基于水动力水质耦合模型的城市河湖生态补水方案

摘 要：研究城市河湖生态补水对于城市的可持续发展以及满足人们的生活需求具有重要意义。沙湖港、罗家港位于武汉中心城区，是东沙湖水系引江济湖的引水通道。结合东沙湖水系整体布局和水系连通的情况，研究探讨了从长江引水补充沙湖港、罗家港的生态补水方案，通过建立二维水动力水质耦合数值模型，模拟沙湖港、罗家港生态补水方案的运行效果。结果表明，从武钢泵站引长江水，罗家港、沙湖港（青山港—罗家港段）TP和NH3-N浓度显著降低，沙湖港（徐东大街—罗家港段）虽然得到了一定程度的换水，但该段水质改善效果极其微弱。由于长江水质的TN、TP含量较高，生态补水对于降低TN浓度的效果非常有限，在利用长江补水进港渠时，还需要防止长江水带来富营养化风险。相关研究成果可为定量评估城市河湖生态补水效果提供借鉴。

关键词：生态补水方案；水动力水质耦合模型；武汉市

中图分类号：TV211" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文献标志码：A

0 引 言

随着经济社会快速发展，城市河湖水环境面临严峻挑战，城市生活污水未完全截污，初雨带来城市面源污染造成水体污染，加上城市河湖来水多依赖于降雨，非降雨时段水量较少，导致港渠水动力条件差、水环境容量小、水环境承载力低、水体生态功能退化。城市河湖在生态文明建设中发挥着重要作用，因此，研究城市河湖生态补水对于构建城市幸福河湖现代水网具有重要意义。

国外对于生态补水的研究起步较早。20世纪90年代，TVA（田纳西河流域管理局）通过优化调整所管理水库的调度运行方式，提高下泄水量和水质，以增加下游河道的最小流量，增加水流的溶解氧浓度，改善下游水域的生态环境[1]；在澳大利亚，每个州和地区都要评价“水依赖的生态环境 ”，提出水资源可持续利用和恢复生态环境的分配方案，且方案必须考虑5～10年后可能出现的情况，并利用相关数据重新调整径流季节变化特征，以达到最佳的生态状态[2]。

与国外相比，国内对于生态补水的研究起步较晚。张丽等[3]以常州蔷薇湿地公园为例，提出了“垂直流水平流”的生态补水复合模式，该模式具有较好的经济效益和环境效益。罗鸿兵等[4]采用景观水法和一维水量水质模型确定了新圳河河道补水量，选择固戍污水处理厂再生水为补水来源，并对其生态补水工程进行了设计。刘江侠[5]采用“过程匹配、典型归类”的方法，针对4种不同类型的补水年份制定了农业和生态补水方案。冯亚辉等[6]研究了利用南水北调工程初期剩余水量进行白洋淀生态补水的可能性，并对输水路线方案进行了比选。此外，近年来我国相继实施了一些跨省份、跨流域的生态水源调度工程[7]，用以修复湖泊生态环境，实现水资源可持续利用、社会可持续发展和保护生态环境的目的。

沙湖港、罗家港位于武汉中心城区，是东沙湖水系排涝明渠的重要组成部分，也是东沙湖水系引江济湖的通道[8-9]。目前沙湖港、罗家港主要来水是降雨径流和污水处理厂中水，其中中水占全年来水量95%以上，年平均流量在6 m3/s以上。随着“四厂合一”污水深隧建成运行，沙湖、二郎庙、落步咀三座污水厂收集的污水由深隧统一集中至北湖污水厂，沙湖港、罗家港来水剧减，多年平均流量仅0.39 m3/s，港渠水质、生态和景观面临严峻挑战，直接影响东沙湖水生态系统良性循环。因此，亟需寻找有效可行的方案，来改善沙湖港、罗家港水生态环境，提升城市景观品质。

本文对沙湖港、罗家港的水质水量变化情况进行详细分析，结合项目周边可利用的水资源，根据沙湖港、罗家港运行功能的需求，研究探讨从长江引水补充沙湖港、罗家港的生态补水方案，通过建立二维水动力水质耦合数值模型，评估沙湖港、罗家港生态补水方案运行效果，为改善城市港渠生态景观提供参考。

1 研究区域概况

东沙湖水系位于武昌地区中北部，汇水范围北起武青堤，南至武珞路、珞喻路，西起长江，东至厂前路、王青公路（见图1）。根据自然地势、现状排水分区及排水调度的关系，可分为内沙湖、外沙湖、水果湖、东湖和罗家路直排区等五个汇水区，汇水区总面积为174 km2，汛期涝水由前进路、新生路和罗家路三座泵站提排出长江，总提排规模149 m3/s，非汛期涝水由罗家路闸和曾家巷闸自排出长江。

2 二维水动力水质耦合模型构建

2.1 模型原理

所研究的港渠平均水深低于3 m，属于典型的浅水河道，垂直方向不存在明显的分层现象，可采用二维浅水动力学模拟，包括三个方程：连续性方程（式（1））、水流沿水平x方向动量方程（式（2））和水流沿水平y方向的动量方程（式（3））。

式中：t为时间（s）；n为曼宁糙率系数；x、y分别为直角坐标的横坐标和纵坐标（m）；u、v分别为x、y方向的流速分量（m/s）；z、h分别为x、y处的水位和水深（m）；g为重力加速度。

水质模拟是在水动力模型的基础上进行的，水动力模型为水质模型提供水体水位和流场变化，水质模型根据不同的外界条件模拟不同污染物质的浓度及分布变化。污染物的对流扩散方程为

式中：c为复合浓度（常量）；u、v分别为x、y方向上的水平速度（m/s）；h为水深（m）；Dx、Dy分别为x、y方向上的扩散系数（m2/s）；F为线性衰减系数（s-1）；S =Qx（cs-c），Qx为源汇项流量（m3/（s·m2）），cs为源汇项处化合物的浓度；u、v、h由水动力学模块提供。

二维水质模型主要考虑旱季补水期间的对流扩散模拟。

2.2 模型概化

依据沙湖港、罗家港及其周边的地形地貌、水系分布、污染源分布以及湖泊内闸坝、桥涵等构筑物的结构特征，建立二维水动力水质耦合模型。模型采用三角网格对港渠进行二维网格概化。通过网格点将求解区域覆盖，对其进行空间和时间离散求解。采用网格划分工具进行模型概化，提升网格结构的平滑性，减小计算误差，保证模拟的稳定性和准确度，如图2、图3所示。

2.3 模型率定与验证

采用基于InfoWorks ICM的雨、污水管网和河湖模型构建二维水动力水质模型。依据2016年6—7月实测资料，对水系管网、路网、水工建筑物等发生变化的构筑物参数进行复核校验，率定后模型的模拟水位过程与监测水位过程的趋势吻合较好（见图4），Nash-Sutcliffe效率系数达到0.9左右。

3 生态补水方案分析

沙湖港和罗家港目前的来水主要包括两个部分：一是沙湖污水厂、二郎庙污水厂、落步咀污水处理厂的尾水；二是港渠排口来水。沿线地区雨水进入港渠，是港渠来水源头之一。

沙湖港、罗家港生态补水量不仅要满足水量要求，还需要满足水质要求。水质与水量保证的基础是水体的水环境容量属性，该属性保证了在某一水量条件下所接纳污染物量。经分析，可供补水的水源有长江、沙湖、东湖。通过分析长江、东湖水源与两港水位差别、水质差别，推荐的常态补水路线为从武钢泵站引长江水，即长江→武钢泵站→青山港→沙湖港→罗家港→长江（见图5）。

4 模型的建立与模拟

4.1 现状水质条件分析

沙湖污水厂、二郎庙污水厂和落步咀污水厂的尾水月平均出水量分别为15.74万、25.21万、10.45万m3/d，旱季（11月—翌年4月）通过罗家路泵站抽排或罗家路闸自排，河道水位由初始19.0m降低至18.8 m的情况下，河道整体流速较缓，其中：罗家港流速为0.08～0.15 m/s；沙湖港（沙湖－罗家港段）流速为0.08～0.28 m/s；其它段河道流速均小于0.1 m/s。旱季污水厂尾水入流后，在控制河道常水位19.0 m的情况下，河道的总体流速缓慢，均小于0.3 m/s。

由两港的水质监测数据可知（见图6），在三个污水厂尾水排入港渠后，两港的CODCr浓度介于Ⅱ类与Ⅳ类水之间；TN浓度几乎全部大于2 mg/L；NH3-N浓度大部分大于2 mg/L，个别监测点浓度介于1～2 mg/L之间；TP浓度大部分大于0.4 mg/L，个别监测点浓度为0.2～0.4 mg/L。

4.2 模拟方案边界条件

在进行河道补水之前，考虑18.0 m的初始水位作为补水前的河道状态。由于入河管网排口晴天无污水入河，河道底泥在得到清淤后，内源对河道补水期间的影响可忽略。另外，补水期间不考虑降雨面源输入。补水前河道初始水质为现状河道水质。补水量按三个污水厂尾水日产生量之和6 m3/s考虑。

4.3 生态补水方案水质分析

4.3.1 NH3-N

河道现状NH3-N浓度平均约3.5 mg/L，从武钢泵站引长江水对河道进行6 m3/s补水，连续补水2 d后，罗家港、沙湖港（青山港－罗家港段）的NH3-N浓度大幅下降，均由现状的3.5 mg/L下降至0.5 mg /L左右，可达III～IV类水（见图7）。沙湖港（徐东大街—沙湖段）换水效果较差，换水后NH3-N仍为劣V类。

4.3.2 TN

河道现状TN浓度平均约8.3 mg/L，从武钢泵站引长江水对河道进行6 m3/s补水，连续补水2 d后，罗家港、沙湖港（青山港－罗家港段）的TN浓度下降明显，均由现状的8.3 mg/L下降至3～5 mg/L左右，但仍为劣V类水（见图8）。沙湖港（徐东大街－沙湖段）换水效果较差，换水后TN仍为劣V类，超过8 mg/L。

4.3.3 TP

河道现状TP浓度平均约0.75 mg/L，从武钢泵站引长江水对河道进行6 m3/s补水，连续补水2 d后，罗家港、沙湖港（青山港－罗家港段）的TP浓度下降明显，均由现状的0.75 mg/L下降至0.12 mg/L左右，可达III～IV类水（见图9）。沙湖港（徐东大街－沙湖段）换水效果较差，换水后TP仍为劣V类。

综上可知，从武钢泵站引长江水，且补水量为6 m3/s情形下，对河道进行补水2 d后，罗家港、沙湖港（青山港－罗家港段）的TP和NH3-N浓度显著降低，可达III～IV类水；TN浓度也显著降低，但由于长江水的TN浓度超过2 mg/L，补水后的港渠仍为劣V类水。沙湖港（徐东大街－沙湖段）换水效果较差，TP、TN和NH3-N均为劣V类水。

5 结 论

（1）以长江为补水水源，通过武钢泵站以6 m3/s引水方式进入河道，建立二维水动力水质耦合数值模型。模拟效果较好，与现状水动力与水质条件基本吻合。

（2）从武钢泵站引长江水，罗家港、沙湖港（青山港—罗家港段）TP和NH3-N显著降低，沙湖港（徐东大街—罗家港）虽然得到了一定程度的换水，但该段水质改善效果极其微弱。

（3）由于长江水体的TN浓度超过2 mg/L，从长江补水能够降低河道的TN浓度，但补水后仍为劣V类水。

（4）由于长江水体的TN、TP含量较高，在利用长江补水进港渠时，虽然能够一定程度上降低港渠内TP和TN浓度，但补水后仍为劣V类。通过引长江水源对沙湖港、罗家港进行生态补水并不能达到提升水质的目标，引水时还需考虑长江水带来富营养化的风险。

由于目前监测数据极其有限，支撑深入研究的数据基础较薄弱，现状晴天入河的实际污染负荷、雨天的雨水径流污染，以及合流制管道的溢流污染在本文研究中暂未涉及。下一步还需结合观测资料，开展汛期、非汛期以及各类污染入河后的对流扩散、混合排放、生化降解、累积沉淀等复杂实际过程的模拟分析，以辅助各种情形下的优化调度决策。

参考文献：

[1] 万芳. 乌梁素海生态补水研究[D]. 西安：西安理工大学，2009.

[2] 王西琴. 河流生态需水理论、方法与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[3] 张丽，朱晓东，陈洁，等. 城市湿地公园的生态补水模式及其净化效果与生态效益[J]. 应用生态学报，2008，19（12）：2699-2705.

[4] 罗鸿兵，罗麟，黄鹄，等. 深圳市新圳河生态补水研究及应用[C]//2009年全国城市水利学术研讨会暨工作年会论文集. 深圳：中国水利学会城市水利专业委员会秘书处，2009：194-203.

[5] 刘江侠. 南水北调通水初期海河流域农业和生态补水方案研究[J]. 海河水利，2011（1）：9-10，14.

[6] 冯亚辉，李书友. 白洋淀生态补水分析与研究[J]. 水利科技与经济，2013，19（6）：37-39，49.

[7] 邹朝望，孙媛媛. 城市浅水湖泊水质水量联合调度研究[J]. 三峡生态环境监测，2017，2（3）：25-34.

[8] 曹慧群，李晓萌，罗慧萍. 大东湖水网连通的水动力与水环境变化响应[J]. 人民长江，2020，51（5）：54-59.

[9]罗慧萍，唐见，曹慧群，等.水网连通对大东湖富营养化的影响[J].长江科学院院报，2021，38（9）：48-54，63.

Ecological Water Replenishment Scheme for Urban River and Lake Based on Hydrodynamic and Water Quality Coupling Model：A Case Study of Donghu-Shahu Lake Water System in Wuhan City

XIE Shan1，QIAN Xiaoyan1，XIANG Biwei1，YANG Sen2，LI Erming1

（1. Wuhan Institute of Water Affairs Science Research （Wuhan Water and Soil Conservation Monitoring Station），Wuhan 430010，China；2. Ewaters Environmental Science and Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：Ecological water replenishment of urban rivers and lakes is of significant importance for the sustainable development of cities and meeting people's living needs. Shahu Port and Luojia Port are located in central urban area of Wuhan and serve as water diversion channels for Donghu-Shahu Lake water system in river diversion project from the Yangtze River to the Lakes. This paper explores the ecological water replenishment scheme for diverting water from the Yangtze River to the Shahu Port and Luojia Port，taking into account the overall layout of Donghu-Shahu Lake water system and its connection. A two-dimensional hydrodynamic and water quality coupling numerical model is established to simulate the operation effects of ecological water replenishment scheme. Results indicate that concentration of total phosphorus and NH3-N decrease significantly in Luojia Port and Shahu Port （from Qingshan Port to Luojia Port section） when diverting water from Wuhan Iron and Steel Pump Station. Although there is a certain degree of water exchange in Shahu Port （from Xudong Street to Luojia Port section），the improvement of water quality in this section is extremely limited. Due to the high concentration of total nitrogen and total phosphorus in the Yangtze River，effect of ecological water replenishment on reducing total nitrogen concentration is very limited. Therefore，it is necessary to prevent the risk of water eutrophication when diverting water from the Yangtze River to port channels. The research findings can provide a reference for the quantitatively assessment of ecological water replenishment of urban rivers and lakes .

Key words：ecological water replenishment scheme；hydrodynamic and water quality coupling model；Wuhan City