-N浓度为1mg/L。模拟淮河干流来水污染时水质以V类水质标准为主，即取COD浓度为 40mg/L，NH3-N浓度为2mg/L。设定模拟情景为：2007年7月8日至2007年7月15日共7d的淮河干流入湖污水浓度为V类水质标准，即取COD浓度为 40mg/L，NH3-N浓度为2mg/L；2007年7月16日至8月4日共21d的淮干入湖污水浓度为III类水质标准，即取COD浓度为20mg/L，NH3-N浓度为1mg/L。

4.参数设置

本次模拟主要污染物综合衰减系数k参考《淮河流域及山东半岛水资源保护规划》分析成果，即COD的k值：k=0.050+ 0.68u；NH4+-N的K值：k=0.061+0.551u。本文模拟中COD的综合衰减系数k=0.05，NH3-N的综合衰减系数k=0.06。

5.模拟对比结果

图1 洪泽湖水域分区和点位位置图

将引河启用前后NH3-N以及COD浓度变化做对比，选取二河、三河出湖口位置、湖中溧河洼区、中心湖区、成子湖区等点位数据，所选点位置如图1所示。

图2 引河启用前后A点（临淮区）NH3-N、COD浓度变化曲线

图3 引河启用前后B点（湖中区）NH3-N、COD浓度变化曲线

图4 引河启用前后C点（成子湖区）NH3-N、COD浓度变化曲线

图5 引河启用前后二河出口处NH3-N、COD浓度变化曲线

各点初始浓度均为设定的III类水质标准，各点水质浓度变化曲线列图如图2。

临淮区水质在前10d左右变化较小，水质浓度基本保持一致；在前的第一周后至第20d期间水质浓度呈现缓慢上升趋势，NH3-N、COD浓度最高分别为1.15mg/L和23.1mg/L；而在启用后的该段期间内，水质浓度上升较快，NH3-N、COD浓度最高可达到近1.4mg/L和28mg/L。

如图3，位于湖中心区的B点在引河启用前后水质浓度相较变化不大，在第7d至第14d启用后NH3-N、COD浓度较启用前有所下降，其他时间范围内浓度基本不变。

如图4，位于成子湖片区的C点相比湖区其他各点，水质浓度变化最小，整个时间期间内基本维持在初始的III类水质标准，受引河启用影响最小。

如图5、图6，二河、三河出口处水质浓度在初期先有所降低后逐步上升，二河处第12d出现峰值，启用前的NH3-N、COD 浓 度 分 别 达 到 1.37mg/L和27.5mg/L，启用后浓度有所下降；三河处在前三周水质浓度基本维持在III类水平，但从第22d后启用前的水质浓度迅速升高，NH3-N、COD浓度分别达到1.9mg/L和35mg/L，而启用后水质相比升高幅度较小。

图6 引河启用前后三河出口处NH3-N、COD浓度变化曲线

在淮河干流来水水质为Ⅴ类标准值的情况下进入洪泽湖的第一周，位于临淮区的A点并未受到影响，而从第二周开始，污染团扩散迁移至临淮片区，A点浓度也随之上升。引河启用后，受溧河洼区域污水水流推流作用的影响，A点浓度较启用前上升较快。湖中心区B点主要受来自淮干污水影响，浓度峰值出现时间早于临淮区。另外由于水流流场分布原因，成子湖片区受污水影响最小，水质浓度在启用前后以及时间范围内基本保持不变。

根据模拟的水流流场分布，由于受到二河闸、三河闸下泄流量的控制影响。三河出湖处水流流场较为密集，污水进入湖区后，主要流向三河片区，因此造成三河处水质浓度峰宽大，峰值出现较二河处早；而二河处在第三周后流场才逐渐密集，出现高流速区，因此峰值出现较晚，且较陡。

四、结论

本文通过建立湖泊水质二维模型，模拟分析了冯铁营引河开挖后污水由引河进入洪泽湖湖区后的水质变化情况。

通过选取湖区内不同点位的水质变化，得知引河启用后，污水随水流推流作用进入湖区后，除溧河洼区直接受引河污水影响外，临淮区水质浓度在启用后的第一周后至第20d期间上升较快，与启用前浓度差别较大。其他区域水质浓度受影响不大，引河将污水分流进入湖区后，同期内湖区内总体水质浓度有所下降。

根据淮河流域历年发生的水污染事故经验和洪水历程，淮河干流发生水污染时，干流来水均未达到过冯铁营引河规划中的启用条件。当洪水达到5000个流量以上时，淮河水质均好于Ⅲ类，因此本研究模拟的方案在实际中发生的几率很小

（作者单位：1.安徽省·淮委水利科学研究院 233000 2.河海大学水利水电学院 210098）