水动力方法改善品清湖水质的可行性及优化方案

关键词：MIKE21;水动力;水质;环境修复;品清湖

中图分类号：X55 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2024）03-0016-12

0 引言

潟湖是具有丰富自然资源的宝贵生态系统，近些年来人类活动频繁，如产业开发、基础建设和海岸渔业等，对潟湖的有效水域面积和水环境造成严重影响，使潟湖不断萎缩，生态环境日趋恶化[1]。潟湖具有潮汐通道窄，与邻近海域水体交换有限，自净能力弱，生态系统敏感等特点，导致生态环境更容易受到陆源污染的影响[1-2]。保证良好的水动力是保证潟湖生态保护系统可持续发展的基础，对于潟湖生态修复和工程开发都具有重要意义[3]。

目前科研工作者就潟湖演化[4-6]、相关分布特征[7-9]以及工程对潟湖的影响评估[10]等方面进行了较为广泛的研究，但采取人工措施提升水动力改善潟湖水质鲜见报道。传统的水动力分析方法由于数据不易获取，并且易受制于许多其他因素，目前采用数值模拟方法进行水动力分析已经成为主流[11]。刘尚辰等[12]基于MIKE21模型建立了新村潟湖及附近海域的水动力数值模型，通过水体自净速率、半交换时间和停留时间3种指标，对新村潟湖的水体交换能力进行了分析，阐述了潟湖各个区域水体交换能力的基本规律。李水娟等[13]建立水动力模型，分析了连通湖泊后水生植物受到湖水水动力和盐度的影响状况，为科学规划陵水县的发展提供依据。

品清湖作为亚洲第二大潟湖，具有典型的沙坝潟湖特征和污染特征，主要污染来源为海水养殖、生活污水、地表径流、渔船废水等，在潟湖修复和保护研究中具有重要的代表性。因此，本研究以品清湖为例，采用MIKE21软件构建品清湖水动力模型，基于品清湖的水文、水质以及地形地貌的现场勘测数据，模拟分析了17种改造工况对品清湖水动力、纳潮量、水体更新时间的影响;筛选综合提升效果好、改造工程量小的工况耦合水质模型进行模拟，进一步分析了优选工况下的水质提升效果。研究成果可以为潟湖提供改造和模拟案例，为品清湖的开发与环境修复工程实施提供依据。

1 研究区域概况

品清湖位于汕尾市中心城区东南面，是中国大陆最大滨海潟湖[14]，基本形态特征见图1和图2。品清湖口门朝西，潮汐通道沿西北向延伸，与红海湾相通。水文监测结果显示品清湖海域属于混合潮中的不正规半日潮型，潮流呈现明显的往复特征，流速从连接外海的西部自西向东减弱。品清湖曾由于生活污水直排、入湖河涌污染和水动力不足等问题，导致水质恶化、绿藻灾害暴发[15]。

2022年，汕尾市政府成立了品清湖管委会，加大品清湖整治力度，使品清湖污染状况得到了很大的改善，但由于品清湖沿湖排水口较多，集水面积大，陆源污染难以在短期内全部阻断，且品清湖水动力较差，污染物无法快速扩散和降解，品清湖仍存在局部水质超标的现象。根据2022年品清湖水质监测数据显示，湖内主要超标因子为无机氮和活性磷酸盐，其浓度超出了《海水水质标准（3097—1997）》的四类水质标准。

本研究根据污染程度及水动力分布情况，将品清湖内湖划分为东区、西区、中区和避风塘区域（图1）。

2 数据和方法

2.1 模型基本方程与相关计算方法

本研究模型包括水动力模块、对流扩散模块和ECOLab水质模块，其中水动力模块和ECOLab水质模块的基本方程详细介绍见文献[16]，对流扩散模块的基本方程详细介绍见文献[17]。其他相关计算方法如下。

（1）水体更新时间。基于保守物质对流扩散模型，采用欧拉法计算水体更新时间。假设品清湖内保守物质的初始质量浓度为1mg/L，红海湾及其他陆源进水口质量浓度为0mg/L，当模型中湖内浓度下降至37%的阈值，则认为水体已经完全交换[18-19]。

（2）纳潮量。通过计算每个网格中的纳潮量后进行加和得出总纳潮量，计算公式如下。

2.2 数据来源与参数设置

利用MIKE21软件自带的网格生成器构造研究地形网格，其中陆地边界数据和高程数据来源于中国人民解放军海军海道测量局出版的《电子海图》和本研究团队实地测绘的比例尺为1∶2000的CAD地形图，坐标系采用CGCS_2000_3_Degree_GK_CM_114E。为了避免计算过程中出现由于网格尺寸突变导致的计算过程不稳定的现象，对网格进行逐级加密，网格数和节点数分别为22287个和11604个（图3）。模拟时间为2022年12月1日至2023年1月16日，时间步长为180s，涡黏系数为0.3，根据地形和水深，不同区域设置不同糙率，经过多次验证，曼宁系数设置为0.014～0.03。模型设置的排水口数量与位置见图3。

以汕尾市生态环境局2020—2022年监测数据为基础，通过水文比拟法对缺失的排水口水量进行估算，根据旱涝季多年平均降雨量比例（0.164）估算旱季排洪渠排水量。通过各排水口历史监测数据平均值计算污染物通量，对于部分水量小且未曾监测水质的排水口，通过地理位置接近、接收污水类型一致等原则根据其他排水口水质数据进行概化，具体水量数据见表1。

本研究中水质状态变量包括溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）。考虑品清湖主要为无机氮、磷超标的污染特征，本研究仅讨论TN 与TP的变化。TN、TP生化过程包括有机物降解释放氮磷过程、生物转化以及底泥释放氮磷过程，表达式如下：

根据品清湖实测数据多次验证调整，确定水质模型的主要参数（表2）。温度、盐度取模拟月份的实际监测平均值，分别为15.6℃和32.5‰。

2.4 水动力提升工况设计

根据品清湖特征，设计了拓宽纳潮口、拆除防波堤、改建运河以及疏浚4种模拟方案合计17种改造工况，模拟工况见表3，各工况中涉及位置见图1。

2.5 水质模拟研究

对筛选出来的水动力提升效果相对较好、工程量相对较低的工况（工况2、工况3和工况9）进行进一步的水质模拟分析。鉴于污染物浓度随潮汐变化且相差较大，进行水质分析的平均浓度取一个潮周（从大潮到小潮）的平均值（图5），即2022年12月24日至2023年1月1日模拟平均值。

3 结果与讨论

3.1 水动力验证结果

水动力模型验证结果见图6和图7。潮位的效率系数S为0.99，流速和流向验证站点S值分别在0.83～0.96和0.80～0.95，平均值分别为0.9和0.89，可见水动力模拟结果可有效反映实际情况，可以用于后续设计工况的水动力模拟和水质模拟。

3.2 水动力模拟结果与讨论

各工况平均流速、纳潮量及平均水体更新时间及变化见表4。结果显示，工况1的平均流速为0.076m/s， 其中品清湖西区、中区、避风塘和东区平均流速分别为0.164m/s、0.074m/s、0.031m/s和0.037m/s，与品清湖实际监测情况相吻合;平均水体更新时间约为5.8d，其中避风塘区域水体更新时间约为11.5d，与韩春阳等[22]模拟的60d左右有较大差距。本模型是基于考虑品清湖陆源排水的情况下所模拟的结果，当不考虑陆源排水时，模拟结果与其接近，约54d;品清湖大潮期纳潮量约为4.61×107m³，其中9：00-21：00纳潮量约为3.36×107 m³，与断面流量监测的实际纳潮量为3.51×107m³相接近（图8）。整体上模型模拟精度高，模拟流速、纳潮量以及水体更新时间结果可靠。

拆除防波堤方案中，拆除1/2防波堤（工况2-3）对纳潮量和流速的改善效果与全部拆除防波堤（工况4）接近，水交换能力的改善优于全部拆除。拆除防波堤加强了避风塘的环流，能有效改善品清湖中部、西部和避风塘水动力，对东南部水动力有一定削弱，拆除防波堤时应考虑综合效益。从成本、水动力提升效果及保持避风塘使用功能等方面考虑，拆除1/2防波堤效果均更佳。拆除1/2防波堤的两个工况能分别提高品清湖整体流速和纳潮量10.42%～10.70%和2.17%～2.48%，降低水体更新时间21.44%～23.13%。

拓宽纳潮口方案中，拆除沙舌能使品清湖内湖水体更快地与外海水体进行交换，使水体更新能力大大提高，但除沙舌口外，崩坎角口门也是限制潮水进入品清湖的主要因素，因此虽然全部拆除沙舌时能减少80.54%的水体更新时间，增加37.09%的水体流速，但会减少1.31%的纳潮量。拆除崩坎角和拆除沙舌有很好的协同作用，相比于单独拆除时的改善效果有显著提高，工况9分别提高品清湖整体流速和纳潮量32.25%和1.68%，减少水体更新时间21.49%。综合考虑水动力提升效果、工程量以及沙舌为品清湖特色等因素，工况9更具优势。

引入外来水源能有效提高品清湖水动力，补水50 m³/s时分别提高品清湖整体流速和纳潮量15.99%和2.30%，减少水体更新时间47.9%。但品清湖运河开挖工程量较大，该效果远不足以补偿开挖运河所带来的巨大成本以及可能产生的环境影响。如果其他潟湖拥有邻近且干净的水源，该方法或许能起到不错的效果。

疏浚具有增加库容、清除内源污染等重要作用，但是对水动力影响较小。各疏浚工况中，东区疏浚对品清湖改善最佳，分别提高品清湖整体流速和纳潮量0.91% 和0.37%，减少水体更新时间4.27%。水动力的影响与疏浚的位置和疏浚量有关。

不同方案之间的组合工况对于水动力的提升效果并不一定能叠加，本研究中设计的组合工况（工况17-18）效果与其中单个工况相接近，甚至不如单个工况。

总体而言，工况2（拆除离岸端1/2防波堤）、工况3（拆除近岸端1/2防波堤）和工况9（拆除1/4沙舌和部分崩坎角）对品清湖流速、纳潮量以及水体更新时间改善效果均较好，工程量相对较低且能保留品清湖特色，因此选取这3个工况耦合水质模型进一步分析水质变化情况。

3.3 水质验证结果

水质验证结果见图9。TN 和TP的PB值分别为5.7和5.1，模型评价为极好，可用于设计工况水质模拟。

3.4 水质模拟结果与讨论

污染物浓度分布上（图10），工况2、工况3和工况9均呈现排水口所形成的高浓度场范围减小，湖内污染分布更加均匀的趋势。工况2和工况3促进避风塘水体与其他区域水体的混合，加大了水体往避风塘和小岛左侧通道的环流，且工况3下避风塘与其他区域混合更为均匀，工况9则主要影响主潮汐通道，促进品清湖东区、中区、西区与外海的混合，对避风塘影响较小。

水质提升效果上（图5），工况2、工况3和工况9水质提升效果均较好，TN 的浓度相对工况1分别下降了9.6%、9.0%和10.7%，TP的浓度分别下降了11.7%、11.2%和13.0%。工况9去除效果最优，工况2和工况3去除效果相接近。

4 结论

17个水动力水质提升方案中，工况2、工况3和工况9对品清湖流速、纳潮量、水交换能力和水质提升效果均较好，且成本相对较低，提高品清湖平均流速（10.42% ～32.25%）和纳潮量（1.68% ～2.48%），减少水体更新时间21.44%～23.13%;去除9.0%～10.7%的TN 和11.2%～13.0%的TP。3个工况各有优势，其中工况9水动力水质改善效果最佳，工况2和工况3改善效果相接近，但工况9工程量相对更高。3个工况不适合共同实施，共同实施效果与单个工况相接近，甚至不如单个工况。

总体而言，工况2、工况3和工况9能在相对较低成本下有效提高品清湖水动力和水质。可通过拆除1/2防波堤或同步拆除1/4沙舌和部分崩坎角的方式提高品清湖水动力和水质，或可通过透水式改造达到相似的效果。其他潟湖水动力水质提升可考虑根据潟湖特色通过拓宽纳潮口、水源输入、合理疏浚以及改造内湖中的阻水构筑物进行设计模拟，从中筛选效果最佳的方式。