MIKE11在湖泊水量水质保障中的应用研究

黄丽娇，王川涛

(1.深圳市宝安区大空港新城发展事务中心，广东 深圳 518101；2.中国城市规划设计研究院深圳分院，广东 深圳 518040)

练湖位于丹阳城西北，以排洪、灌溉、济运而生，自西晋起即是丹阳揽胜之佳处，素有“二十四景”之美誉，湖水浩瀚，一碧万顷，经过几番兴废，湖面在20世纪70年代围湖造田的热潮中最终消失殆尽，变成了大片的农田和鱼塘。

练湖是京杭大运河文化带上一个历史名湖，与丹阳的发展有着千丝万缕的联系。作为沪宁城镇发展带和运河历史文化发展带的交汇点，练湖承载了未来城市功能与文化发展的需求；作为历史上济运和兴城的古湖，练湖寄托了丹阳城市品质提升的诉求，重构具有多元复合功能和富有生命力的水系网络，保障水位、水量与水质，是优良的水生态环境营造的关键。本次以丹阳历史名湖练湖的恢复为研究对象，探讨其在丰、平、枯等不同年份下的水文变化过程，为大型湖泊恢复再造提供一定的参考和借鉴。

1 研究区域概况

1.1 练湖历史变迁

练湖曾作为江南运河段唯一的“水柜”，兼具工程与文化的水工奇迹，也是丹阳人民繁衍生息的母亲湖，其兴废变迁，是一个个时代的缩影，是丹阳市珍贵的历史物质和非物质文化遗产。

西晋末期人工开挖练湖，主要功能是灌溉和蓄洪，面积约10.3万余亩，蓄水量达3000余万m3；隋朝，练湖筑渠用以向大运河补水，练湖的功能兼济漕运；唐代起练湖成为江南运河的主要水源工程之一，确保了大运河江南段漕运的通畅，练湖分为上练湖和下练湖；宋朝练湖兼具蓄水、济运、灌溉、防洪等多种功能，地位尤为重要；明末及清朝年间，随着运河漕运功能的丧失，日常维护的缺乏导致淤积日益严重，练湖开始萎缩；解放后由于建闸拦水，上游基本无水进入练湖，练湖逐渐淤积，伴随着大规模的填湖造田运动，练湖消失殆尽。练湖面积已由明朝1026.78hm2萎缩至仅有鱼塘面积373.60hm2。

1.2 练湖恢复方案

为提高区域的滞洪和调蓄能力，改善区域水系生态环境，通过生态汇水、生态理水、生态维水等方式，创造丰富多元的水系形态，传承丹阳璀璨文化，恢复具有自然美、生态美、人文美的魅力练湖。

规划练湖与周边弯河、中心河、京杭大运河、西门运河相连通，形成河、塘、湖、湿地为一体的水系格局。水面面积约2 km2，练湖分为上练湖与下练湖，其中上练湖主要为水质净化功能；下练湖主要为防洪排涝功能，下练湖包括主湖和湖链。

练湖汇水范围总共约26.7km2，其中弯河汇水面积15.4km2，练湖湖体直接汇水范围11.3km2。汇水范围内规划用地主要以绿地、居住、商业与研发用地为主，结合规划土地利用图以及地形地势，将汇水范围进一步划分39个二级汇水分区，每个汇水范围内的径流系数不大于0.5。

根据练湖土方平衡测算、防洪排涝以及景观塑造等要求，规划范围内共设置9座溢流堰、闸门等水位控制设施。上练湖汇水面积较小，水位较为恒定，基本控制在6.0～6.2m。下练湖在汛期6—9月，将常水位下降控制在4.7m，以释放更多的库容进行洪涝水滞蓄；在非汛期10月—次年5月，为维持较好的亲水性，将常水位控制在5.2m。

1.3 练湖水量水质保障技术路线

丹阳练湖的恢复，实质上是一个大型人工湖泊的再造。王依依等[1]以临漳新城区人工湖为例，通过优化调整湖泊形态改善人工湖的水动力条件，保障水体水质；郭鹏程等[2]以北川河生态河道10#生态湖流场及水体交换情况为例，计算人工湖区在不同引水条件下死水区域和水体交换能力，从而进一步优化湖体的设计形态；张磊磊[3]通过模拟桐乡革新区人工景观湖场次降雨下的水动力与水质，预测浓度场以及富营养化区域。目前研究中，大多数人工湖集中于短时间内引水量与流场水动力、水质的预测研究，对于不同年份长时间的湖泊水量水质耦合研究相对较少，本次研究结合长时间的降雨资料、地形资料以及规划的下垫面资料，采用MIKE11模型，通过供需平衡分析的水量保障以及“灰绿融合”的水质保障措施，预测在湖体恢复之后，不同水文年的水量、水位以及水质的变化情况，具体技术路线如图1所示。

2 MIKE11数学模型构建

规划水量水质预测选用DHI-MIKE软件进行分析，通过输入水系平面(NWK)、水系断面(XNS)、产汇流模块(RR)、边界条件(BND)、水动力模块(HD)以及水质对流扩散模块(AD)六大模块，构建MIKE11水动力与水质的耦合模型，模拟练湖水位、水量与水质在不同降雨年份的变化情况[4- 6]。

2.1 河网概化

将练湖汇水范围内的水系进行平面(NWK)与断面(XNS)概化。在平面上，共概化为22条河道，总长度31.7km，包括弯河、上下练湖、练湖河、湖链等河段，并设置9个闸门；在断面上，输入128个关键断面的断面形式与参数。

2.2 模型参数选取与率定

2.2.1产汇流模块(RR)

通过对丹阳站30年(1988—2018年)降雨量资料进行统计，并利用P-Ⅲ曲线适线的方法，计算丰水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)的年降雨量，并根据降雨总量相近的年份选取三个典型年，其中2013年为枯水年、2014年为平水年以及2016年为丰水年逐日降雨、蒸发量作为后续研究的输入。

图1 练湖恢复后水量水质保障技术路线图

模型采用降雨径流模块Urban Model(A)模拟降雨径流，在RR参数文件中完成39个二级分区的面积、形状、下垫面条件及降雨量等相关水文参数的设置。

2.2.2边界条件(BD)

在模型的边界条件设置中，将弯河与上练湖水位边界设置为闭边界，下练湖设置为闸门与大运河水位共同作用的开边界，39个二级汇水面积以分散线源的形式进入水动力模块(HD)与水质对流扩散模块(AD)模型。

2.2.3水动力模块(HD)

水动力模块(HD)采用有限差分格式求解圣维南方程组进行求解，得到水系的水位、流量与流速等数据。在水动力模块参数文件中设置初始水位、河道糙率等参数，其中上练湖初始水位设置为6.0m、下练湖初始水位设置为5.2m、河床糙率曼宁系数设置为0.3[7- 8]。

2.2.4水质对流扩散模块(AD)

对于湖泊水质的预测，原则上要用二维、三维水动力和水质模型才能更加准确地模拟水质分布，但是由于恢复的湖泊为水深较浅的浅水型湖泊，可以近似认为浓度沿垂向分布均匀，使用一维MIKE11计算断面的平均浓度。

练湖是对历史名湖的恢复，无法通过现状测量数据对模型进行整体率定，因此水质模型参数的选取主要参考相关文献进行取值。对流扩散模块需要率定的参数为扩散系数以及氨氮的衰减系数。对于扩散系数，上、下练湖水面较大，基本处于静水状态，扩散条件较差，取值为1 m3/s；弯河为小河道，扩散系数取值为5m3/s。氨氮的衰减系数无实测值，本文根据相关文献[9]推荐值进行取值，其中河道与湖区氨氮的衰减系数分别为0.015、0.024d-1。

3 湖泊水量水质的耦合研究

3.1 水量水质保障系统

3.1.1水量保障系统方案

练湖恢复后，结合练湖功能定位、水质保障、景观设置、植物搭配等要求，练湖水面面积约2km2，练湖需水量包括湖面蒸发量、渗透水量、植物蒸腾量以及水质维持换水量，通过水量平衡进行测算，练湖通过自身汇水范围汇水进行补水的前提下，在枯水月份考虑大运河来水进行补充。

3.1.2水质保障系统方案

练湖的水质目标为Ⅲ-Ⅳ类，规划构建“灰绿结合”的练湖生态水质保障总体策略。灰色设施为污水处理厂、污水干管等截污治污工程，杜绝点源污染对规划区水质的影响；绿色设施为强化型湿地、表面流湿地以及绿色屋顶、透水铺装、雨水花园等低影响开发设施，通过耦合以生态湿地为主的绿色海绵大系统与低影响开发为主的低碳海绵小系统，削减面源污染，构建良好的水生态环境。

3.2 不同降雨年份下水量与水质的耦合分析

3.2.1水量变化预测

通过MIKE11模型径流模块分析，枯水年(2013年)进入练湖的水量为3189万m3；平水年(2014年)进入练湖的水量为4115万m3；丰水年(2016年)进入练湖的水量为6551万m3。不同降雨年份进入湖区的水量变化较大，平水年降雨量约是枯水年的1.3倍，径流总量为枯水年的1.3倍；丰水年降雨量约是枯水年的1.9倍，径流总量为枯水年的2.1倍。平水年两者的倍数相当，丰水年径流总量倍数比降雨量倍数大，这是因为2016年大于50mm的日降雨量较多，而且降雨时间间隔较短，土壤属于饱和状态，使得径流量有所增大。如图2所示。

另外，闸门对水量的控制起到关键的作用。在不同降雨年份的汛期(6—9月)，闸门的出流流量峰值与日降雨量峰值基本吻合，并随着降雨量的增加而增大。

图2 不同降雨年份日降雨量与闸门日平均出流流量对比分析图

通过汛期的日降雨量与出流流量的拟合分析，得到练湖恢复后降雨量与闸门出流流量之间的关系，结果表明，日降雨量增加，为控制一定的水位，出流流量亦会增大，拟合方程为y=0.2234x+1.2738，R2=0.9457，拟合度较高。在练湖恢复后，可根据日降雨量的预报，及时控制出流流量与水位间的关系。如图3所示。

图3 不同日降雨量与闸门出流流量拟合分析图

3.2.2水位变化预测

上练湖汇水面积较小，仅144hm2，而且上、下练湖的连接通道排水能力较大，以2013年(枯水年)、2014年(平水年)以及2016年(丰水年)逐日降雨量作为MIKE11模型输入，通过控制闸门启闭，上练湖水位在不同降雨年份基本能够稳定控制在6.0m。

下练湖主要功能为洪涝水的调蓄。以2013年(枯水年)、2014年(平水年)以及2016年(丰水年)逐日降雨量作为MIKE11模型输入，通过控制闸门启闭，在非汛期(10月—次年5月)，下练湖的水位控制基本能维持在5.1～5.4m；在汛期(6—9月)，下练湖水位预降至4.7m，腾出库容调蓄洪水。在2013(枯水年)年以及2014年(平水年)，暴雨出现频次较少，预测练湖最高控制水位在5.2m左右；在2016年(丰水年)，暴雨出现频次较多，最高控制水位在5.4～5.5m。

上练湖与下练湖由于汇水面积差异较大且功能定位不同，水位控制方式差异较大。上练湖可控制在稳定的水位；下练湖根据不同月份采取不同措施，在非汛期可控制在相对稳定的水位，在汛期通过预降水位腾出调蓄库容，蓄滞洪涝水。如图4所示。

3.2.3水质变化预测

水量与水质是相辅相成的统一体，规划以氨氮作为模拟因子，预测在“灰绿结合”的练湖生态水质保障总体策略下，在不同降雨年份下的湖区的污染物输入量、湖区不同点位的水质变化。

(1)不同降雨年份下入湖污染物分析

通过MIKE11模型AD模块分析，枯水年(2013年)进入练湖的氨氮总量约为55.2t；平水年(2014年)进入练湖的氨氮总量约为60.2t；丰水年(2016年)进入练湖的氨氮总量约为66.8t。预测结果表明，枯水年份比丰水年份进入湖区的污染物小，这是因为污染物主要通过径流进入水体，而枯水年份降雨量相对较少，进入湖区的总量也相对较小。另外，丰水年份降雨量是枯水年份的1.9倍，但污染物总量却仅约为枯水年份的1.2倍，这说明了污染物主要通过前期的降雨冲刷进入湖区，在降雨后期，进入湖区的污染物较小，因此练湖在恢复之后，结合城市建设，应通过低影响开发建设，分散控制进入湖区的面源污染，从而更好地维持湖区水质。

(2)湖区不同点位的水质变化

下练湖分为湖链与主湖两个部分，湖链部分城市开发建设强度高于主湖部分，为更好地评估城市开发建设面源污染对湖区水质的影响，选取三个点位进行分析，并以2014年(平水年)逐日降雨量作为输入，分析湖区逐日的水质变化情况。结果表明，以氨氮作为评价因子，主湖地区水质明显优于湖链地区，3#点位(主湖)常年能够维持在地表水Ⅲ类水平，而1#、2#(湖链)在降雨量较大的时候，无法满足全年达到Ⅲ类标准。如图5所示。

从MIKE11的分析结果可以看出，在5—7d干旱之后，降雨将携带大量污染物进入湖区，使得湖区的水质出现一定的恶化风险。可以看出，城市开发建设的面源污染在练湖恢复后是湖区水质的主要影响因素。

图4 不同频率水平年降雨量下练湖水位预测图

图5 湖区不同点位的每日水质变化分析图

4 结论与建议

4.1 主要结论

通过构建练湖汇水范围内整体水系河网的MIKE11模型，结合用地布局规划，耦合模拟水动力与水质模块，预测练湖在恢复后，在丰、平、枯不同的降雨水平年，湖区的水量与水质响应情况。结果表明，第一，降雨量与径流总量成正比，且闸门对水量的控制起到关键的作用，闸门的出流流量峰值与日降雨量峰值基本吻合，并随着降雨量的增加而增大；第二，水位控制方式与汇水面积、功能定位的关系较大，上练湖汇水面积小，主要功能为净化，因此可控制在相对稳定的水位；下练湖水位汇水面积大，主要功能为防洪蓄涝，在汛期通过预降水位腾出调蓄库容，蓄滞洪涝水；第三，污染物主要通过前期的降雨冲刷进入湖区，不同的点位水质变化较大，建设强度较小的主湖区域水质优于城市建设强度较大的湖链区域。

4.2 问题与建议

练湖为历史名湖的恢复，实质上是大型人工湖泊的重建，因此并没有实测的水文、水质资料对MIKE11模型进行准确率定，预测结果仅能代表规划阶段该种建设方式下的参考。在恢复建设过程中，应动态进行水量水质监测，以期得到更多更详尽的数据进行修正。

作为湖泊的水质预测，本次研究将练湖作为大型浅水湖泊，忽略了纵向的水质变化。在规划设计阶段作为预测的参考是能够满足要求的，但作为下一步湖区的工程建设阶段，应建立更加准确的三维水质模型进行更加详细的研究。