博斯腾湖北岸水系连通对大湖区水环境影响分析

陈雪峰

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖[1]，主要由开都河流域和孔雀河流域组合，总面积7.7×104km2[2]，是博斯腾湖流域人民生产生活的主要水源和生态屏障。为了有效改善博斯腾湖水环境面貌，增加入湖水量，现对北岸水系连通对博斯湖入湖水动力、水质影响情况进行探讨。

1 存在问题

近50a来，随着区域经济社会发展进程中的水土资源高强度开发利用，入湖径流的拦截，工业排污和农业污染的加剧，导致博斯腾湖水环境呈恶化趋势，具体表现在以下几个方面：①湖泊萎缩，水量减少；②水质咸化、矿化度上升；③水质恶化，富营养化加剧；④地表径流减少，进入到水体中营养物和污染物的浓度增加；⑤水动力不足，水污染加剧等[3]。

2 北岸水系情况

博斯腾湖入湖河流主要有开都河、黄水沟、清水河等，多年平均入湖径流量为26.8亿m3，其中只有开都河直接流入博湖，为博湖的主要补给水源，占到了补给总量的84.7%。孔雀河是博斯腾湖唯一的出湖河流，平均每年流出量为12.5亿m3。博斯腾湖北岸清水河、曲惠沟、乌什塔拉河等支流，仅在洪水季节才有少量洪水汇入博斯腾湖。清水源发源于和静县合依都它乌山系冰川区，河长88.21km，多年平均径流量1.1×108m3，是博斯腾湖第三大入湖河流。曲惠沟发源于哈依都他乌山系南麓，全长60km，多年平均径流量0.17×108m3。乌什塔拉河发源于哈依都他乌山系南麓冰川区，全长80km，多年平均径流量0.5×108m3。鉴于博斯腾湖水动力条件较差的情况，考虑连通北岸支流水系以改善博斯腾湖水动力和水环境条件。

3 研究方法与模型构建

3.1 研究方法

本次研究采用DHI开发的MIKE软件构建博斯腾湖水动力-水质-水生态数学模型，模拟博斯腾湖北岸水系连通后湖区水流流场、污染物浓度场和水生态环境分布特征。模型的水动力-水质模块控制方程如下[4]。

水流连续性方程：

(1)

水流动量方程：

(2)

浓度对流扩散方程：

(3)

k-ε双流体模型：

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

式中，ρ—水的密度；CS—水中声的传播速度；ui—xi方向的速度分量；Ωij—克氏张量；p—压力；gi—重力矢量；vT—紊动黏性系数；δ—克罗奈克函数；k—紊动动能；ε—紊动动能的耗散率；C—浓度；DT与DC—相关的浓度扩散系数；t—时间；SS—各自的源汇项(每个方程的均不相同)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε、σT—特征值；β—容量扩张系数；φ—浮力标量。

3.2 模型构建

本次研究采用非结构三角形网格对博斯腾湖区域进行划分。计算网格尺寸100～300m，每个网格平均64439m2，计算区域共13257个网格节点，25583个网格单元。对于博斯腾湖水位变化的动边界，采用“干湿判别法”处理计算。根据数据资料完整度及博湖实际情况，选取COD和矿化度作为水质指标进行模拟计算。模型计算初始流速为0，初始浓度场为17个水质监测点数据插值得到，每次模拟计算时，计算时间提前3个月开始，使模型达到稳定的流场和浓度场。

3.3 模型参数率定与验证

为验证模型参数设置合理性及模型计算结果的准确性，需对模型相关参数进行率定，对模拟结果进行验证。博斯腾湖现有17个水质监测点的长序列水质资料，本次选用2018年水质数据进行模型参数率定，选用2019年水位数据进行模型验证。模型需要率定的水质参数主要为各水质指标扩散系数和降解系数等。率定验证选用的水质评估指标为博斯腾湖大湖区水质超标的COD和博斯腾湖指标矿化度。

通过反复计算，率定得到博斯腾湖水生态动力学扩散系数D=0.05m2/s，K20COD=0.02，K20NH3-N=0.06，K20TN=0.008，K20TP=0.05.使用率定的模型参数计算2019年博斯腾湖水质过程并与检测结果进行比较，17个国控监测点的水质模拟值与实测值比较结果表明，博斯腾湖水生态动力学模型可以较准确的反映博斯腾水动力和水质的变化过程，模拟结果可信。

3.4 模拟工况设定

博斯腾湖北岸清水河、曲惠沟、乌什塔拉河等支流水系的水源，均为开都河，因此以黄水沟与开都河的径流比例为参考，同时考虑开都河农业灌溉用水等因素，设置丰水年、平水年、枯水年3种北岸水系的流量条件模拟工况，模拟工况见表1，3条支流在丰、平、枯水文年入湖水量如图1所示。

图1 博斯腾湖北岸支流水系流量变化过程

表1 博斯腾湖北岸支流水系连通工况设定表

4 计算结果分析

4.1 北岸支流水系连通对博斯腾湖水动力条件的影响

利用模型分别模拟现状条件下及不同补水量条件下的北岸支注水系连贯时博斯腾湖水动力变化情况，模拟结果显示，北岸支流水系连通后，并未改变博斯腾湖主要的水动力特征，湖区仍呈现明显的风生湖流特征，湖岸区域流速大，湖心区域流速小，仅北岸支流入湖处的流速明显增大，统计北岸支流水系连通前后博斯腾湖水动力条件变化情况见表2，如图2所示。

图2 北岸支流水系连通前后博斯腾湖流速变化

表2 北岸支流水系连通前后博斯腾湖流速变化统计表 单位：cm/s

由表2和图2可知，北岸支流水系连续后，博斯腾湖水动力条件有了一定的提升，流速较现状条件增大。北岸支流水系在丰、平、枯3种来水工况下，博斯腾湖区平均流速由现状的0.82cm/s分别升高为0.9、0.86和0.84cm/s。为更直观的表示湖区流速变化，统计3种工况下补水前后湖区流速变化差值，可知，丰平枯3种补水工况下，湖区流速增大的面积分别占博斯腾湖总面积的68%、65%和62%。

4.2 北岸支流水系连通对博斯腾湖水质的影响

利用模型分别模拟北岸支流水系连通后不同补水量时博斯腾湖水质变化情况可知，北岸支流水系连通后，并未改变博斯腾湖主要的水质分布特征，湖区大部分区域COD均超过20mg/L。统计北岸支流水系连通前后博斯腾湖COD浓度变化情况见表3，如图3所示。

图3 北岸支流水系连通前后博斯腾湖COD浓度变化

表3 北岸支流水系连通前后博斯腾湖COD浓度变化统计表

由表3和图3可知，北岸支流水系连通后，博斯腾湖水质状况有了一定的提升，湖区平均COD浓度较现状条件略微降低。北岸支流水系在丰、平、枯3种来水工况下，博斯腾湖湖区平均COD浓度由现状的22.1mg/L分别降低为20.5、20.8和21mg/L，更接近Ⅲ类水标准。

为更直观的表示湖区水质变化情况，统计3种工况下补水后湖区COD浓度变化差值可知，丰平枯3种补水工况下，湖区COD浓度降低的面积分别占博斯腾湖总面积的68%、65%和62%。

4.3 出入湖水量对博斯腾湖水环境的影响

统计2019—2021年博斯腾湖出入湖流量、水质和5个水功能区的COD浓度，如图4所示。并使用pearson相关性分析法分析出入湖流量、水质与各水功能区COD浓度的相关性，见表4。

表4 近3a博斯腾湖出入湖海流量水质与湖区水质的相关性

从入湖水质来看，宝浪苏木和黄水沟的入湖水体中COD浓度基本小于20mg/L，因此入湖河流对博斯腾湖水环境具有一定的提升作用。从入湖流量与博斯湖5个水功能区COD浓度的相关性来看，博斯腾湖的入湖流量与湖区内Ⅰ区和Ⅱ区的水环境质量无明显相关性。黄水沟入湖水量只与Ⅳ区水环境质量有较弱正相关关系，入湖水量与Ⅲ区水环境产生影响，对Ⅴ区水环境影响较弱，Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区的水环境基本与入湖河流无关，造成这一现象的原因是由于博斯腾在风力作用下产生的风生环境结构所导致的。

综上分析可知，入湖水量增加虽然有利于改善博斯腾湖水质，北岸水系连通使博斯腾湖水动力条件有了一定的提升，但由于湖区水流速缓慢，水动力特征仍呈现明显的风生湖流特征。北岸三条河流的水量有限，大多只会在汛期流入博斯腾湖，仅在流入区西南角泵站处和北岸支流入湖处改善水质，使得COD浓度低于20mg/L，整体湖区水质分布特征并未发生变化。

5 结语

博斯腾湖的水环境恶化，直接威胁到沿湖群众用水和区域生态环境安全。水环境的改变不仅取决于水量的增加还有水动力条件。基于博斯腾湖水环境存在的问题，经过水生态动力学模型构建和分析探讨可知，北岸水系连通后，虽然在丰平枯3种来水工况下，使得博斯腾湖湖区平均流速由现状的0.82cm/s分别升高为0.9、0.86和0.84cm/s，COD浓度由现状的22.1mg/L分别降低为20.5、20.8和21mg/L，但由于水力不足，水量有限，北岸水系连通产生的流速增大和COD浓度降低的面积仅占博斯腾湖总面积的68%、65%和62%，对于整个湖区水环境来说作用力太小，要想改善博斯腾湖水环境现状必须采取综合的有效的治理措施，为类似湖泊水环境治理研究提供了借鉴。