间歇式引水冲污对城市湖泊水质改善的研究

徐 丹，付 湘，谢亨旺，靳伟荣，秦嘉楠

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.江西省灌溉试验中心站，南昌 330201)

人类剧烈的社会经济活动和频繁的气候变化共同胁迫着脆弱的城市水生态环境[1]，使得部分河湖水质变差。这在影响城市的整体形象的同时，也严重威胁了城市居民的健康和生态安全，已逐渐成为制约城市经济发展的瓶颈因素。因此，研究切实可行的河湖水质改善方法，对改善城市水生态环境意义重大。

引水冲污具有稀释置换被污染水体、改善水动力条件的作用，大量的研究与具体工程实例的应用已证明了引水冲污对于改善城市河湖水环境是有效的。如安娟等[2]以南京城市内河为研究对象，通过建立了一维河网水质模型，在选择引水水源、线路、方式及规模后进行了引水冲污模拟；陈振涛[3]等以杭州市江干区为例，构建了一维河网水质模型，模拟了不同的引水水量和水源水质方案下河网水质改善情况，进行了调水效果评估；张秀菊[4]等为分析南通市通州区新江海河地区不同引水方案下的水质改善效果，模拟分析了不同引水方案对新江海河各断面水体的化学需氧量和氨氮浓度变化的影响。

在以往研究的引水冲污方案中，大多采用某一固定大小的流量连续地进行引水冲污直到达到治理目标[5-7]，导致部分清水未能充分与污水混合就从需治理的水体中排出，所引清水的稀释与置换功能未能充分发挥，造成了引水的极大浪费，在经济成本与资源节约上不可行。因此，在推进城市水生态文明建设形势下，研究间歇式引水冲污以改善城市湖泊水质，对于保障城市生态环境安全具有重要意义。本文以南昌市艾溪湖为例，采用MIKE 21构建了二维水动力-水质耦合模型，进行了引水冲污的模拟，并对传统连续式引水冲污与间歇式引水冲污所需的水量进行了对比分析。

1 研究区域概况

研究对象艾溪湖 (115°58′08″～115°59′37″ E,28°40′16″～28°42′55″N) 位于江西省南昌市昌东镇辖区的高新技术产业开发区，湖面面积约 4.0 km2，平均水深约 3.5 m，是赣江古河道废弃后经积水而形成的一个典型城市内湖。该湖泊补给主要来源于降水和幸福渠，只有一个位于东北角的出口，通过闸门向赣江南支排水入赣江。虽然集水面积小，但蒸发量大，加之自然状态下湖泊水体交换率不高，水质常年处于Ⅴ类或劣于Ⅴ类。艾溪湖水质的改善作为城市基础设施中很重要的组成部分，受到了高度重视。

本次引水冲污的引水水源地为江西省赣抚平原灌区，地处江西省偏北的赣江和抚河下游的三角洲平原地带，水量充足，水质良好，能达到《GB3838—2002地表水环境质量标准》Ⅱ类水标准。灌区取水自抚河，通过焦石大坝拦截来水、抬高河道水位后，经西总干、五干、五干二支渠后可流入艾溪湖，最后汇入赣江，全程均为渠道自流，作为艾溪湖进行引水冲污的引水水源地，具有较大的优势。艾溪湖只有一个位于南端的进口和一个位于东北角向赣江排水的出口。引水冲污的路线示意图如图1所示。

图1 引水冲污线路示意图Fig.1 The route of water diversion

2 间歇式引水冲污模拟

2.1 MIKE 21模型

MIKE 21 模型前、后处理模块的功能强大，具有能根据实际模拟范围设置干、湿节点和干、湿单元，内置多种形式的边界条件等多个优势，已被广泛应用于湖泊、河流水动力、水质数值模拟[8-13]。模型的控制方程为沿水深平均的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组见公式(1)～(3)，可溶污染物的扩散控制方程见公式(4)。

(1)

fp-Ωq-v▽2p-λ(hua)=0

(2)

fp-Ωq-v▽2q-λ(hva)=0

(3)

式中：ε为自由水面水位，m；h为水深，m；u、v分别为x、y方向上的垂直平均流速 ，m/s；p=hu、q=hv分别为单宽流量在x、y方向上的分量，[m·(m/s)]；g为重力加速度，m/s2；f为阻力系数；Ω=2ωsinφ为柯式力系数，反映了地球自转偏心力的作用，其中ω为地球自转角速度，为2π/(24×3 600) rad/s，φ为所在点的纬度；v为紊流涡黏系数；λ=Cwρaw/ρwh为风应力系数；ρa为空气密度；ρw为水体密度；w、ua、va分别为风速及其在x、y方向的分量，m/s。

(4)

式中：h为水深，m；c为污染物浓度；u、v分别为x、y方向上的水平流速，m/s；F为线性衰减系数，s；λx、λy为x、y方向上的扩散系数，m2/s；S=Qs·(cs-c)，其中Qs为源汇项流量，m3/(s·m2)，cs为源汇项处污染物相对浓度。

MIKE 21模型包含许多模块，此次选用的是水动力模块和对流扩散模块。水动力模块能模拟由于外界条件变化引起的水体水位和流场的变化，是MIKE 21中其他模块的基础。对流扩散模块能模拟在不同外界条件影响下湖泊中营养物质的扩散、迁移过程。考虑到引水冲污相对历时较短，对水体的稀释置换作用比较明显，所以此次运用水动力学模块和对流扩散模块建立耦合模型进行引水冲污的模拟。

概化模型时设置湖岸及艾溪湖大桥桥墩为不过水边界，进口采用流量边界，出口采用水位边界。根据ArcMap和AutoCAD建立边界和湖底高程的.xyz文件，使用MIKE 21中的Mesh Generator建立非结构网格，在艾溪湖大桥桥墩及湖泊进出口处设置网格加密后，最终模型划分1 802个节点，共3 083个单元(见图2)。

图2 艾溪湖网格划分及监测点图Fig.2 Grid division and monitoring points of Aixi lake

2.2 模型参数率定及验证

艾溪湖水体富营养化严重，尤其是总氮TN与总磷TP两个水质指标超标较为严重，因此选择总氮、总磷作为本次模型研究的水质指标。为了能保证计算的稳定性和获得较准确的模拟结果，根据2017年2月21日、3月21日实测水质数据，对模型重要参数进行了率定，率定结果见图3。最终选定参数：床底摩擦系数(Manning number)为34；涡黏系数(Smagorinsky formulation)为0.28；扩散系数在横纵向上一致，取1；TN、TP的降解系数分别取0.005 /d，0.004 /d。运用2017年5月17日、6月26日实测水质数据对模型进行验证，验证结果见图4，经过对比分析，模型模拟的情况与实际情况较为接近，所采用的模型及其率定的参数可用于艾溪湖引水冲污模拟研究。

图3 参数率定情况Fig.3 Parameter calibration considering

图4 模型验证情况Fig.4 Model verification considering

2.3 引水冲污模拟

本次模拟选取景观常水位17.2 m为计算初始水位，湖泊进口设置不同流量的引水，出口设置水位17.2 m。水质指标主要考虑湖中总氮与总磷，湖泊初始水质为Ⅴ类水，其中总氮为1.8 mg/L(Ⅴ类)，总磷为0.12 mg/L(Ⅴ类)。引水水源来自赣抚平原灌区，为Ⅲ类水，水质较好，总氮为1.0 mg/L(Ⅲ类)，总磷为0.05 mg/L(Ⅲ类)。艾溪湖的水质管理目标为Ⅳ类(总氮小于等于1.5 mg/L，总磷小于等于0.1 mg/L)，为检测调水效果，在湖中设置8个观测点(见图2)，当8个观测点水质均达标时，认为目标已达到，调水停止。

为了比较两种引水冲污方法，本次模拟的工况包括不同引水流量下的“连续式”引水冲污与“间歇式”引水冲污。考虑到调水实际操作的复杂性，调水间歇周期不宜太短，间歇式引水冲污方案设置了3 d的间歇周期，即模拟的第1～3 d引水流量为某一固定值，接下来的第4～6 d停止引水，第7～9 d恢复引水，往后以此循环。此外，为了使间歇期在没有引水的情况下能加速湖泊水体的流动及混合过后的污水的排出，在引水间歇期间将出口水位降低0.3 m。

3 结果分析

通过建立的MIKE21二维水动力-水质耦合模型模拟了不同流量下的引水冲污后，为了更加准确地对比间歇式引水冲污和连续式引水冲污的区别，将湖水中的总氮和总磷的浓度的达标作为两个独立的目标考虑，实际引水结果见表1、表2所示。

表1 考虑总氮的引水冲污情况Tab.1 Water diversion considering the TN

表2 考虑总磷的引水冲污情况Tab.2 Water diversion considering the TP

模拟结果表明，在达到引水冲污目标所需的时间上，间歇式所用的时间，均大于连续式引水冲污。如当湖中总氮达标，引水流量为3 m3/s时，间歇式引水冲污和连续式引水冲污达标时间相差8.3 d。但冲污所需的时间均受引水流量大小的影响，随着引水流量的增大，时间差逐渐减小，当流量达到10 m3/s时，时间相差仅为2.4 d。总的来说，由于引水冲污治理城市内湖污染是一个长期的过程，引水时间一定范围内的变化不会带来太大的影响，并且，选择适宜的冲污流量能有效地弥补时间上的不足。考虑总磷达标时情况类似，所以不再赘述。

从水量上看，由模拟结果可以看出，在引水流量从3 m3/s变化到10 m3/s过程中，相比于连续式引水冲污，节约水量最少的是引水流量为8 m3/s，以湖中总氮达标为目标时的工况。这个工况下，间歇式引水节约了引水108 万m3，占连续式引水冲污所使用水量的16.30%。节约水量最多的是引水流量为7 m3/s，以湖中总磷达标为目标时的工况。这个工况下，间歇式引水节约了引水207 万m3，占连续式引水冲污所使用水量的36.28%。在所有模拟的工况中，无论是考虑湖水中的总氮还是总磷，间歇式引水冲污所使用的水量均小于连续式引水冲污达到目标所需的水量，节约水量的效果明显。

4 结 论

通过建立的二维水动力-水质耦合模型，模拟了不同工况下的间歇式引水冲污与连续式引水冲污，将两种引水冲污进行了对比分析后，得出结论：在达到相同的湖泊水质改善目标的条件下，相比于连续式引水冲污，虽然在达到目标所需的时间上有差异，但间歇式方法能够明显节约引水冲污过程中所使用清水的水量。在工程实际操作中，引水冲污需要不菲的运行成本，调水的次数与调水持续的时间均受到制约。而本文研究的间歇式引水冲污理念能够节约所用清水量，能在一定程度上使得引水冲污在经济上具有更好的可行性，可为城市内湖实际的引水冲污工作提供参考。

□