基于MIKE21研究生态补水对巢湖水质时空分布的影响*

黄 明 马飞虎# 匡 武 孙亚敏

(1.安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽建筑大学遥感与地理信息系统研究所,安徽 合肥 230601;3.安徽省生态环境科学研究院,安徽 合肥 230061;4.安徽省生态环境监测中心,安徽 合肥 230061)

巢湖是我国五大淡水湖之一,近年来巢湖水环境有所改善,但巢湖富营养化问题依然存在。巢湖东半湖是巢湖市的饮用水水源地,环巢湖区域是当地著名的景观水体,其水环境质量直接影响到巢湖市居民用水和旅游观光的经济收入。改善湖泊富营养化问题,要综合考虑长期和短期治理方案,长期方案的重点在于减少污染物进入湖泊,治理好湖泊流域内的点源和面源污染;短期方案是实施有效的工程措施降低湖泊污染物浓度,其中生态补水是改善湖泊水环境的重要手段之一。关于生态补水对水环境的改善研究,JIANG等[1]发现“南水北调”东线二期工程的实施加快了湖区水质变化频率,形成了由东南向西北的水流流向,对洪泽湖水质起到了改善效果;ZHANG等[2]利用MIKE21软件构建水动力水质耦合模型,模拟生态补水对白龟山水库水质的改善作用,发现在大流量补水条件下,水动力条件和水库复氧效果良好,水质改善效果最佳;WANG等[3]建立了巢湖三维水动力水质耦合模型,研究生态补水对巢湖水体生态环境的影响。可见,数理模型是研究湖泊水动力和水质改善效果的常用手段。

引江济淮工程被称为安徽的“南水北调”,自南向北分为引江济巢、江淮运河、淮水北调3段,本研究主要针对引江济淮工程中引江济巢段的生态补水路线进行研究。由于引江济巢的长江水量和水质对巢湖的水动力和水质变化会产生一定影响,且巢湖流域内的点源和面源污染尚未得到完全控制,因此,本研究利用MIKE21软件建立巢湖水动力水质耦合模型,研究引江济巢工程实施前后,巢湖的水动力和水质变化过程,尤其研究引江济巢工程对南淝河入湖口、巢湖饮用水水源地等敏感区域的水质影响,研究结果对于巢湖水环境质量的精细化管控具有重要意义。

1 研究区域与模型构建

1.1 研究区域概况

巢湖位于东经117.25°～117.85°、北纬31.43°～31.73°,多年平均水位为8.52 m,平均水深为2.69 m,属于浅水湖泊[4-5]。巢湖湖泊面积为769 km2,主要入湖河流有杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河和兆河,这些河流呈放射状流入巢湖,其中杭埠河的水量最大[6]104。基于周边水系特征与巢湖出水口位置,设计3种生态补水方案:方案一设置2条生态补水路线,其中菜巢线由枞阳枢纽引水经菜子湖、白石天河进入巢湖,西兆线由西向凤凰颈枢纽引水经兆河进入巢湖,由巢湖闸流出;方案二由凤凰颈枢纽单线引水经兆河进入巢湖,由白山节制枢纽流出巢湖;方案三由凤凰颈枢纽单线引水经兆河进入巢湖,经由巢湖闸流出,具体线路见图1。

图1 研究区位置与引江济巢段生态补水路线Fig.1 Location of the study area and the ecological water replenishment routes in water diversion projects from Yangtze River to Chaohu Lake

1.2 模型构建

MIKE21、EFDC、Delft3D等软件被广泛应用于河湖水动力与水质模拟[7-8]。其中,MIKE21相比于EFDC和Delft3D,具有模型建立简单、软件界面友好、前后期处理功能强大、其Ecolab模块能很好地模拟湖泊水质变化等优势[9-11],因此本研究采用MIKE21软件构建巢湖水动力水质耦合模型,对引水前后巢湖的水动力和水质进行研究。模型网格的构建对于确保模型精度和提高计算速度至关重要,密集的模型网格能保证模型高精度,但会导致计算时间过长,而网格过少又会严重降低模型精度。因此,应通过反复调整网格密度确定巢湖模型网格,在保证计算精度的前提下减少计算时间。经多次验证,本研究构建的巢湖模型网格共有3 831个节点,7 199个非结构三角网格,模型网格边界、监测点、敏感区域位置见图2。

图2 巢湖模型网格边界、监测点位及敏感区域Fig.2 Boundaries,monitoring point locations and sensitive areas of Chaohu Lake model grid

1.2.1 模型原理

MIKE21中水动力模型方程是基于N-S方程且服从于Boussinesq假定和静水压力的假定建立[12];水质模型使用MIKE21中Ecolab模块耦合水动力模型建立。

1.2.2 边界条件

巢湖水动力水质耦合模型以7条入湖河流(南淝河、十五里河、派河、杭埠河、白石天河、兆河和柘皋河)作为上边界,1条出湖河流(裕溪河)作为下边界。生态补水情况下,方案一边界条件不变,方案二、方案三中白石天河引水不进入巢湖,而是经人工河道进入派河流出,因此上边界入湖河流需去掉白石天河及派河,入湖河流由7条改为5条,且方案二将白石天河由上边界的入湖河流变为下边界出湖口。

对巢湖8条边界河流的氨氮、总氮(TN)和总磷(TP)水平进行统计,结果见表1。参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中湖、库标准,入湖河流中南淝河、十五里河、派河等入西半湖河流的TN均值为劣Ⅴ类,白石天河TN均值为Ⅳ类,杭埠河、兆河和柘皋河TN均值为Ⅲ类;南淝河氨氮均值为Ⅴ类,其他6条入湖河流氨氮均值为Ⅰ～Ⅲ类;南淝河、十五里河和柘皋河TP均值为Ⅲ类,派河、杭埠河、白石天河、兆河TP均值为Ⅱ类。

表1 8条边界河流中氨氮、TN和TP的质量浓度Table 1 Mass concentrations of ammonia nitrogen,TN and TP in eight border rivers mg/L

1.2.3 水文水质数据

巢湖地形数据由巢湖底部高程点数据构建,降雨量数据来自塘西、忠庙、柘皋和兆河闸4个雨量站,蒸发量取流域多年平均值[13];巢湖闸、忠庙、塘西和槐林4个水文站的水位数据来自安徽水文局(http://yc.wswj.net/ahsxx/LOL/Δrefer=upl&to=public_public)。模型上下边界的水质数据来自安徽生态环境厅(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。巢湖水质和水温数据取自巢湖8个监测点,监测点数据来自相关文献和安徽生态环境厅实时监测数据(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。生态补水资料来源于文献资料和引江济淮工程环境影响报告书[14]。

1.2.4 日入湖流量计算

根据水量平衡原理,日入湖流量计算如下:

Qi+P=Q0+Ev+ΔV

(1)

ΔV=ΔH×S

(2)

式中:Qi为进入巢湖流量(包括巢湖各个子流域的径流量和河闸进入巢湖的流量),m3/d;P为巢湖湖面降雨量,m3/d;Q0为经由河闸流出巢湖的流量,m3/d;Ev为巢湖湖面蒸发损失的水量,m3/d;ΔV为水量变化引起的巢湖容积变化,m3/d;ΔH为水量变化引起的巢湖水位变化,m/d;S为巢湖水面面积,m2。

式(1)中各子流域的径流量根据《安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产生汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》[15]获得,Pi和Ev由降雨量和蒸发量乘以巢湖湖面面积得到,Q0为巢湖闸和兆河闸的监测数据。水位数据取巢湖4个水文站点水位的平均值。根据式(1)、式(2),计算得到巢湖年总入湖水量为8 728 258 594 m3,实际年总入湖水量为8 878 199 185 m3,相对误差为1.7%,可见该计算方法结果可靠,可用于模型模拟。

1.2.5 生态补水方案

参考高芮等[6]103-107的研究,设定巢湖生态补水时间为25 d,生态补水前巢湖、白石天河、兆河和白石天河引水(枞阳引江枢纽)、兆河引水(凤凰颈枢纽)的水质情况见图3,生态补水设计方案见表2。

表2 生态补水方案设计Table 2 Program design for ecological water replenishment

图3 生态补水前巢湖、白石天河、兆河水质和引水水质Fig.3 Water quality of Chaohu Lake,Baishitian River and Zhao River before ecological water replenishment and water quality of inlet water

方案一西兆线、菜巢线双线引长江水入巢湖,经裕溪河巢湖闸流出,兆河、白石天河生态补水流量均为150 m3/s;方案二生态补水经兆河单线引入巢湖,巢湖出水口由裕溪河的巢湖闸改为白石天河的白山节制枢纽,兆河生态补水流量为150 m3/s,白石天河引水不进入巢湖,而是经人工河道进入派河,再北上进入引江济淮工程的“江淮运河段”,因此派河与白石天河均不再入流巢湖;方案三生态补水经兆河单线进入巢湖,经裕溪河巢湖闸流出,生态补水流量为150 m3/s。白石天河的引水与方案二相同,通过人工河道与派河进入引江济淮工程的“江淮运河段”。

1.2.6 参数设置

以2020年共366 d为研究周期,时间步长为1 d,干水深、湿水深、淹没水深分别设置为0.005、0.050、0.100 m。巢湖水动力水质耦合模型上边界河流流量由径流系数法计算得到。利用水位和水量数据率定模型,调整模型参数,使模型的精度满足要求。

模型参数由实测数据率定再经实测数据验证后确定,具体见表3。

表3 模型中的参数设置Table 3 Parameter settings in the model

1.3 模型验证

采用决定系数(R2)和均方根误差(RSME)判断模型的可靠性与精度。当R2大于0.6并且RSME越小,表明水动力水质耦合模型具有越高的拟合度与可靠性。

1.3.1 水动力模型验证

选取下边界巢湖闸上游水位作为水动力验证条件,模拟结果见图4。由图4可见,模拟水位与实测水位基本吻合,总体趋势一致。模拟水位与实测水位的R2、RSME分别为0.97、0.25 m,表明模型模拟结果与实测值接近,验证了径流系数法的可靠性。水动力模型具有良好的精度和可靠性,可为后续的水质模拟提供保障。

图4 巢湖闸上游水位模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison of simulated and actual measurement water level in upstream of Chaohu Lock

1.3.2 水质模型验证

使用水动力模型耦合Ecolab模块,输入相应的模型参数,建立水动力水质耦合模型,再根据巢湖水质数据率定模型参数,以验证模型的可靠性。鉴于巢湖东、西半湖水质存在一定差异,以东、西半湖监测点水质的平均值代表东、西半湖水质,进行模拟值与实测值的比较,模拟结果见表4。总体看来,模拟水质数据与实测水质数据趋势一致,东、西半湖3种污染物的R2≥0.70,且RSME相对较低,说明水质模型可靠性高,可为后续的生态补水后巢湖水质模拟提供保证。

表4 巢湖东、西半湖氨氮、TN及TP的模拟效果Table 4 Simulated results of ammonia nitrogen,TN and TP in eastern half and western half of Chaohu Lake

2 结果与讨论

2.1 不同生态补水方案的巢湖水流流速变化

不同生态补水方案下巢湖内流速分布模拟结果见图5。未进行生态补水时,巢湖西半湖和东半湖水流的平均流速分别为0.57、0.75 cm/s,东半湖靠近巢湖闸区域的流速可达2.40 cm/s,呈现西半湖水流速度慢,东半湖水流速度相对较快的状态。杭埠河是巢湖流域面积和径流量最大的入湖河流,其入湖口为巢湖西半湖与东半湖分界的南端,由南向北流入巢湖,由于杭埠河入湖流量大,而西半湖南淝河和派河的入湖河流流量相对较小,造成西半湖水流呈逆向流动,延长了污染物在西半湖内部的扩散流动时间。因此,巢湖入湖河流的流量大小和入湖口的位置分布会相互作用,影响湖泊的水动力和污染物的分布情况。

注:图中数据为水流流速,单位为m/s。

与未进行生态补水相比,方案一由白石天河与兆河双线生态补水,西半湖和东半湖的平均流速分别为0.57、1.05 cm/s,东半湖水流流速提高了40%,而西半湖流速无明显变化;方案二由兆河生态补水且出水口为白山节制枢纽,不再流向东半湖,西半湖和东半湖的平均流速分别为0.68、0.93 cm/s,西半湖流速增加了近20%,改善了西半湖的水动力条件,且东半湖临近白山节制枢纽区域流速提高25%,而东半湖临近巢湖闸区域流速降低40%;方案三由兆河生态补水,西半湖和东半湖的平均流速分别为0.57、0.93 cm/s,东半湖的流速增加24%,改善了东半湖的水动力条件,而西半湖流速无明显变化。总述之,3种生态补水方案中,方案一由白石天河与兆河持续补水,增加了入河河流的水量和巢湖闸出流流量,提高了巢湖东半湖和巢湖闸上游区域的水流流速。在方案二中,巢湖水流经由白山节制闸出流,大幅增加了白石天河附近区域的水流流速,但降低了巢湖闸区域水流流速。方案三由兆河单线调水,增加了兆河入湖流量与巢湖闸出湖流量,提高了巢湖闸上游区域的水流流速。

2.2 生态补水前后巢湖敏感点区域水质变化

若通过设置密集的水质监测站点来观测生态补水前后巢湖水质变化,将会产生大量的检测费和管理费,为此本研究通过湖泊水动力水质耦合模型,获得整个湖泊内水动力与水质的时空变化过程,进而研究敏感区域的水质变化情况。选取南淝河入湖口、峔山岛、忠庙和东半湖饮用水水源地4个敏感区域为研究对象,研究其生态补水前后水质变化情况,为改善巢湖水质提供科学的对策和建议。生态补水前后白石天河和兆河的入湖水量与水质的变化见表5。由表5可知,补水后巢湖氨氮和TN浓度均有明显下降,方案一、方案二使巢湖TP浓度小幅降低,方案三下巢湖TP浓度呈上升趋势。

表5 生态补水前后白石天河、兆河及巢湖水质的变化Table 5 Changes in water quality of Baishitian River,Zhao River and Chaohu Lake before and after ecological water replenishment

从图6(a)可以看出,南淝河入湖口区域在3种生态补水方案下氨氮较补水前均有所提高,但均满足GB 3838—2002的Ⅲ类水标准,其中方案一氨氮上升幅度最小,方案三氨氮增幅最为明显,达到0.332 mg/L,方案三由兆河单线补水,部分流向西半湖,阻碍了西半湖污染物向东半湖扩散,且西半湖流速较慢,最终导致南淝河入湖口氨氮浓度提升幅度最大;方案二和方案三中TN降低并达到GB 3838—2002 Ⅲ类水标准,其中方案二西半湖流速增幅最大,且派河不再入流,减少了流入西半湖的污染物通量,二者共同作用下,TN浓度下降幅度最大;方案二和方案三可使TP下降至0.100 mg/L,达到GB 3838—2002 Ⅳ类水标准。在方案二和方案三中,派河不再入流巢湖,减少了西半湖污染物入湖通量,降低了南淝河入湖口的TP浓度,而方案二对西半湖流速提高更明显,因此,方案二TP浓度下降最多。综合比较,方案二对南淝河入湖口水质改善效果最好。根据相关研究,水体中TN/TP在15左右时易暴发蓝藻[16-18],3个生态补水方案中南淝河入湖口区域TN/TP均在15～20,南淝河入湖口区域蓝藻暴发风险依然较高,表明生态补水不能有效改善南淝河入湖口区域的水质,因此,要进一步加强对南淝河流域的治理,如控制上游磷矿区的地表径流、农业面源污染及城市合流制系统的溢流污染,以减少污染物的流入,改善南淝河入湖口的水质。

图6 不同生态补水方案对敏感区水质的影响Fig.6 Impacts of different ecological water replenishment programs on the water quality of sensitive areas

从图6(b)可以看出,在3种生态补水方案下,峔山岛氨氮和TN浓度都呈下降趋势,在方案二中二者浓度降低幅度最大,且TN指标由GB 3838—2002 Ⅳ类水标准提高为Ⅲ类水。方案一、方案三对TP浓度改变不明显,但方案二的TP浓度呈明显下降趋势。方案二巢湖水从白石天河出流,靠近峔山岛区域,大幅提高了峔山岛区域的流速,因此,方案二能有效降低峔山岛氨氮、TN和TP,且TN/TP由14.7降为7.4,降低了峔山岛暴发蓝藻的风险。

从图6(c)可以看出,在3种生态补水方案下忠庙氨氮、TN浓度都呈明显下降趋势,且TN浓度均降低达到GB 3838—2002 Ⅲ类水标准。方案一、方案三提高了TP浓度,但方案二小幅降低了TP浓度。由以上分析可知,方案二对忠庙水质的改善效果最好;忠庙TN/TP由13.4降低至4.0,降低了忠庙暴发蓝藻的风险。

从图6(d)可以看出,3种生态补水方案均降低了饮用水水源地氨氮和TN的浓度,使二者均达到GB 3838—2002 Ⅲ类水标准。生态补水初期,方案一、方案三降低了饮用水水源地TP的浓度,但方案二增加了TP浓度,在方案一和方案三中,饮用水水源地TP总体达到GB 3838—2002 Ⅲ类水标准,方案三派河与白石天河不再流入巢湖,减少了入湖污染物通量,且持续的兆河补水提高了东半湖的流速,因此方案三对饮用水水源地水质的改善效果最好,且TN/TP由10.0降为4.8,降低了饮用水水源地暴发蓝藻的风险。综上可知,方案一经由白石天河和兆河引入低浓度氨氮和TN补水,可以稀释巢湖中氨氮和TN的浓度,而补水中TP浓度与巢湖接近,无法发挥稀释作用,但随着入湖流量的增加,加快了饮用水水源地的流速,降低了其TP浓度;方案二中巢湖水流经白山节制闸出流,提高了白石天河附近区域的水流流速,同时减少了西半湖流入东半湖的污染物通量,因此能有效降低峔山岛和忠庙区域的氨氮、TN和TP浓度;方案三兆河补水可以稀释水体氨氮和TN,增加饮用水水源地水流流速,降低TP浓度,同时派河不再入流巢湖减少了进入西半湖的污染物通量,改善了巢湖的水质。基于4个敏感区域模拟结果分析,方案二对巢湖水质的改善效果最好,生态补水对峔山岛、忠庙和饮用水水源地水质都起到了明显的改善效果。

3 结 论

为探究引江济巢工程生态补水对巢湖水动力和水质改善效果,利用MIKE21建立巢湖水动力水质耦合模型,用于模拟研究生态补水对巢湖水动力和水质随时空变化的动态影响过程,分析了不同生态补水方案对巢湖敏感区域的水质改善效果,确定了最优的补水方案。

1) 水动力水质耦合模型对巢湖水位、水质模拟的R2均大于0.6且RSME值相对较低,表明构建的模型可靠,可以模拟生态补水后巢湖的水动力和水质时空变化过程。

2) 引江济巢工程通过持续输入氨氮和TN含量较低的生态补水,可以降低巢湖水体中氨氮和TN水平,以及西半湖的TP浓度。由于西半湖水流流速慢,水动力条件差,方案一白石天河持续生态补水,部分水流流向西半湖,导致西半湖内部产生水流逆循环现象,增加了南淝河入湖口区域污染物滞留时间;方案二将巢湖出水口从裕溪河的巢湖闸改为白石天河的白山节制枢纽,可以有效提高巢湖西半湖流速,进而改善西半湖水质。可见,生态效果受到补水水质、位置以及出湖口位置的影响。

3) 在巢湖南淝河入湖口、峔山岛、忠庙和饮用水水源地4个敏感区域中,3种生态补水方案使4个敏感区域TN总体达到GB 3838—2002 Ⅲ类水标准;其中方案二对忠庙水质改善效果最优;方案三下饮用水水源地TP降幅最大。方案二中峔山岛、忠庙的TN/TP分别从14.7、13.4降至7.4、4.0,降低了峔山岛、忠庙区域蓝藻暴发的潜在风险,方案三中饮用水水源地的TN/TP从10.0降至4.8,降低了饮用水水源地蓝藻暴发的潜在风险,但3个生态补水方案下南淝河入湖口区域的TN/TP均在15～20,蓝藻暴发风险依然较高。综合考虑,方案二生态补水效果最好。

4) 引江济巢工程对巢湖水环境改善有积极的效果,但由于西半湖入湖河流的水动力环境未得到改善,蓝藻暴发的潜在风险依然较高,因此,要优化生态补水方案,并有效控制入湖河流流域的地表径流污染、农业面源污染及城市合流制系统的溢流污染。