杨博林，陈倩倩，夏 伟

(1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；2.中国长江三峡集团有限公司，北京 100038)

1 引言

汤逊湖位于武汉市东南部，是亚洲最大的城市内湖，水域面积47.62 km2。汤逊湖流域面积240.48 km2，涉及洪山区、东湖高新区、江夏区3个行政区[1]。其中，江夏区拥有湖面面积81.26%，东湖高新区和洪山区分别拥有湖面面积的2.35%和16.39%。汤逊湖以江夏大道为界，西部为外汤逊湖，东部为内汤逊湖，两者之间以涵洞相通。流域范围总人口67.73万人(2018年末)。汤逊湖区域属亚热带季风湿润区，雨量充沛，年降水量1150～1190 mm，降雨主要集中在4～8月，通常春夏多雨，秋冬少雨。汤逊湖湖泊平均水深2.2 m，全湖湖底高程14.5～17.5 m，规划控制常水位17.65 m，最高水位18.65 m(图1)。

近年来，汤逊湖各类点、面源污染物排入导致各子湖水质常出现超标情况，水环境容量已显不足，水体无法满足水体功能要求。目前，针对汤逊湖全湖水环境数值模拟方面的研究较少，而类似研究已广泛应用在武汉东湖、长江口、杭州湾、太湖富营养模型等[2～4]。基于此，本研究应用MIKE 21水环境模拟软件，建立汤逊湖全湖的水动力-水质模型，对汤逊湖水动力和水质现状和改善情景分别进行模拟，为水环境治理工程的实施提供依据。

2 污染源与水环境容量计算

2.1 污染源现状分析

经计算，全湖污染总量为COD 18751.13 t，NH3-N 1105.55 t，TN 3293.28 t，TP 209.06 t，其中面源污染、生活点源和内源污染为主要污染源，见表1。

表1 汤逊湖全湖污染量汇总

2.2 水环境容量分析

采用完全均匀混合箱体水质模型来预测湖泊或水库水体水质变化情况，COD和NH3-N等有机物容量计算可用水体质量平衡基本方程计算，计算公式如下：

W=Cs(Qout+KV)

(1)

式(1)中：W为湖泊COD、NH3-N的水环境容量,t/a；Cs为湖泊功能区水质目标值，mg/L；Qout为湖泊出水流量(入湖流量减去蒸发量)；K为湖泊水质综合降解系数，1/a；V为设计水文条件下的湖泊容积，m3。

湖泊中氮磷等营养盐物质随时间的变化率，是输入、输出和在水库内沉积的污染物量的函数，利用狄龙富营养化模型计算TN、TP环境容量，计算公式如下：

M=Ls·A

(2)

(3)

R=1-Wout/Win

(4)

式(2)～(4)中：M为湖泊TN、TP环境容量，t/a；Ls为单位湖水面积TN、TP水环境容量，g/(m2·a)；A为湖泊面积，m2；Ps为湖泊中TN、TN年均控制浓度，g/m3，用水环境质量标准衡量；h为湖泊平均水深，m；Qout为湖泊年出水量，m3/s；R为污染物滞留系数；Win为湖泊污染物输入量，t/a；Wout为湖泊污染物输出量，t/a；V为设计水文条件下的湖泊容积，m3。

经计算，根据汤逊湖水质治理目标，计算得汤逊湖环境容量为COD 4947.62 t/a；NH3-N 247.38 t/a；TN 1289.73 t/a；TP 102.52 t/a，各子湖水环境容量见表2。由表2可知，现状入湖污染物负荷均超过汤逊湖水环境容量，需要削减，污染物削减率在50.96%～77.62%。

表2 汤逊湖各子湖水环境容量汇总

3 汤逊湖水动力、水质模型建立

3.1 模型介绍

模型软件采用丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的MIKE软件，MIKE软件是目前世界上领先，经过实际工程验证最多的，被水资源研究人员广泛认同的优秀软件。本次选用MIKE 21 FM的水动力模块(HD)模拟二维水流，对流扩散模块(AD)模拟污染物在水中的对流扩散及降解过程，构建汤逊湖二维水动力水质数学模型。其中，HD模块是软件的最基本模块，为其他功能模块运行提供了基础水力要素信息，可模拟湖泊、河道的水流运动规律[5]。

3.1.1 水动力模型基本方程

连续方程：

(5)

动量方程：

(6)

式(6)中：t为时间；x，y为右手Cartesian坐标系；η为表面水位；d为静止水深，h=η+d为总水深；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；f=2Ωsinφ为Coriolis参数(Ω是地球自转角速率，Φ为地理纬度)；ρ为水的密度，ρ0则是参考水密度；pa为当地的大气压；(τsx，τsy)、(τbx，τby)分别为表面风和底部应力在x，y方向上的分量；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项；S为源汇项；(us，vs)为源汇项水流流速。

3.1.2 水质模型基本方程

水质控制方程是在考虑污染物质水动力学、物理运输和对流扩散等过程并运用质量守恒原理的前提下建立起来的[6]，控制方程为：

(7)

式(7)中：C为垂线平均浓度；u，v为x，y方向的垂线平均流速；Dx，Dy为x，y方向的扩散系数；KC为综合降解系数；s为源汇项。

3.2 建模范围

本模型模拟范围为汤逊湖蓝线以内水域范围，总面积47.6 km2。湖泊水下地形采用2019年7月实测1∶2000实测水下地形，模拟区域采用三角形网格，外汤主湖和内汤主湖采用边长500 m三角形网格，贴岸区域采用边长100 m三角形网格，共划分网格2587个，如图2所示。

图2 研究范围网格划分

3.3 模型计算条件

(1)降雨径流。采用2012年降雨资料，年降雨量1392.3 mm，综合考虑汤逊湖地区下垫面条件，城镇、农村地区径流系数分别采用0.6和0.5。

(3)风速风向。汤逊湖水系属亚热带大陆性季风气候，年内主导风向为东南风，年平均风力2～3级，多年平均风速2.5～2.9 m/s。

(4)出流。东港是汤逊湖流域主要的排水出口，经过青菱河与巡司河排入长江。

(5)湖底糙率。糙率是主要衡量边壁形状不规则性和河床表面的粗糙程度的一个综合性系数，根据有关的水力学手册加以选取。本模型计算中，根据汤逊湖不同区域深浅将曼宁系数M取值为32～50。

(6)水质降解系数。取COD、NH3-N、TP和TN作为水质计算的代表指标，COD降解系数取值为：0.017d-1，NH3-N降解系数取值为：0.015d-1，TP降解系数取值为：0.01d-1，TN降解系数取值为：0.02d-1。

3.4 模型边界条件

入湖港渠水量边界根据降雨和下垫面土地利用类型，采用SCS-CN模型进行计算。入湖港渠水质边界根据2019年《汤逊湖水环境提升攻坚检测考核情况的通报》中水质检测数据给定。

污染物的输入主要通过陆域点源、面源及湖面降水和内源汇入。点源污染包括湖周52处分散式排口、1处污水处理厂排口。面源污染概化到雨污混流排口，降尘和内源污染在模型中以降水的形式伴随入湖。

最后，石里克最大的问题是他对直观哲学提出的疑难亦可以反问于他自身：既然体验与认识有本质区别，那么概念的配列能保持事实的本来面貌吗？概念与对象的一义性判断之网如何能够达成？换句话说，既然体验与认识有本质区别，那么体验与认识又是如何能结合为一个具有统一性的系统呢？这一问题可以称为知识论中的超越问题。石里克大方地承认概念一义性的判断之网，并不能保证对事物的实在本质的知识，想获取事物的本质知识恰恰是直观哲学的错误。然而，直观哲学的本质论恰恰是以悬置事物的存在为前提，所以直观哲学绕开了实在本质的问题，而石里克却以事物的存在为事实，那么实在本质的问题就成为石里克认识论难以解决却如影随形的难题。

3.5 模型分析与验证

3.5.1 水动力结果分析

现状情境下，由于圩垸阻挡，大桥湖、中洲湖、麻雀湖、红旗湖等部分区域不在建模范围内。图3和图4为由模型计算得到的汤逊湖2012年6月15日(SE风向)和2012年12月15日(NE风向)的风生流场图。湖泊水动力学研究成果表明：在湖泊的深水区，沿水深方向的平均流速方向与风向相反，在浅水区则与风向相同。根据查验模型水动力计算结果，可以看出汤逊湖水域流场分布与风场关系符合以上结论，说明建立的水动力学模型能较好地模拟湖泊的流场。

3.5.2 水质率定验证结果与分析

以水动力模型计算得到的湖泊流场作为计算湖泊水体污染物浓度场的基础，再考虑年污染负荷输入量，利用水质模型进行水质模拟计算。本次收集到外汤逊湖湖心2012年1～12月汤逊湖水质监测资料，对模型水动力和水质参数进行率定，得到汤逊湖的模型参数。外汤主湖中心水质率定结果见图5。外汤COD实测值与模拟值平均误差为28%，外汤NH3-N实测值与模拟值平均误差为34%，外汤TN实测值与模拟值平均误差为21%，TP实测值与模拟值平均误差为31%。这些误差均在允许范围内，证明建立的水质模型具有良好的模拟精度，确定的纵向和横向扩散系数、四种污染物衰减速率合理可信。

图5 模型水质验证

4 汤逊湖水动力、水质情景方案模拟

4.1 水动力情景模拟

4.1.1 内水系连通方案说明

对汤逊湖蓝线范围内汤逊湖蓝线范围内刘家咀、麻雀湖、武汉铁职技校、汤逊湖村等15处较大的圩垸进行拆除，总长度26.1 km；另外，新建3个箱涵，扩建1个箱涵，改建1处路堤。

风速：1.6m/s 风向：45度 图4 2012年12月15日流场验证

风速：2.3m/s 风向：135度图3 2012年6月15日流场验证

4.1.2 效果分析

分别对6月和12月代表丰水期、枯水期的状况，分析汤逊湖实施内水系连通工程实施前后湖体水动力情况。

(1)流速变化：汤逊湖内水系连通工程实施前，丰水期平均流速为0.0053 m/s，枯水期平均流速为0.0039 m/s。汤逊湖内水系连通工程实施后，丰水期平均流速为0.0063 m/s，升幅17%，枯水期平均流速为0.0042 m/s，升幅10%。从各子湖来看，在丰水期，汤逊湖水系连通工程实施后，除麻雀湖，其余子湖平均流速比内连通工程实施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加47%；在枯水期，外汤主湖、大桥湖、沙咀湖、内汤主湖、中洲湖平均流速比内连通工程实施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加42%。其余子湖流速有所减小，其中降幅最大的红旗湖平均流速下降14%。

(2)流场变化：汤逊湖水系内连通工程实施后，流场变化主要体现在子湖水流方向和流场形态的变化方面。无论丰水期还是枯水期，子湖与子湖新增连接处水流方向均发生改变，外汤主湖、内汤主湖、大桥湖和红旗湖部分流场洄流区变大。由于风生流作用，连通工程前个别圩垸封闭的区域洄流区面积小，区域内流速较大，但污染物无法向外转移扩散。而实施连通工程后，虽然这些封闭区域在拆除圩垸后与较大区域湖面合并平均流速减小，但流场洄流区变大，湖水整体流动性增强，尤其是增强了外汤主湖和内汤主湖之间的联系。这将有利于污染物的迁移和扩散，为汤逊湖整体水质的改善提供条件。连通工程实施前后枯水期流场分布情况见图6。

图6 连通工程实施前后枯水期流场分布情况表3 汤逊湖各子湖面源污染削减率

4.2 水质情景模拟

在《武汉市“大东湖”生态水网构建总体方案》中，已有将汤逊湖水系和梁子湖水系连通的设想。《武汉市水生态文明建设规划》中也提出了通过东坝港连通汤逊湖和梁子湖以及长江海口闸引水两个方案，实现区域水系连通，利用梁子湖的引水改善汤逊湖水质。因此，考虑在实施内水系连通后，仅实施污染物削减，以及污染物削减配合引水工程两种方案。

4.2.1 仅实施污染物削减

4.2.1.1 方案说明

现阶段点源污染主要包括污水处理厂尾水、生活污染及工业废水。根据汤逊湖污水处理厂规划方案，其尾水将不再入湖，因此确定污水处理厂尾水削减率为100%。据汤逊湖底泥污染现状，以及内源污染治理方案，确定内源污染削减率为50%。面源污染治理工程包括城市面源和农村面源两方面，其中城市面源污染控制工程包括溢流污染治理和初雨污染治理。农村面源污染控制工程包括农村生活污水治理、农村环境综合整治、畜禽养殖污染治理、退田/垸还湖等。根据武汉市大气环境治理控制目标，确定降尘污染削减率为30%。并根据汤逊湖面源污染现状，以及面源污染治理方案，分区提出污染削减率，见表3。

面源污染削减率/%子湖名称外汤主湖沙咀湖大桥湖麻雀湖内汤主湖红旗湖杨桥湖中洲湖COD7261666564666673NH3-N7361656371676573TN7261666370646573TP7361666677666773

4.2.1.2 模拟结果

(1)全湖水质分析：不引水时，汤逊湖7月31日和9月5日浓度场分布情况见图7和图8。综合旱季和雨季水质模拟结果可知，雨季由于面源冲刷作用，水质较旱季稍差。全湖COD、NH3-N、TP和TN达Ⅳ类水质面积比例分别为99%、100%、93%、89%。因此，在污染源削减、不实施引水时，湖湾TP和TN仍然较差，应增加引水措施。

图7 汤逊湖污染物削减、不引水情况下7月浓度场

图8 汤逊湖污染物削减、不引水情况下9月浓度场

(2)重点湖区水质分析：外汤主湖和内汤主湖在近期点源、面源及内源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四类污染物可以全年达到Ⅳ类水质标准，外汤主湖湖心水质较现状有明显提升。大桥湖四类污染物均可达到Ⅴ类标准，但红旗湖仍有5%的天数TP不达标，6%的天数TN不达标。外汤主湖、内汤主湖、大桥湖、红旗湖等几个重点子湖的各污染物全年水质变化情况见图9～12。

图9 汤逊湖污染治理后外汤湖心污染物浓度变化

4.2.2 污染物削减配合引水工程

4.2.2.1 方案说明

在污染物削减方案的基础上，考虑到汤逊湖区域现状面临的问题及需求，本方案提出梁子湖为引水水源的水系连通方案。方案中，年引水规模0.69亿m3，仅占梁子湖年径流量的4.4%，且梁子湖水质较好，在Ⅱ～Ⅲ类之间。总体来看，梁子湖水量充足、水质优良，可作为汤逊湖补水水源。此情境下，引水量为10 m3/s，东坝河引水时段分别为4月20日至5月8日、7月13～31日、8月15日至9月5日，且当日降雨强度超过25 mm时，不引水。

4.2.2.2 模拟结果

(1)全湖水质分析：当引水10 m3/s时，汤逊湖各子湖在7月31日和9月5日浓度场分布情况见图13和图14。综合旱季和雨季水质模拟结果可知，雨季由于面源冲刷作用，水质较旱季稍差。全湖COD和NH3-N可达Ⅴ类水质，TP和TN达Ⅴ类水质面积比例分别为98%和97%。

图10 汤逊湖污染治理后内汤湖心污染物浓度变化

图11 汤逊湖污染治理后大桥湖心污染物浓度变化

图12 汤逊湖污染治理后红旗湖心污染物浓度变化

图13 汤逊湖污染物削减配合东坝河引水10 m3/s情况下7月浓度场

图14 汤逊湖污染物削减配合东坝河引水10 m3/s情况下9月浓度场

(2)重点湖区水质分析：外汤主湖和内汤主湖在近期点源、面源及内源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四类污染物可以全年达到Ⅳ类水质标准，内汤主湖在引水期TP和TN指标改善显著，分别有15%和52%天数达到Ⅲ类水质。大桥湖四类污染物均可达到Ⅴ类标准，但红旗湖仍有4%的天数TP不达标，3%的天数TN不达标，较不引水结果有一定程度提升，但效果不明显。外汤主湖、内汤主湖、大桥湖、红旗湖等几个重点子湖的各污染物全年水质变化情况见图15～18。

图15 汤逊湖污染治理及引水10 m3/s后外汤湖心污染物浓度变化

图16 汤逊湖污染治理及引水10 m3/s后内汤湖心污染物浓度变化

图17 汤逊湖污染治理及引水10 m3/s后大桥湖心污染物浓度变化

图18 汤逊湖污染治理及引水10 m3/s后红旗湖心污染物浓度变化

5 结论

(1)本文建立了汤逊湖全湖水动力-水质耦合模型，并对水质数据进行了率定验证，确定了水动力、水质等模型的参数，模型误差在合理范围内，表明该模型精度较高，可用于各类情景分析。

(2)现状汤逊湖水质整体不达标，水体无富余水环境容量，已无力承担额外的污染负荷输入。为实现主湖及子湖水质主要指标达到V类，入湖污染负荷根据水环境容量要求进行了削减。削减措施考虑了城镇污水系统提质增效、城市面源污染控制、农村环境综合整治、内源污染防治、水网构建与引水活水等综合措施等。(3)根据模拟计算结果，内水系连通对汤逊湖水动力改善效果明显。在此基础上，若仅采用污染物削减，各子湖难以达到水质目标要求，引水可改善汤逊湖尤其是外汤主湖和内汤主湖水动力，促进污染物扩散降解，保障湖泊水质达标。雨季由于面源冲刷作用，水质较旱季稍差。而沙咀湖、红旗湖、杨桥湖等子湖较为封闭、水动力不畅，若要保证各子湖水质稳定达标，需进一步采取措施改善其水动力、消除面源污染。

(4)汤逊湖水质达标后，可通过入湖污染缓冲净化、生境营造、水生植被恢复等生态修复措施进一步改善和维护水质，确保汤逊湖水质稳定达标。