邹朝望，孙媛媛

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064）

城市浅水湖泊水质水量联合调度研究

邹朝望*，孙媛媛

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064）

长江湖泊群富营养化问题是水环境目前最为突出的问题之一，并且将伴随湖泊生态系统退化、水环境恶化而越来越突出。构建生态水网工程，增加水体流动性是改善湖泊水环境的有效措施之一。本文以武汉 “大东湖生态水网工程”实施为工程应用背景，借助湖泊水网水生态环境模拟分析的有关理论成果，建立大东湖二维水生态环境耦合调度模型，探讨湖泊连通、水力调度对湖泊水生态环境影响的规律，为城市湖泊水生态环境治理和水力工程调度的实施提供借鉴。

长江湖泊群；生态水网；水生态环境；水力工程调度

本文以武汉 “大东湖生态水网工程”实施为工程应用背景，借助湖泊水网水生态环境模拟分析的有关理论成果，建立大东湖二维水生态环境耦合调度模型，探讨湖泊连通、水力调度对湖泊水生态环境影响的规律，为城市湖泊水生态环境治理和水力工程调度的实施提供借鉴。

1 研究区域概况

“大东湖”位于湖北省武汉市武昌片区长江干流右岸 （114°09'~114°39'E，30°22'~30°41'N）。“大东湖”水系由东沙湖水系和北湖水系组成，其中东沙湖水系主要湖泊有东湖、沙湖、杨春湖；北湖水系主要湖泊有严西湖、严东湖、北湖，区间还有竹子湖、青潭湖等小型湖泊。东湖水系东面、西面和北面被江围绕，南面是以喻家山为代表的几列低山丘陵，把东湖和南湖隔离开来。东湖与杨长春湖、沙湖、戴家湖、严西湖等湖泊通过新东湖港、东沙湖港、新沟渠、九峰渠等相连，严西湖通过花山渠与严东湖相连，通过北严港与北湖连通，最后与竹子湖、青潭湖等小湖泊一起构成东湖水系。大东湖生态水网跨武汉市武昌片大部分地区，其中包括洪山区、东湖新技术开发区、武昌区、青山区和东湖生态旅游风景区，国土面积约为436 km2，湖泊汇水总面积约为376 km2，容积约为1.2×108m3，其中东湖集水面积约为119 km2，东湖水系整体分布情况如图1。

图1 东湖水系区域分布图Fig.1 Distribution of Donghu drainage area

2 浅水湖泊群水质水量调度模型构建

要实现大东湖生态水网工程的设计目标，需要对不同的引调水线路、引水流量、引水过程进行数值模拟研究和情景分析，建立水动力、水质数学模型，分析不同引水方案的水流特性及其对湖泊水质的影响，为大东湖生态水网构建工程提供技术支持。水动力、水质数学模型可以用微分方程组描述如下[2]：

初始条件：

边界条件：

模型中将氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮之和作为总氮，可溶性磷酸盐作为总磷，则主要污染物N，P的转换公式为：

式中：CNH3，CBOD，CDO分别表示NH3，BOD，DO浓度；YBOD为有机物中的氮含量 （mgNH3-N/mgBOD）；K3、K4分别为20℃下有机物的降解系数和硝化反应速率 （1/d）；θ3为有机物降解的阿列纽斯温度系数；T表示实测温度 （℃）；HS_CBOD为有机物降解的半饱和浓度 （mg·L-1）；θ4为硝化反应的阿列纽斯温度系数；UNP为植物摄取氨氮系数；P为植物光合作用；R1为植物呼吸速率；R2为植物摄取氨氮时的呼吸速率；θ1为植物呼吸作用的阿列纽斯温度系数；θ2为阿列纽斯温度系数；F（N，P）为营养盐限制函数；UNb为细菌摄取氨氮的系数；HS_CNH3为细菌摄取氮的半饱和浓度 （mg·L-1）。

其中CTN，CNH3，CNO2，CNO3分别表示对应污染物浓度；K4为20℃下硝化反应速率 （1/d）；θ4为硝化反应的阿列纽斯温度系数；T表示实测温度；HS_nitr为硝化作用的半饱和浓度 （mg·L-1）；K5为20℃下亚硝态氮向硝态氮的转化速率 （1/d）；θ5为亚硝态氮向硝态氮转化的温度系数；K6为下20℃反硝化反应速率（1/d）；θ6为反硝化作用的阿列纽斯温度系数。

式中：Y2表示有机物中的磷含量 （mgP/mgBOD）；K3为20℃下有机物的降解系数 （1/d）；θ3为有机物降解的阿列纽斯温度系数；HS_CPO4为有机物降解的半饱和磷浓度 （mg·L-1）；UPP植物摄取磷系数；P为植物光合作用；R1为植物呼吸速率；θ1为植物呼吸作用的阿列纽斯温度系数；F（N，P）为营养盐限制函数；UPb为微生物摄取磷系数；HS_CPO4为细菌摄取磷的半饱和浓度 （mg·L-1）。

3 计算区域和边界

3.1 计算网格

本次模拟按照Beijing 1954 3 Degree GK CM 114E投影生成适用于复杂边界的非结构化三角形网格。网格三角形部分参数最大单元格面积、最小允许角度、节点的最大数量分别为40 000，25，50 000，共计生成节点2104个，网格2980个，如图2。

图2 模拟计算使用的网格分布图Fig.2 The grid map used for simulation calculation

3.2 定解条件

3.2.1 边界条件

考虑各港渠过流能力，设计调水方案如表1所示。

表1 东湖引水调度方案Table1 Donghu （East Lake） water diversion scheduling scheme

3.2.2 初始条件

模型初始值以2004-2007年沙湖和东湖各湖区的平均水质为标准，选取PO43--P，NO2-N，NO3-N，NH3-N，BOD、DO以及Chla为指标对象，其中Chla为富营养化指标。最后取近似值，TP由PO4确定；忽略有机氮，TN=NO2-N+NO3-N+NH3-N，其中TN中主要是NH3-N；最后各评价指标初始值确定如表2所示。

表2 模型指标初始值Table 2 The Initial Values of Model Indexes

模型初始条件采用武汉市6月多年平均风速3.5 m·s-1，风向105 deg；东湖初始水深设置为-0.37 m；温度为实测值；盐度0.95 psu；源汇项考虑青山港和曾家港2个引水口，新沟渠、九峰渠和沙湖港3个排水口，以及7个污染物入湖口。

4 水质水量联合调度模拟结果及分析

在二维水质水量调度模型的构建中，考虑到不同风场、不同输水条件、不同污染负荷量下湖泊中各类污染元素的时空分布，结合大东湖水网的3种调度模式，因此设计出7种代表性工况，具体如表3所示。

表3 设计工况表Table 3 Design of Operating Conditions

根据前文边界条件及率定的参数值，运行设置的7种典型工况，得出相应的污染物时空分布，进行水动力和水质对比分析。模型模拟时段为2007年6月10日12点至2007年7月10日12点。

4.1 不同污染负荷量工况下污染物分布分析

工况1、4、5其他条件相同，但具有3种不同的污染负荷量，分别为实际、削减50%和削减100%。运行30天后的污染物分布情况如图3至图6所示。

图3 TP初始值与工况1、4、5运行30天后TP值分布图Fig.3 TPvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4,and 5,respectively

图4 TN初始值与工况1、4、5运行30天后TN值分布图Fig.4 TNvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4 and 5,respectively

图5 COD初始值与工况1、4、5运行30天后COD值分布图Fig.5 COD values at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1,4 and 5,respectively

图6 Chla初始值与工况1、4、5运行30天后Chla值分布图Fig.6 Chla values at the initial condition and after 30 days running for the working conditions 1,4,5,respectively

可以看到在同一引水模式、不同污染负荷量下，运行30天后，3种工况污染物的改善程度，说明污染负荷量大小与引水模式的改善效果基本成正比；其次在不同污染负荷量下，同一引水模式改善后的湖区污染物分布基本相似，说明污染负荷量对污染物的分布影响较小 （针对同一引水模式）。

4.2 不同风场工况下污染物分布分析

工况1、6、7其他条件相同，但具有3种不同的风场条件。运行30天后的污染物分布情况如图7至图10所示。

图7 TP初始值与工况1、6、7运行30天后TP值分布图Fig.7 TPvalues at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

图8 TN初始值与工况1、6、7运行30天后TN值分布图Fig.8 TN values at the intial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

图9 COD初始值与工况1、6、7运行30天后COD值分布图Fig.9 COD values at the initial time and after 30 days running for the working conditions 1，6 and 7，respectively

图10 chla初始值与工况1、6、7运行30天后Chla值分布图Fig.10 Chla values at the intial time and after 30 days running for the working conditions 1，6，and 7，respectively.

在不同风场条件下，工况1，6，7运行30天后结果相较于初始值都有一定程度的改善；可以看到风力条件对于TP、Chla影响效果不显著，对于TN和COD有一定程度的影响，主要是因为风场条件会影响湖区流场的分布，导致污染物在不同湖区的扩散。

5 小结

本文以武汉 “大东湖生态水网工程”实施为工程应用背景，借助于已有研究成果中有关湖泊水网水生态环境模拟分析的有关理论成果，建立大东湖二维水生态环境耦合调度模型，探讨湖泊连通、水力调度对湖泊水生态环境影响的规律。结果表明，污染负荷量大小与引水模式的改善效果基本成正比，同一引水模式改善后的湖区污染物分布基本相似，说明污染负荷量对污染物的分布影响较小，另外风力条件对于TP、Chla影响效果不显著，对于TN和COD有一定程度的影响，主要是因为风场条件会影响湖区流场的分布，导致污染物在不同湖区的扩散。但对于多工况下的湖泊群连通后水生态如何变化还有待下一步研究探讨。

[1]郜会彩，李义天，何用，等.改善汉阳湖群水环境的调水方案研究[J].水环境保护，2006，22（5）：41-44.

[2]俞建军.引水对西湖水质改善的回顾[J].水资源保护，1998（2）：50-55.

[3]黎育红，贺石磊.基于粗糙-信息熵的水质综合评价方法[J].长江流域资源与环境，2014（1）：109-116.

[4]俞建军.引水对西湖水质改善的回顾[J].水资源保护，1998（2）：50-54.

[5]严江涌，黎南关.武汉市大东湖水网连通治理工程浅析[J].人民长江，2010，41（11）：82-84.

[6]Jin K R，Ji Z G.Case Study：Modeling of Sediment Transport and Wind-wave Impact in Lake Okeechobee[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（11）：1055-1067.

[7]Chen X J，Sheng Y R.Three-dimensional Modeling of Sediment and Phosphorus Dynamics in Lake Okeeehobee，Florida：Spring 1989 Simulation[J].Journal of Environmental Engineering，2005，131（3）：359-374.

[8]Na E H，Park SS.A Hydrodynamic and Water Quality Modeling Study of Spatial and Temporal Patterns of Phytoplankton Growth in a Stratified Lake With Buoyant Incoming Flow[J].Ecological Modelling，2006，199（3）：298-314.

[9]Simons T J.Development of Numerical Models of Lake Ontario[J].Journal of Great Lakes Research，1971（14）：654-669.

[10]Oonish Y ，Imasato N.Study on the Currents in Lake Biwa（II）[J].Journal of the Ocean Geographical Society of Japan，1975，31（2）：53-60.

责任编辑：孙启耀

Joint Operation of Water Quality and Volume for Urban Shallow Lakes

ZOU Chaowang*,SUN Yuanyuan

（Hubei Provincial Water Resource and Hydropower Planning Survey and Design Institute,Wuhan，Hubei 430064,China）

Eutrophication of lakes in the Yangtze River basin is one of the most outstanding problems at present,and may become more and more prominent along with the degradation of the lake ecosystem and deterioration of water environment.To build ecological water network and improve the lake water environment,one of the effective measures is to increase water flow ability.Based on the implementation of“the Project of Dadong Lake Ecological Water Network”in Wuhan and with the help of the simulation analysis theory for water ecological environment,a two-dimensionally coupled operation model of Dadong lake water ecological environment was established to explore the mechanisms and effects of lake connectivity and hydraulic regulation on lake water ecological environment,and to provide a reference for the city ecological environment governance and the implementation of the hydroelectric project scheduling.

Yangtze River lake group;ecological water network;water ecological environment;hydraulic project scheduling

X14

A

2096-2347（2017）03-0025-10

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.03.04

长江湖泊群富营养化问题是水环境目前最为突出的问题之一，并且将伴随湖泊生态系统退化、水环境恶化而越来越突出。作为水体修复物理方法之一的引调水工程，能够通过水利工程调度技术，实现区域河湖水网的联系，引清水入湖，促进水体流动，增加水体自净能力，改善生境，使其产生最大的生态效益，在国内外湖泊生态环境治理中有很多成功的案例[1]。如何科学合理地确定湖泊调水模式，实现水质水量联合调度是引清调水的重要研究课题[2]。

近二十多年以来，国内外专家学者对浅水湖泊生态环境修复的相关问题已经开展了较为广泛的研究，取得了众多成果[3-10]。但通过分析不难发现，大部分学者将研究重点放在建立单个湖泊水动力、水质模型，研究求解算法，求解简化条件下的解或者通过软件模拟得到数值解。即使对于某一区域多个湖泊进行研究时，注重的多是各个湖泊内部的水动力、水质情况，对湖泊之间相互影响的研究不是很充分，至于引清调水对于湖泊群总体影响的研究就更为少见。在各湖泊连通引水以后，其水动力、水质条件势必会产生较大的变化，需要通过一定的计算手段，研究不同连通调水方案下湖泊群水动力、水质的具体变化情况，并且需要构建合理的评价体系，为连通调水方案的选择以及相应的工程措施提供建议。

2017-04-01

湖北省水利重点科研项目 （HBSLKY201403，HBSLKY201504）

邹朝望(1979-)，男，湖北监利人，高级工程师，主要从事水资源与水环境研究。E-mail：80065587@qq.com