基于水质改善的湖泊引调水数值模拟研究——以武汉市金银湖为例

瞿春梅，乔书娜，刘伯娟，邹朝望

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064）

湖泊是重要的自然资源，是人类赖以生存的水资源，为人类的生存和社会经济的发展提供了基础。随着经济的快速发展、人口的急剧增加和城镇化进程的加快，湖泊正面临着湖泊淤积与占用日益严重、调蓄能力下降，防洪抗旱能力薄弱、湖泊污染与富营养化不断加重、湖泊与江河水力联系阻隔、生态功能退化、湖泊供用水需求矛盾日益加剧等严峻问题[1-5]。城市湖泊是一个城市的重要组成部分，具有洪涝调蓄、景观娱乐、维持生物多样性和调节气候等功能，是城市历史文化的载体，是城市的灵气和生态环境所在[6]。随着工业化、城市化的发展，城市湖泊的水环境状况不断恶化。

金银湖位于东西湖区偏东北部，汉口西北隅。金银湖水系包括7片水域，即金银湖、上金湖、下金湖、上银湖、下银湖、东银湖、墨水湖，加上沿岸绿化带，约11.7 km2，其中水域7.24 km2，约占东西湖区湖泊总面积的54%，是武汉西郊最大的生态湖泊。目前，金银湖地区水系破碎、湖泊之间相互阻隔与孤立，大部分水域水质较差。因此必须实施金银湖水系连通，重建江湖水力联系，通过生态调水加快湖泊水体交换和循环，改善趋于恶化的湖泊水质，以利于湖泊水生态系统的修复，构建生态功能完善稳定的城市湖泊生态系统。

目前国内外普遍采用数值模拟手段来研究湖泊水环境问题。其中，MIKE 模型已被广泛应用，贾瑞鹏等[7]利用MIKE21 对万宝湖的水动力条件变化特征及其对于水环境中各种污染物迁移转化机制的影响进行模拟研究；余成等[8]对武汉东湖建立了水质模型，对相关引水工程进行研究；王哲等[9]应用MIKE21软件模拟了金仓湖流场并对金仓湖水质变化规律进行了预测与分析；郭鹏程等[10]利用MIKE21 对人工生态湖泊的优化设计进行了研究。MIKE 数值模拟的科学性已得到世界公认。本研究运用MIKE21模型对金银湖进行引调水数值模拟研究，分析不同引水流量对湖泊水质的影响，以期为金银湖生态保护及水环境综合治理工程提供技术支持。

1 金银湖水生态环境现状

东西湖区由于紧靠汉口，在汉口地区用地紧张的情况下，其地缘优势带来高速发展潜力。辖区内城市化和工业化发展的突飞猛进以及人口的增长，给金银湖片区造成了前所未有的水环境压力。同时河湖动态水网特点没有充分发挥，水生动植物逐年减少，“半年水景、半年滩”的现象逐年严重。2011—2016 年金银湖水系各湖泊水质情况见表1。

表1 2011—2016年金银湖水系各湖泊水质类别表Tab.1 Water quality of Jinyin Lake water system between 2011 and 2016

2 水环境治理现状

2007 年4 月，《武汉市金银湖水环境与生态综合治理工程总体策划方案》编制完成，提出以截污工程、金银湖湖床综合整治工程、金银湖水体生态修复工程、引江济湖及动态水网建设工程等为核心的金银湖综合整治方案。同年东西湖区政府组织相关单位完成了《金银湖生态保护及水环境综合治理工程可行性研究报告》及相关设计工作。其中引江济湖及动态水网建设工程拟定的引水线路为：沦河→46 km 引水闸→46 km 引水港→107国道沟（北段）→总干沟→径河→金银湖→塔尔头闸站、李家墩闸站→府河。为促进引江济湖及动态水网建设工程的实施，2014年6月编制完成《金银湖水系连通工程初步设计报告》，侧重于金银湖水系内各子湖的连通调度。目前，《湖北省一江三河水系连通工程规划》正在编制中，根据该规划，从汉江引水对汉北河、天门河、府澴河沿线河湖进行生态补水，在沦河46 km闸通过上述引水线路引水至金银湖。

基于金银湖水质改善目标，根据《湖北省一江三河水系连通工程规划》，对金银湖引水流量、引水过程进行数值模拟研究，建立水动力、水质数学模型，分析不同引水流量对湖泊水质的影响，为金银湖生态保护及水环境综合治理工程提供技术支持。

3 金银湖引调水数值模拟研究

3.1 金银湖入湖污染负荷分析

金银湖水系入湖污染物可分为点污染源、面污染源以及内污染源。点源污染主要为工矿企业废水排放，现状根据入河排污口排污情况统计计算；截污控污后，根据《武汉市东西湖区水环境综合治理与保护规划》，至2020年金银湖流域范围内的工矿企业废水全部收集到污水处理厂，不再排入金银湖，故点源为0。面源污染负荷根据《全国水资源综合规划地表水水质评价及污染物排放量调查估算工作补充技术细则》估算；同时，根据区域经济社会发展、流域综合规划、水污染防治规划等上位规划，结合区域生态环境保护与修复目标，提出实施生态沟渠建设、水土涵养工程、海绵城市建设等面源污染治理措施并结合相关工程经验对截污控污后面源污染物情况进行预测。内源污染主要为底泥释放，本次参照国内其他湖泊底泥释放的研究成果，结合水质现状情况，确定湖泊底泥释放速率，根据底泥释放速率，计算湖泊底泥释放产生的污染物量；同时，考虑到对城市湖泊进行清淤，限制条件多、影响范围较大、影响因素较多，容易造成二次污染，因此，本次未对金银湖实施清淤工程，内源污染维持不变。

根据《湖北省一江三河水系连通工程规划》入河（湖）污染物分析，复核金银湖水系入湖污染负荷，得到金银湖水系入湖污染物量见表2。

表2 金银湖主要污染物入湖量Tab.2 Amount of main pollutants into Jinyin lake 单位：t/a

3.2 引水线路

根据《湖北省一江三河水系连通工程规划》，从汉江罗汉寺闸引水，通过汉北河、天门河在沦河46 km闸处引水至金银湖，引水线路见图1。

图1 金银湖引水线路Fig.1 Water diversion route of the Jinyin lake

3.3 引调水数值模拟

3.3.1 典型年选取

根据一江三河地区各水文站长系列水文资料，综合考虑地区来水、供水、退水等情况，采用经验频率法排频确定90%保证率的枯水年为1986年，以该枯水年设计流量作为金银湖水环境需水的设计水文条件，通过构建数学模型模拟分析1986 年1月1日至12月31日金银湖的水动力水质变化过程。

3.3.2 模型构建

3.3.2.1 湖泊水动力-水质数学模型

金银湖水动力及水质模型均采用描述浅水型湖泊水深平均的平面二维数学模型。

3.3.2.2 计算网格与模型配置

（1）水下地形与计算网格

根据金银湖测量地形资料，按照北京1954 3 Degree GK CM 114E投影生成适用于复杂边界的非结构化三角形网格，网格三角形最小允许角度为26°，节点的最大数量为100 000。金银湖水下地形及计算网格如图2所示。

图2 金银湖水下地形及计算网格Fig.2 The bottom topography and calculation grid of the Jinyin lake

（2）边界条件

①降雨蒸发

金银湖降雨量与蒸发量采用所在流域水文站实测结果。蒸发量通过蒸发皿与大水面的换算系数计算，湖泊降雨和蒸发情况详见表3。

表3 金银湖气象数据Tab.3 Meteorological data of Jinyin lake

②径流

金银湖采用的径流数值见表4。

表4 金银湖逐月径流量Tab.4 Monthly runoff of the Jinyin lake

③风场

风速和风向采用区域多年的月平均风速与风向，详见表5。

表5 金银湖月平均风速与风向Tab.5 Monthly average wind speed and direction in Jinyin lake

④初始水质

本次模拟从1月开始，处于非汛期。故本次采用金银湖非汛期实测水质作为本次设计代表年现状污染负荷下金银湖水质模拟的初始水质，COD 为29.6 mg/L，TN为0.95 mg/L，TP为0.27 mg/L。

⑤污染负荷

现状及截污控污后入湖污染负荷情况见3.1节。其中，点源污染根据工矿企业分布情况和金银湖地区城市管网布局，概化为3个排污口集中连续排入湖泊，面源污染负荷则根据湖泊汇水分区，随降雨径流通过10个不同的汇水口进入湖泊。模型中点源和面源概化排污口的位置分布情况见图3，入湖污染物量见表6。

图3 污染源分布图Fig.3 Distribution of pollution sources

表6 各概化排污口主要污染物入湖量Tab.6 The amount of main Pollutants of outlets 单位：t/a

⑥模型参数

由于金银湖缺乏系列年份径流、水质等实测数据，衰减系数难以通过模型率定。结合《湖北省重要湖泊纳污能力分析》成果，确定本次TN 综合衰减系数为0.025（1/d）、TP 为0.02（1/d）、COD为0.02（1/d）。

⑦初始水位与流速

金银湖初始水位设置为常水位18.5 m（黄海）；初始流速均设为0，即采用冷启动方式。

3.3.3 典型年水质模拟分析

（1）模拟工况

本次选取TP、TN、COD作为金银湖模拟的指标。

工况一：现状工况

模拟金银湖在现状污染控制水平下遭遇90%保证率典型年1986年水文条件时水质的变化过程。

工况二：截污控污工况

模拟金银湖在设计水平年污染控制水平下遭遇典型年1986年水文条件时水质的变化过程。

（2）模拟结果

根据现状污染负荷和截污控污后的污染负荷，分别对上述两种工况的TP、TN、COD 进行模拟计算，并根据模拟结果计算出每个时间步长下TP、TN、COD 的全湖平均值，以该平均值的变化代表金银湖的水质变化，得到金银湖在两种工况下的水质变化过程，如图4所示。

图4 金银湖典型年水质变化Fig.4 Variation of water quality of Jinyin lake in typical year

由图可知，工况二在实施截污控污工程后，入湖污染负荷减少，与工况一相比，金银湖水质有较大改善，表明污染控制工程对金银湖水环境的改善发挥了较好的作用。由图也可知，金银湖在实施污染控制工程后，TP 部分时段超过Ⅳ类（0.1mg/L）标准，不能满足金银湖水功能区Ⅳ类水质目标要求，迫切需要实施引水工程进一步改善湖泊水质。

3.3.4 引水方案与规模分析

为分析不同的引水规模对金银湖水质的改善效果，本次计算拟定了三种引水规模，并对不同的引水规模进行了水质变化规律的数值模拟计算。本次拟定超过四类水质标准上限（TP：0.1mg/L，TN：1.5mg/L，COD：30mg/L）时，起动引水调度，从而确定金银湖引水时间为6 月11 日至7 月10 日、9月11日至9月30日。

（1）水动力边界条件

水动力边界条件同3.3.2节。

（2）水质边界条件

①入湖水质

根据《湖北省一江三河水系连通工程规划》骨干河道水量水质模拟结果，骨干河道在金银湖补水期的入湖水质TP为0.15 mg/L，COD为8.28 mg/L。同时，经过对汉江水质监测资料的综合分析，确定汉江在补水期的本底水质TN为1 mg/L。

本研究参照《大东湖生态水网构建水网连通工程（近期）可行性研究报告》，在引水闸后设置絮凝沉淀池，对入湖水质进行净化。根据《几种常见絮凝剂在“大东湖生态水网构建工程”——引水工程中絮凝处理试验研究》结果，综合考虑混凝沉淀效果及经济因素，推荐净化后的入湖水质TP为0.05 mg/L，且经絮凝沉淀除磷的同时，可同步去除COD 和TN，去除率分别约为30%和25%。因此，金银湖入湖水质TP为0.05 mg/L，TN为0.75 mg/L，COD为5.80 mg/L。

②初始水质

引水工况初始水质为金银湖非汛期实测水质在截污控污的污染负荷下模拟计算后的年末水质。

（3）引水方案

本次拟定三个引水方案进行模拟，以1986 年（枯水年）为代表年，方案一补水5 m3/s，方案二补水10 m3/s，方案三补水15 m3/s，补水入湖水质中TP为0.05 mg/L，TN为0.75 mg/L，COD为5.80 mg/L。

（4）引水效果分析

对三种引水方案下金银湖各水质指标TP、TN、COD 的变化过程进行模拟计算，得到金银湖在上述三种引水流量下水质随时间的变化过程以及浓度场的变化，如图5至图10所示。由图可知，在污染控制基础上增加引水措施，可以加速水体的流动，进一步改善湖泊水质，随着引水流量的增大，不同引水流量对湖泊的改善效果逐步增加。

图5 金银湖不同引水流量TP变化过程Fig.5 Variation of TP concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

图6 金银湖不同引水流量TN变化过程Fig.6 Variation of TN concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

图7 金银湖不同引水流量COD变化过程Fig.7 Variation of COD concentration under the different water diversion discharge of Jinyin lake

图8 金银湖不同引水流量TP浓度场变化Fig.8 Variation of TP concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

图9 金银湖不同引水流量TN浓度场变化Fig.9 Variation of TN concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

图10 金银湖不同引水流量COD浓度场变化Fig.10 Variation of COD concentration field under the different water diversion discharge of Jinyin lake

对金银湖逐日TP、TN、COD 平均浓度进行统计，得到相对于工况二水质的改善效果，如表7所示。由表可知，随着引水流量的加大，湖泊各项水质指标的改善程度均不断增大，当引水流量为5 m3/s 时，TP、TN、COD 水质改善效果分别为13.82%、9.45%、12.06%；当引水流量为10 m3/s时，水质改善效果分别为20.63%、14.21%、18.27%；当引水流量为15 m3/s 时，水质改善效果分别为24.95%、17.43%、22.28%。由表7 可知，随着引水流量的加大，水质改善效果的增幅率均呈现下降趋势，当引水流量由5 m3/s 增加到10 m3/s时，TP、TN、COD 改善效果增幅率分别为49.24%、50.44%、51.45%；当引水流量由10 m3/s再增加到15 m3/s时，TP、TN、COD改善效果增幅率分别为20.95%、22.62%、21.96%。

表7 金银湖三种引水流量水质改善效果Tab.7 Effects of water quality improvment under three water diversion discharge of Jinyin lake

由图5、图6、图7可知，当引水流量为5 m3/s时，金银湖TP 少数时段不能达到Ⅳ类水质目标，当引水流量为10 m3/s时，TP、TN、COD全年均能达到Ⅳ类水质标准且水质改善增幅率最大，故推荐金银湖引水流量为10 m3/s。通过以上分析，确定金银湖引水时段为6月11日至7月10日、9月11日至9月30日，引水流量为10 m3/s。

4 结论与建议

本研究对金银湖不同引水流量（5、10、15 m3/s）开展了数值模拟计算，计算结果表明，随着引水流量的增加，金银湖水质指标的改善程度也不断增加，但是改善的增幅率呈现下降趋势。本研究按照金银湖达到Ⅳ类水质目标控制，综合考虑水质改善效果增幅率，推荐金银湖引水流量为10 m3/s。

生态引水调度是湖泊水环境综合整治的有效措施之一，为湖泊生态系统的修复开辟了一个新的研究视角。但其效益的发挥受诸多因素影响，调水线路周边区域污水收集系统配套不完善、引水沟渠自身污染较严重等原因都会导致优质的外江水源在调水途中受到污染，在最终注入湖泊时水质有所下降，致使水体交换不能发挥最大效果。因此，在引水前，建议对金银湖周边区域进行全面控污截污，并对污染严重的沟渠进行清淤，以保证清水入湖。