水网连通对大东湖富营养化的影响

罗慧萍，唐 见，曹慧群，赵科锋

(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010； 2. 长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，河湖水系连通作为新时期解决我国水问题的重大战略举措受到了高度重视，全国各地纷纷加快了水系连通工程的建设。河湖水网连通在重置区域水资源格局的同时，也改变了水体原有的水力特性和物质循环情势，对河湖水环境、水生态产生影响[1-3]。河湖水网连通对水生态环境的影响是水网连通研究领域的热点之一，很多学者对此进行了研究。部分学者认为河湖水网连通能有效改善河湖水质、水生态环境，如高强等[4]通过水网联合调控试验和测验数据，分析得到水网连通后河涌水质平均改善率达27.06%；孙静月等[5]通过建立汤逊湖-梁子湖连通的二维水动力水质模型，模拟分析得到水网连通后湖区水体置换效率高、超标水体面积比例明显降低，有效改善了水生态环境；吴庆等[6]针对枝江市金湖水体水量不足、水质恶化问题，设计从长江引水，通过建立长江-金湖连通数学模型，计算得到引水能较好地改善金湖水质。也有部分学者通过研究认为河湖水网连通有一定污染风险，如郜会彩等[7]利用数学模型预测得到汉阳湖群调水可能产生湖泊水体污染迁移；冯顺新等[8]根据2002—2003年引江济太调水前后的实测数据，评价得到调水使太湖流域水功能区富营养化指数在部分湖区下降、部分湖区升高，总体有所改善,但不显著；周宇昊等[9]通过武汉后官湖、三角湖水环境容量计算和污染指数评价，分析得到两湖连通后综合污染程度较严重，可能对水环境质量良好的后官湖造成污染威胁；崔广柏等[10]通过在常熟城区河网开展引水实验，分析得到现状河网连通下的引水对水量分配与水质改善均有限，部分断面水质甚至恶化。由此可见，河湖水网连通对水生态环境的影响因河湖而异[11]，能产生正面的环境效应，也有可能产生新的环境污染[12]。总体而言，目前河湖水网连通对水环境、水生态的影响研究集中在水质方面，关于水生态的研究偏少且以定性分析为主，而水网连通的水生态环境影响是复杂的，缺少科学计算、定量分析的研究结果不一定符合真实情况。

武汉大东湖生态水网构建了以全国最大的城中湖—东湖为中心，通过港渠将东湖、沙湖、北湖、杨春湖、严东湖、严西湖六湖连通，并与长江相连。由于功能定位和人类活动干扰的差异，六湖管理目标及水质、富营养化现状差别较大，另外，水质为地表水Ⅲ类标准的长江水中TP浓度对湖泊而言为地表水(湖、库)V类标准。在这种情况下，六湖及长江连通引水后，长江水进入湖泊、湖泊之间水体发生交换是否会产生污染转移？湖泊水体富营养化能否得到控制？鉴于此，本文以大东湖水网为研究对象，构建大东湖水网水生态环境数学模型，在模拟预测COD、TN、TP、Chl-a等富营养化评价指标的基础上，定量计算和评价水网连通前后湖泊营养状态的变化，为水网连通的水生态环境影响定量评价提供新思路，也为大东湖生态水网连通工程的管理运行提供参考依据。

2 研究区域

随着大东湖水网周边城市化进程的加快和社会经济的快速发展，大量工业废水、生活污水、养殖废水、城市降雨径流等污染进入湖泊，导致湖泊水质下降，藻类大量繁殖，富营养化日趋严重。为改善大东湖水网水生态环境，武汉市提出了“大东湖生态水网构建”，通过长江、东湖、沙湖、杨春湖、严西湖、严东湖、北湖1江6湖连通，实现“引江入湖”，促进河湖水体交换、水质改善、生态恢复。大东湖水网连通后(东沙湖已连通)，近期将通过青山港和曾家巷引长江水入东湖、沙湖、杨春湖、严西湖、北湖(严东湖在远期与梁子湖连通后引水)，引水流量为40 m3/s，引水线路包括小、中、大3个循环阶段(见图1)。

图1 大东湖水网连通后引水线路Fig.1 Water diversion lines after water network connection of the Great Donghu Lake

(1)沙湖小循环：每年4月21—30日曾家巷引水10 m3/s，流经沙湖后，通过罗家路闸站排出。

(2)东湖中循环：每年5月1—31日曾家巷引水10 m3/s、青山港引水30 m3/s，流经沙湖、杨春湖、东湖后，通过罗家路闸站排出。

(3)大东湖大循环：每年6月1日—10月31日曾家巷引水10 m3/s、青山港引水30 m3/s，流经沙湖、杨春湖、东湖后，25%水量通过罗家路闸站排出，75%水量通过九峰渠进入严西湖、北湖。

3 研究方法

3.1 水生态环境数学模型构建

3.1.1 模型基本设置

大东湖水网水生态环境数学模型计算方程包括水动力控制方程、水质质量守恒方程、藻类生长动力学方程。水动力计算包括水位、流速等，是其他方程计算的基础；水质计算包括COD、TN、TP等；藻类计算主要为藻类生物量，用Chl-a表示。模型采用笛卡尔直角坐标网格，共划分45 135个网格，x方向上网格边长约20～40 m，y方向上网格边长约25～50 m；湖底地形利用断面实测数据，采用最近临近点法插值得到。

3.1.2 模型边界条件设置

模型主要考虑入湖点源、入湖面源、底泥释放、大气沉降、气象条件、风况等对水动力、水质、藻类生长的影响。

①入湖点源：实地调研确定大东湖水网主要入湖点源有16个，根据大东湖水系内总人口日均产污量估算得到各点源入湖流量为0.142 m3/s，点源中COD、TN、TP平均浓度分别为67.1、11.18、0.77 mg/L[13]。

②入湖面源：结合大东湖区域地形，分析降雨径流汇流路径，确定大东湖水网汇水口共计24个，汇水流量根据降水量、地表汇水面积、产流系数计算；面源中COD、TN、TP平均浓度分别为36.10、17.63、1.36 mg/L[13]。

③底泥释放：TN、TP释放速率分别为60、30 mg/(m2·d)[13]。

④大气沉降：COD、TN、TP沉降速率分别为16.80、2.00、0.10 mg/(m2·d)[14]。

⑤气象条件、风况：气象条件、风况采用武汉站2014—2016年逐日实测值。

3.1.3 模型参数率定验证

采用东湖、沙湖、杨春湖、严西湖、严东湖、北湖2014—2016年实测COD、TN、TP、Chl-a浓度对模型水动力、水质、藻类等模块参数进行率定验证，模拟得到各点位、各时间点COD、TN、TP、Chl-a的模拟值与实测值总体分布特征相近，相对误差大部分在30%以内，19个主要参数确定结果见表1。

表1 水生态环境数学模型参数取值Table 1 Parameters of mathematical water eco- environmental model

3.2 富营养化评价方法

大东湖水网富营养化评价采用生态环境部推荐的“湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定”中的综合营养状态指数法(TLI)[15]。富营养化评价指标包括CODMn、TN、TP、Chl-a、透明度SD，其中TN、TP、Chl-a通过大东湖水网水生态环境数学模型模拟计算得到；CODMn根据2014—2016年实测COD、CODMn之间的相关性和模拟得到的COD换算得到；引水对透明度的影响机制较复杂，难以模拟预测，故连通前后均采用现状实测值。营养状态分级采用0～100系列连续数字，分为贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养、重度富营养。

4 研究结果

4.1 模拟工况设置

为进行连通引水前后湖泊富营养化状态的对比分析，结合引水调度方案，设置连通前、后2种模拟工况，其中连通后模拟工况包括小、中、大3个循环阶段。2种工况中入湖点源、入湖面源、底泥释放、大气沉降、气象条件、风况等边界条件均采用现状情况。连通前，各湖泊水动力边界采用控制常水位；连通后，各湖泊水动力边界中入湖口根据引水调度方案设置流量、出湖口采用引水设计水位，水质、藻类边界中入湖口采用2014—2016年同期实测长江水质、藻类生物量。大东湖水网连通前、后各工况具体边界条件设置如表2、表3所示。

表2 大东湖水网连通前工况设置Table 2 Settings of conditions before water network connection

表3 水网连通后工况设置Table 3 Settings of conditions after water network connection

4.2 模拟结果分析

以引水结束时间点为典型时刻，分析水网连通后大东湖水网各湖泊水生态环境状况，并与连通前同一时间点进行对比分析。根据模拟得到的大东湖水网连通前后COD、TN、TP、Chl-a的空间分布(由于篇幅有限，图2仅展示富营养化关键指标Chl-a)，水网连通前后各富营养化指标空间平均值变化见图3，超标水域面积比例变化见图4。

图2 水网连通前后Chl-a浓度空间分布对比(连通时间为2014-10-31)Fig.2 Spatial distributions of Chl-a concentration before and after water network connection on October 31,2014

图3 水网连通前后COD、TN、TP、Chl-a平均浓度变化对比Fig.3 Variations of average COD, TN, TP and Chl-a concentrations before and after water network connection

图4 水网连通前后COD、TN、TP超标水域面积比例 变化对比Fig.4 Proportions of areas with standard-exceeding COD, TN,and TP concentrations before and after water network connection

4.2.1 杨春湖

经过中、大2个循环阶段引水后，杨春湖水体与长江水充分交换。杨春湖水质目标为地表水Ⅳ类水质标准，COD平均浓度由19.89 mg/L降低为10.91mg/L，浓度比连通前明显降低，超标水域面积比例由16.0%降低为0；TN平均浓度由3.11 mg/L降低为1.72 mg/L，浓度比连通前明显降低，但超标水域面积比例仍为100%；TP平均浓度由0.31 mg/L降低为0.12 mg/L，浓度比连通前明显降低，但由于地表水(湖、库)Ⅳ类水质标准要求较高，引入的长江水TP浓度对湖泊而言为地表水(湖、库)V类标准，超标水域面积比例仍为100%；Chl-a平均浓度由120.81 μg/L降低为3.47 μg/L，藻类生物量比连通前明显降低。

4.2.2 沙 湖

4.2.3 东 湖

经过中、大2个循环阶段引水后，东湖水体与引水充分交换。东湖水质目标为地表水III类水质标准，COD平均浓度由10.81 mg/L降低为10.61 mg/L，超标水域面积比例由5.3%降低为5.0%，主要分布在庙湖，该部分水域水体几乎不受引水影响；TN平均浓度由1.35 mg/L升高到1.53 mg/L，浓度比连通前明显升高，尤其是受引水影响的水果湖、郭郑湖、汤菱湖、筲箕湖、团湖、后湖等水域，超标水域面积比例由62.8%增加为100%，主要原因是从东沙湖连通渠进来的沙湖水体、东湖港进来的长江引水、新东湖港进来的杨春湖水体中TN浓度均比东湖本身高，导致原本水质达标的后湖大部分水域和团湖、汤菱湖局部水域反而超标；TP平均浓度由0.09 mg/L升高到0.13 mg/L，浓度比连通前明显升高，超标水域面积比例由84.4%升高到94.9%，变化原因同TN。Chl-a平均浓度由32.37 μg/L升高到36.01 μg/L，除水果湖、庙湖等水域Chl-a浓度比连通前低，其余区域均升高。

4.2.4 严西湖

经过大循环阶段引水后，从九峰渠引入的东湖水与严西湖湖水充分混合。严西湖水质目标为地表水III类水质标准，COD平均浓度由19.81 mg/L降低为13.43 mg/L，超标水域面积比例由30.9%降低为15.4%，浓度、超标水域面积均比连通前明显降低，超标区域主要集中在受引水影响较小的北面湖区狭窄处；TN平均浓度由1.03 mg/L升高到1.58 mg/L，超标水域面积比例由19.1%升高到85.9%，浓度、超标水域面积均比连通前明显增加，主要原因是从东湖进入严西湖的水体中TN浓度比严西湖本身高，导致引水主流线路上原本水质达标的水体也超标；TP平均浓度由0.22 mg/L降低为0.14 mg/L，但由于地表水(湖、库)Ⅳ类水质标准要求较高，超标水域面积比例仍为100%；Chl-a平均浓度由15.23 μg/L升高到32.13 μg/L，浓度比连通前有所升高，尤其是是受引水影响的主流线路上。

4.2.5 北 湖

经过大循环阶段引水后，从红旗渠引入的严西湖湖水与北湖湖水充分混合。北湖水质目标为地表水Ⅳ类水质标准，COD平均浓度由18.93 mg/L降低为18.15 mg/L，超标水域面积比例由11.8%降低为11.1%，浓度、超标水域面积均有小幅度降低，尤其是受引水影响的局部水域，北部湖区排污口局部水域由于受引水影响较小仍然超标严重；TN平均浓度由3.59 mg/L降低为2.07 mg/L，浓度比连通前明显降低，尤其在引水混合稀释、污染物扩散速度加快影响下的南部湖区，但超标水域面积比例仍为100%，主要原因是北湖本身TN浓度较高；TP平均浓度由0.27 mg/L降低为0.22 mg/L，超标水域面积比例由100.0%降低为83.8%，超标浓度、超标水域面积降低幅度较小，主要是北湖本身TP浓度较高，引水影响的水域有限；Chl-a平均浓度由11.14 μg/L降低为8.73 μg/L，浓度比连通前有所降低。

4.3 富营养化影响评价

根据大东湖水网连通前后COD、TN、TP、Chl-a浓度的空间分布，计算、插值得到水网连通前后各湖泊综合营养状态指数TLI的空间分布见图5，分析得到连通前后TLI平均值、营养状态比例变化见图6。

图5 水网连通前后TLI空间分布对比Fig.5 Spatial distribution of TLI before and after water network connection

图6 水网连通前后TLI平均值、各营养状态比例变化对比Fig.6 Variations of average TLI and proportions of areas of different water trophic states before and after water network connection

水网连通对湖泊富营养化的影响分析如下。

4.3.1 杨春湖

定义1 节点集合Nodes={T,M,P,Q}。T,M,P,Q均为Nodes的子集，依次表示任务、物料、工艺、质量视图节点的集合。用t′,m′,p′,q′表示各视图的根节点，即t′表示虚拟的总任务节点，m′表示整机节点，p′表示虚拟的总工艺节点，q′表示虚拟的总质量信息节点，则有：

杨春湖综合营养状态指数TLI连通前最大为78.23、最小为76.85、平均为77.63，连通后最大为72.50、最小为38.95、平均为41.00。连通后，TLI、水体营养程度明显降低，水体由以重度富营养为主降为以中营养为主，中营养水域面积比例为96.8%，西南角局部狭窄区域水域受引水影响有限，为轻度富营养水域面积比例为3.2%。

4.3.2 沙 湖

沙湖综合营养状态指数TLI连通前最大为73.02、最小为69.95、平均为70.74，连通后最大为70.39、最小为39.49、平均为66.71。连通后，TLI有小幅度降低，尤其是受引水影响的西南面水域，水体由以重度富营养为主降低为以中度富营养为主，中度富营养水域面积比例为93.5%，西面局部水域处于轻度富营养水域面积比例为4.4%，引水口局部水域处于中营养、水域面积比例位1.4%，南面局部水域处于重度富营养状态、水域面积比例为0.7%。

4.3.3 东 湖

东湖综合营养状态指数TLI连通前最大为71.96、最小为57.72、平均为61.04，连通后最大为71.36、最小为41.56、平均为65.21。连通后，除水果湖、庙湖、汤菱湖、筲箕湖等局部水域TLI降低外，其他水域均升高。水果湖、郭郑湖、筲箕湖、菱角湖、团湖、后湖、喻家湖以及汤菱湖等大部分水域仍以中度富营养为主，中度富营养水域面积比例为87.6%；庙湖水体受引水影响有限，大部分水体仍处于重度富营养状态水域面积比例为5.3%；汤菱湖局部水域处于轻度富营养、局部处于中营养。

4.3.4 严西湖

严西湖综合营养状态指数连通前最大为78.93、最小为48.60、平均为54.57，连通后最大为77.72、最小为50.43、平均为63.99。连通后，TLI明显增加，水体由以轻度富营养为主升至以中度富营养为主，中度富营养水域面积比例为82.0%，其次为轻度富营养水域面积比例为14.8%，重度富营养水域面积比例为3.2%。

4.3.5 北 湖

北湖综合营养状态指数TLI连通前最大为60.51、最小为32.07、平均为53.48，连通后最大为54.73、最小为30.39、平均为51.26。连通后，TLI、营养程度均有小幅度降低，水体仍以轻度富营养为主，轻度富营养水域面积比例由71.2%降低为65.8%，剩余大部分水域为中营养。

5 结 论

(1)大东湖水网连通引水后，杨春湖、沙湖、北湖水质得到改善、藻类生物量减少，COD、TN、TP、Chl-a浓度均明显降低，但TN、TP仍超标严重，主要原因是本底浓度高、引水改善效果有限；东湖、严西湖水质均有一定恶化、藻类生物量增加，其中东湖COD浓度有一定降低，但大部分湖区TN、TP、Chl-a浓度明显升高，水域超标面积比例增加，严西湖COD、TP浓度降低，TN、Chl-a浓度升高，水域超标面积比例增加，主要原因是长江引水、沙湖出水、杨春湖出水TN、TP浓度均高于东湖本底值，引水后东湖出水TN浓度高于严西湖本底浓度，N、P等营养物质的增加进一步促进藻类生长，导致Chl-a升高。

(2)大东湖水网连通引水后，杨春湖、沙湖、北湖水体富营养程度均降低，其中杨春湖大部分水域由重度富营养降低为中营养、沙湖大部分水域由重度富营养降低为中度富营养、北湖仍以轻度富营养为主；东湖、严西湖富营养程度均升高，其中东湖大部分水域仍处于中度富营养、严西湖大部分水域由轻度富营养降低为中度富营养。

(3)大东湖水网各湖泊水质、藻类生长、富营养化现状差别较大，且湖泊中TP执行的水质标准比长江水严苛得多，导致水网连通引水对各湖泊的影响各有不同。由此可见，水网连通对水环境、水生态的影响是复杂的，且存在一定污染风险，河湖不能盲目连通引水。建议后期通过大东湖水网连通多情景的模拟和试算，分析水网连通潜在的生态风险和制约条件，提出水网连通和引水调度的优化对策和建议。