河湖连通条件下城市湖泊水环境治理研究

涂华伟，王 莉，张 潇，梁 媛，申诗嘉，文 典，彭 虹

(1.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；2 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130；3.武汉大学资源与环境学院，武汉 430072)

城市湖泊是城市水环境系统中的重要组成部分，具有防洪排涝、调节气候、景观娱乐、维持生态平衡等多种功能。随着社会经济的快速发展，城市人口集聚、产业集中带来的大量点面源污染通过河网水系、排污管道等方式直接进入湖泊水体，导致氮磷水质严重超标、水体黑臭、生态系统退化等诸多水环境问题，极大制约着城市绿色发展[1-3]。因此开展城市湖泊水环境修复研究对恢复水生生态系统健康、合理规划城市发展布局、实现人、水、环境和谐共存的生态文明建设具有重要意义。

湖泊水质模型是模拟水体中污染物迁移转化规律，研究水体黑臭和水体富营养化等水质问题，进行水质模拟和水环境管理与规划的重要工具[4]。目前国内外湖泊水质模型已取得了许多重要成果，如国外应用较多的EFDC、MIKE、WASP模型等[5-7]。近年来我国在湖泊水质模型研究上也取得了一定成效，如杨卫等通过建立二维水动力水质模型模拟分析河湖连通工程对城市湖泊群的水环境改善效果[8]；王彩艳等基于TMDL模型研究分析东湖水体TP、TN和COD污染物负荷量，为改善东湖水质和富营养化工程治理方案提供参[9]；邹锐等通过EFDC模型构建三维湖泊水动力水质模型研究分析滇池营养盐通量平衡[10]。但城市湖泊连通的河网水系众多，受农业生产、水产养殖等人类活动带来的面源污染严重，单一水质模型远不能满足实际湖泊水环境模拟的需求。因此近年来有学者提出耦合模型的概念[11]，如罗福亮等将SWMM和MIKE11模型耦合，用于模拟城市河网水动力过程[12]；赵琰鑫等实现了一维河网水质模型与二维湖泊模型的耦合，并应用于太湖环境模拟研究[13]。郑晓燕等耦合SWMM模型与二维湖泊水动力水质模型耦合，模拟分析不同暴雨条件对梁子湖水动力水质的影响[14]。但以上研究仍有一些不足，往往仅考虑陆地面源、河网以及湖泊三者中的两两耦合，而城市湖泊水体环境受点面源直接污染、河网连通以及自身水动力水质条件多因素影响，需要综合考虑湖泊水环境系统所涉及的流域水文、水动力学和污染物迁移扩散等主要的演化过程。

本文从流域水环境系统出发，综合考虑城市点面源污染、河网水系条件对湖泊水环境影响，提出一套耦合“陆面单元-河网-湖泊”的水环境模型。以广东省惠州市金山湖流域为例，通过模拟分析金山湖流域在不同水环境修复方案下水质状况，系统评估水环境综合治理效果和水质改善程度，为河湖连通条件下的城市湖泊水环境修复工作提供有力的技术支撑。

1 研究区域概况

金山湖位于惠州市城区南部，集雨面积约为63.7 km2，水系如图1所示。入湖主要河涌共有4条，分别是金山河、莲塘布河、河桥水和冷水坑河。根据2019年1月水质监测数据，金山河出口断面、河桥水出口断面、金山湖东侧湖段均为劣Ⅴ类水体，主要超标因子为NH3-N和TP，金山湖北侧湖段水质为Ⅴ类水质，主要超标因子为NH3-N，金山河入湖口至河桥水入湖口湖段为轻度黑臭水体。总体上金山湖水质为劣Ⅴ类水体，全湖段均呈现出不同程度的富营养化现象。

图1 金山湖流域

2 水环境模型构建

2.1 面源模型

SWMM模型包含水文与水质模块，能够充分考虑不同土地利用条件下的降雨径流污染，已被广泛应用于流域面源污染研究[15-18]。采用30 m精度的DEM栅格，将金山湖及相关水系共划分为153个子汇水区，如图1所示。通过DEM数据和土地利用数据确定各子流域面积、不透水面积占比、流域宽度、平均坡度等确定性参数。根据金山湖湖区水质现状，选取NH3-N、TP作为主要污染因子，不同地表类型污染物累积和冲刷参数如表1所示。

表1 不同地表类型参数取值[15-18]

通过对各子汇水区进行产汇流计算，将各分区的径流过程和水质浓度作为一维河网水动力模型的旁侧入流条件，实现降雨径流面源模型与一维河网水动力模型的耦合计算。

2.2 一维河网与二维湖泊水动力水质模型

基于前期已有研究成果[13]，通过一维河网和二维湖泊在连接断面上具有相同的流量、水位以及水质浓度条件，作为二维湖泊水动力水质模型的边界条件求解水动力水质方程，实现一维河网模型和二维湖泊水动力水质模型的耦合。

收集整理流域内金山河、莲塘布河、河桥水、冷水坑河水文地形资料，构建金山河、莲塘布河、河桥水、冷水坑河四条河涌的一维河网水动力水质模型；利用水下地形资料，生成金山湖湖区二维水动力水质模型计算网格，共计46 624个网格，网格精度为20 m×20 m，如图2所示。

图2 金山湖二维网格

2.3 初始及边界条件

初始水质浓度依据水质监测断面(图1)实测浓度插值生成浓度场，初始水位为金山湖常水位11.29 m，初始流速设为0 m/s。

边界条件包括流域内四河涌入湖口、金山湖换水口、出水口以及点面源的输入。出水口采用水位条件控制，换水口采用流量边界控制，水质浓度与相连水体西枝江水质浓度相同。金山湖流域内湖区及周边四河涌点源排污口共计70处(图1)，采用实测入湖点源浓度数据。流域内面源污染采用面源模型结果，部分面源直接汇入湖区，其余面源汇入四河涌后通过入湖口流入湖区。四河涌入湖口流量以及水质浓度采用一维河网模型计算，是考虑河涌范围内点面源入汇下的综合结果。根据金山湖湖泊水质现状超标情况，选取NH3-N、TP为水质模拟指标。

2.4 模型参数率定与验证

根据2018年惠阳国家气象站逐日气象数据作为面源模型输入条件，根据水量验证断面(图1)实测汇水水量率定验证面源模型降雨产流参数，结果如表2所示，各断面水量误差在5%以内，面源模型能够很好的模拟流域内降雨径流过程。

表2 面源模型水量验证

根据2019年1月水质监测断面(图1)实测数据，考虑河网各河段和金山湖湖区各段不同环境条件，选择模型计算断面和水质实测点位吻合的断面进行参数率定与验证。金山湖湖区二维水动力模型中横向和纵向离散系数取值为1.1，黏滞系数为1.52×10-6kPa·s，科氏力为7.5×10-5s-1，一维河网和二维湖区主要水质参数取值如表3所示，结果如图3和图4所示。

图3 NH3-N水质验证

图4 TP水质验证

表3 主要水质参数

其中一维河网水质验证断面为Q6～Q16，NH3-N、TP模拟值与实测值平均误差分别为10.28%和13.63%。金山湖湖区水质验证断面为Q1～Q5，NH3-N、TP模拟值与实测值平均误差分别为6.30%和5.99%。表明模型模拟值与实测值吻合较好，能够满足本次研究金山湖二维水动力水质模拟的要求。

3 金山湖水环境治理分析

3.1 水环境治理方案

根据金山湖流域实际情况和未来水环境整治项目的实施，以Ⅳ类水质标准为水环境治理目标，设计以下4种金山湖水环境治理方案，如表4所示。其中控源截污工程包括修建初雨调蓄池和整治点源排污口两部分。初雨调蓄池主要修建在城市区域，削减50%面源负荷而不减少降雨径流。点源排污口整治将减少点源个数，提高排污口水质标准，削减95%以上点源负荷。换水工程通过湖区换水口引入西枝江较好水质水体对湖区进行冲污，改善湖区水质。

表4 水环境治理方案

3.2 入湖河涌水动力水质条件

考虑降雨径流对河网以及湖区水环境影响，根据《水域纳污能力计算规程(GB/T25173-2010)》，选择90%保证率设计水文年气象数据作为面源模型输入条件进行面源负荷模拟，其中6月份面源NH3-N和TP污染物负荷最大，因此将6月份面源负荷条件下的一维河网水量水质计算结果作为入湖水动力水质条件。在实施方案一控源截污工程后，西枝江和四河涌入湖水量水质条件如表5所示。

由表5可知，在实施控源截污工程后四河涌入湖NH3-N水质浓度均低于IV水质标准，而河桥水、冷水坑和连塘布TP仍处于V类水质标准及以下，分别为0.18 mg/L和0.23 mg/L，将对湖区水体造成严重污染。控源截污工程城市面源削减区域主要位于金山河流域范围内，削减后金山河入湖水质浓度均低于IV水质标准，NH3-N为0.66 mg/L，TP为0.07 mg/L，能够一定程度上改善湖区水质条件。

表5 入湖水体水质条件

3.3 湖区水质改善状况

根据建立的二维湖泊水动力水质模型，对4种水环境治理方案下的湖区水质情况进行模拟，分析湖区水质改善状况，结果如图5～图6所示。

图5 不同方案下湖区NH3-N浓度场分布

图6 不同方案下湖区TP浓度场分布

由图5和图6可知，在实施控源截污工程后金山湖湖区东段水体NH3-N仍处于V类水质标准，TP处于劣V类水质标准；西段水体NH3-N已基本达到IV水质管理目标，西南段水体TP处于Ⅴ类水质标准，北段水体TP已基本达到Ⅳ水质标准。

实施引水工程后湖区水动力水质条件随着引水流量的加大得到更为明显改善。西枝江较好水质水体从湖区北段换水闸处引入金山湖湖区，加大湖区水体流速，稀释和置换湖区水体。随着引水流量的加大，超标污染带范围逐渐缩小，引水所需时间逐渐变短，换水稳定后湖区东段水质接近西枝江水体水质浓度，整体水质逐渐达到Ⅳ类水质管理目标，各水环境治理方案下NH3-N和TP水质达标面积占比如图7和图8所示。

图7 NH3-N水质达标比

图8 TP水质达标比

当实施控源截污工程削减金山湖流域50%面源负荷和95%点源负荷(方案一)后，金山湖湖区水质得到较明显改善。全湖范围内有62%的区域NH3-N能达到Ⅳ类水质标准及以上，38%的区域仍处于Ⅴ类水质标准及以下；TP有38%的区域能达到Ⅳ类水质标准及以上，42%的区域水质仍处于劣Ⅴ类，需要实施换水方案以进一步改善湖区水质，达到水环境管理目标。

考虑在控源截污工程基础上，通过西枝江引水进湖改善湖区水动力水质条件，当换水流量为1 m3/s(方案二)时，湖区水质在换水10 d后得到略微改善，全湖范围内仍有30%的区域NH3-N处于Ⅴ类水质标准及以下，有34%的区域TP仍处于劣Ⅴ类；当换水流量为6 m3/s(方案三)时，湖区水质在换水9 d后得到显著改善，全湖范围内NH3-N均处于Ⅳ类水质标准及以上，TP有81%的区域处于Ⅳ类水质标准及以上，19%的区域处于Ⅴ类水质标准。当换水流量进一步加大为12 m3/s(方案四)时，湖区水质在换水6 d后即得到显著改善，全湖范围内NH3-N均处于Ⅳ类水质标准及以上，TP有85%的区域处于Ⅳ类水质标准及以上，15%的区域处于Ⅴ类水质标准。方案三和方案四均能基本达到湖区水质改善目标，但相较于方案三，方案四的湖区水质改善效果并没有显著提升，仅仅提高了水质改善所需时间，因此对于日常水质改善措施，采用方案三即可。

4 结 论

本文针对河网水系密集、土地利用开发强度高、点面源污染突出带来的城市湖泊水环境问题，全面考虑了在人类活动影响下的陆地单元产流产污过程、河网水动力演进与污染物输移以及湖泊水质迁移与扩散过程，建立了一套耦合“陆面单元—一维河网—二维湖泊”的水动力水质综合数值模拟模型，用于城市湖泊水环境修复模拟研究。

以广东惠州金山湖流域为例，研究分析了实施控源截污、湖区换水等4种水环境治理工程方案下的湖区水体水质改善状况。当实施控源截污工程削减50%面源负荷和95%点源负荷后，通过引进6 m3/s流量的西枝江水体9 d后，全湖区水质状况能够得到显著改善，全湖范围内NH3-N达到Ⅳ类水质标准及以上，有81.27%的区域TP达到Ⅳ类水质标准及以上，基本上达到水环境治理目标。

本研究建立的“陆面单元—一维河网—二维湖泊”的水动力水质综合数值模拟模型能够实现对流域水文、水动力学和污染物迁移扩散等水环境系统中主要的演化过程进行模拟分析，有效反映污染物负荷削减和水力条件变化等不同水环境治理方案下的湖泊水体水质改善状况，为河湖连通条件下城市湖泊水环境治理工作提供有力的技术支撑，推进城市黑臭水体整治，助力生态文明建设。

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