2018, Vol. 51文章信息
- 孙静月, 肖宜, 张利平, 杨卫, 吴奕洋
- SUN Jingyue, XIAO Yi, ZHANG Liping, YANG Wei, WU Yiyang
- 武汉市梁子湖-汤逊湖水系连通工程效果分析
- Study of effect of connection engineering between Liangzi Lake and Tangxun Lake in Wuhan City
- 武汉大学学报(工学版), 2018, 51(2): 125-131
- Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(2): 125-131
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2018-02-005
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文章历史
- 收稿日期: 2017-07-15
2. 水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430072;
3. 华中科技大学附属中学，湖北 武汉 430074
2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security, Wuhan 430072, China;
3. Middle School Attached to Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
近年来，伴随工业化、城市化进程的加快以及全球气候的变化，武汉市湖泊群面临着湖泊数量不断减少、面积持续萎缩、水质日渐恶化、调蓄能力大为降低、生态系统功能逐步退化等一系列问题.为了实现水生态环境修复，全面推进生态文明城市建设，武汉市迫切需要探寻一条经济社会高效发展与水生态健康的协同共生之路.
河湖水系连通工程通过形成新的水系连通形式，在自然力和人为调控调度驱动下，维持、重塑或构建满足一定功能目标的水流连接通道，改变了原水体的水力特性和物质循环情势，是改善水环境的有效工程措施[1-5].有部分专家学者对湖泊连通工程进行了相关研究，并取得了一定的成果.
美国在1994年利用密西西比河上的溢洪道将河水引入Pontchartrain湖，对湖泊水质的影响进行了研究[6].赵琰鑫[7]等将一维河网和二维湖泊水动力水质模型相耦合，研究了长江和东湖连通后东湖水质的改善效果.郜会彩等[8]利用平面二维水动力水质模型，对汉阳湖群及其连通的沟渠湖网水系进行了调水方案优选.黎育红[9]等通过在MIKE21模型上搭建二维数值模型，对武汉东湖湖泊群连通引水后各湖区的水动力水质变化情况进行了模拟分析.Xie Xingyong[10]等模拟分析从长江引水到巢湖后的TN、TP和Chl-a浓度变化，表明引水工程能够有效改善水质.王晓凤[11]等以汉阳六湖连通为例，分析了江湖连通对生态环境的有利与不利影响.严江涌[12]等研究了大东湖水网连通工程的水质改善效果.刘佳明[13]等研究了江湖连通工程的合理引水流量范围以及最佳引水流量.高强[14]以广州市三涌补水工程为例，利用MIKE11建立河网水动力模型，提出河湖水系连通工程的优化调度方案.
因此，借助前人有关浅水湖泊群水环境模型研究的理论和经验，针对研究对象建立湖泊群的连通与调水二维水动力-水质耦合模型，模拟分析TP、TN、NH3-N等水质指标，这对于浅水湖泊群实际湖泊连通引水工程的设计具有十分重要的意义.
1 汤逊湖水系概况"河湖水系连通"的提出是实现水资源可持续利用的治水新思路，也是解决武汉市湖泊水环境恶化、水生态脆弱最有效的手段.当前已实施了部分"河湖水系连通"工程，如：东湖沙湖连通工程，野湖、青菱湖、黄家湖连通渠连接汤逊湖，汉阳六湖连通工程等.其他湖泊连通如武汉开发区20湖连通工程都在实施中.
武汉市湖泊群中的汤逊湖作为原武汉市最大的原生生态湖泊，是连通工程规划的主要对象.以汤逊湖为主的汤逊湖水系流域范围为423.8 km2，是典型的平原水网地区，流域内水面率达19.3%.该水系由武汉市洪山区的汤逊湖、黄家湖、南湖、青菱湖、野湖、野芷湖以及江夏区的神山湖、郭家湖、道士湖、西湖等11个湖泊组成.东北部以蛇山、洪山、桂子山、关山分水岭与东沙湖水系为界；西北部濒临长江，各大小湖泊借巡司河及其他天然或人工港渠连成一片.近年来城市的发展、过度开发和围垦使得汤逊湖水系部分湖泊成为死湖，水体交换率低，流动性差，水环境状况不断恶化，各项水质指标达不到要求，水污染防治迫在眉睫.
本文选取武汉市汤逊湖作为城市湖泊群的代表，以武汉市生态文明城市建设下汤逊湖-梁子湖连通工程方案为对象，对水质改善效果进行研究，可为武汉市湖泊群水网连通工程提供科学的决策与参考，为汤逊湖水系污染治理提供理论依据.
2 模型建立 2.1 湖泊群水量-水质数学模型汤逊湖水系属于典型的平原区浅水湖泊，水深相对平面尺寸较小，将其简化为沿水体垂直方向掺混均匀，采用垂向平均化的二维不可压缩模型来描述流场和水质浓度的变化过程.
2.1.1 水动力模型二维非恒定浅水运动方程水动力模型二维非恒定浅水运动方程为
(1)
(2)
(3)
式中：x、y分别为湖水纵向和横向的流动距离；t为时间；q为湖泊的区间入流；u、v分别为x、y方向的流速；h为水深；z为水位；g为重力系数；f为柯氏力常数；n为糙率；Ca为风阻力系数；ρ、ρa分别为水和空气的密度；εx、εy分别为x、y方向的涡动粘滞系数；Wx、Wy分别为x、y方向上的风速.
2.1.2 平面二维水质迁移转换基本方程非持久性污染物迁移转化方程根据质量平衡原理，平面二维水质迁移转换基本方程为
(4)
式中：c为湖泊中某种污染物的浓度；Ex、Ey分别为x、y方向的分子扩散系数、紊动扩散系数和离散系数之和；∑Si为湖泊水体污染物的源汇项，其他符号意义与水运动方程相同.
本模型主要采用交替方向隐式迭代法(ADI)算法和三对角矩阵直接算法(TDMA)联合求解方程组[15].
2.2 地形文件建立汤逊湖水系的面积比较大，地形和边界复杂，结合水动力水质模拟的模型求解精度与收敛性要求，采用规则网格进行划分.根据CAD湖底地形资料，运用ArcGIS工具箱，输入地形测量点和等高线，通过插值方法生成湖底地形，再获取各个网格单元中心的高程值，得到DEM数据，计算区域DEM空间步长纵向距离ΔX=30 m，横向距离ΔY=30 m，汤逊湖、南湖、黄家湖、野湖、野芷湖和青菱湖分别划分成了41 872、8 200、7 496、1 527、1 805和7 540个网格.水下地形如图 1所示，大部分湖底地形集中在16~19 m.
|
| 图 1 汤逊湖水系湖底地形图(单位:m) Figure 1 Underwater topographical map of Tangxun Lake (unit:m) |
利用建立的二维水动力水质模型模拟湖泊水质变化过程，需要边界条件和初始条件.本模型中需要的边界条件包括为开边界处各水质变量的浓度、气象因子(气压、干湿球湿度、降雨量、蒸发量、温度、云量、风速、风向等)、入湖流量、水体温度等.初始条件为湖区各网格处水位、湖区各网格水体的初始水温、初始水质变量浓度等.
2.4 模型参数的率定和验证利用汤逊湖、南湖、野芷湖和青菱湖9个采样点2014年5月13日和6月3日的水质采样数据，对模型进行验证，各参数率定成果见表 1.
| 参数名称 | 数值 |
| 柯氏力常数 | 7.27×10-5 s-1 |
| 横向扩散系数 | 0.5 m2/s |
| 横向涡动粘滞系数 | 8.9 m2/s |
| 糙率 | 0.02 |
| TP降解系数 | 0.008 d-1 |
| 风阻力系数 | 0.001 2 |
| 纵向扩散系数 | 0.8 m2/s |
| 纵向涡动粘滞系数 | 8.9 m2/s |
| NH3-N降解系数 | 0.05 d-1 |
| TN降解系数 | 0.015 d-1 |
采用建立的水流水质模型对汤逊湖水系的水流和水质进行模拟，将模拟值与实测值进行对比验证，得出大部分采样点的相对误差小于15%，误差均在允许范围之内，说明建立的浅水湖泊二维水动力水质模型能够反映湖泊的实际水质迁移状况，结果具有可靠性，能够满足湖泊二维水质模拟的要求.
3 汤逊湖水系连通工程 3.1 连通方案汤逊湖水系部分湖泊污染严重，汤逊湖水质现状为Ⅳ类，并且有继续恶化的迹象，通过充分利用武汉市丰富的水资源，实现江湖连通，能迅速改善湖泊水质.为了探索连通工程下湖区水动力和水质的改善情况，对汤逊湖水系水质状况进行了分析，选定了主要水质指标NH3-N、TN、TP，并依据国内现有的调水工程引水库容比，选取40 m3/s为最佳连通引水流量.
连通方案的选择应尽量保持湖渠连通的原貌，增加引水水流在湖区的流动距离，对湖区水体进行最大程度的置换.为了改善汤逊湖水质，参照以上原则，从梁子湖引水，通过东坝河连通汤逊湖水系和梁子湖水系，引水路线为：梁子湖→东坝河→汤逊湖→青菱河→汤逊湖泵站(陈家山闸)→长江.水网连通工程示意图见图 2，该引水路线能使水流在湖区的流动距离较长，并能充分利用东坝河和青菱河对汤逊湖水体进行置换.
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| 图 2 连通方案引水路线示意图 Figure 2 Schematic representation of water diversion route |
拟定连通方案后，采用验证的二维水量水质数学模型模拟计算汤逊湖引水后的流场分布和水质变化过程，通过对引水20 d后趋于稳定流场分布以及引水10、15、20 d后汤逊湖NH3-N、TN和TP的浓度空间变化进行模拟，分析汤逊湖连通工程的水质改善效果.
3.2.1 流场分析引水开始前，仅在风应力的驱动下，汤逊湖大多数区域流速小于0.01 m/s，污染物降解能力差.引水20 d后，流场分布基本趋于稳定，梁子湖水体从东侧东坝河流入汤逊湖，经最短路线流入西侧，并由出水口排入长江.汤逊湖水体流经区域水流流速增大到0.01~0.05 m/s，入口和出口流速达到了0.5 m/s以上，其他区域引水水体难以到达，水体流动性差，流速仍然较小，其流场图如图 3所示.由于汤逊湖面积较大，边界形状复杂，可以在连通时考虑增加进水口和出水口，加快湖区水体流动，减少滞水区域面积.
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| 图 3 连通方案引水20 d后汤逊湖流场图 Figure 3 Distribution of flow field after flushing 20 days |
根据采样点2014年实测水质数据的年平均值，利用工具插值生成初始浓度.根据模拟得到水网连通方案下引水10、15、20 d后汤逊湖NH3-N、TN和TP空间分布，如图 4~6所示.由图可知，与初始浓度相比，水网连通方案下汤逊湖引水水体流经区域污染物扩散速度加快，使得NH3-N、TN和TP浓度均有一定程度的降低，但在远离引水口和出水口的湖体边界区域，引水水体难以到达，水质改善效果较差，其中汤逊湖西南边界在排污口的作用下，水质逐渐恶化.
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| 图 4 汤逊湖引水10、15、20 d后NH3-N空间分布 Figure 4 Spatial distribution of NH3-N after different flushing days |
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| 图 5 汤逊湖引水10、15、20 d后TN空间分布 Figure 5 Spatial distribution of TN after different flushing days |
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| 图 6 汤逊湖引水10、15、20 d后TP空间分布 Figure 6 Spatial distribution of TP after different flushing days |
通过进一步计算连通方案下引水10、15、20 d后Ⅲ类水体超标比例的降低，得到汤逊湖的水质改善效果，如表 2所示.由表可知，引水10 d后，水质改善比较明显；引水15 d后，湖区水质基本达到稳定；引水20 d后，NH3-N、TN和TP的Ⅲ类超标水体面积的比例降低了14.61%、39.95%、35.79%.水质改善效果与引水15 d相比，增加幅度小，水质改善效率降低.由此可见，实施连通工程后湖泊间及江湖间水力联系和水体流动性的增加，有利于污染物的稀释、扩散和降解，能明显改善汤逊湖的水质，同时也能增强湖泊自净能力.
| 引水时间/d | 水质指标 | 水质改善效果/% |
| 10 | NH3-N | 13.75 |
| TN | 31.15 | |
| TP | 28.05 | |
| 15 | NH3-N | 14.69 |
| TN | 36.54 | |
| TP | 33.03 | |
| 20 | NH3-N | 14.61 |
| TN | 39.95 | |
| TP | 35.79 |
本文针对汤逊湖-梁子湖连通方案，采用二维湖泊水动力水质数学模型，利用ArcGIS工具箱建立地形文件，设计了模拟湖泊水质变化过程需要的边界条件和初始条件，并对模型参数进行率定，最后模拟分析了连通工程下汤逊湖的流场分布和水质改善效果.
模拟结果表明，在水网连通方案下，汤逊湖引水后水体置换效率提高，NH3-N、TN和TP浓度均有一定程度的降低，水质改善效果良好.其中在引水15 d后汤逊湖水质改善效果基本趋于稳定，在实际连通中，为了充分降低工程投资，利用湖泊的自净能力对水质进行改善，可将15 d选取为最优引水时间.由上分析可知，该二维水量水质水动力模型模拟结果较好，可用于深入分析湖泊群水网连通工程中流场和水质浓度整体分布状况，对水网连通工程连通方案进行情景模拟，优选最佳连通模式和引水时间.在连通方案下，汤逊湖引水后水流流经主要区域水质改善效果明显，边界区域处流速变化不大，水质改善效果不佳，在实际工程中可考虑增设进出水口，全面改善湖区水质.
本文建立的二维水量水质模型是汤逊湖水系水网连通工程水质分析的有效工具，能够作为湖泊群连通工程方案效果评估的重要手段，为汤逊湖的治理提供参考.在实际工程中，河湖水系连通工程应结合截污、清淤、水位调控等措施，对水污染进行综合治理，为建立区域水循环系统、改善湖泊水质提供科学依据.
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