洪澤湖水質二維模型應用研究

張靖雨楊逸航

洪澤湖水質二維模型應用研究

張靖雨1楊逸航2

一、研究背景

開辟馮鐵營引河等工程措施是浮山以下段行洪區調整的重要內容之一。馮鐵營引河建成后，部分干流洪水可直接通過溧河洼進入洪澤湖，在降低淮干水位的同時加快了淮河中游入洪澤湖洪水的下泄速度，使洪澤湖的入流條件發生較大變化，對洪澤湖的水質及周邊環境將產生一定的影響。本研究利用WASP軟件建立湖泊二維水質模型，模擬出在典型年洪水、不同來水水質、洪澤湖湖區本地水質等影響范圍和程度，能夠深入闡明馮鐵營引河啟用后對洪澤湖水環境的影響，為浮山以下段行洪區調整和建設的前期工作提供技術支撐。

二、研究內容概述

1.研究區域概況

洪澤湖為淮河流域最大的湖泊型水庫，也是中國五大淡水湖中的第四大淡水湖泊。洪澤湖屬淺水湖泊，湖盆呈淺碟形，湖底十分平坦，湖區地形總趨勢為西高東低，湖底為現代河湖沉積物所覆蓋。根據近期相關洪澤湖水質的評價中，湖區大部分區域的耗氧有機污染狀況稍好，而湖泊的富營養狀況并不樂觀。

2.水質模型簡介

水質模型是描述參加水循環的水體中各水質組分所發生的物理、化學、生物和生態學等諸多方面變化規律和相互影響關系的數學方法。WASP模型也是由美國國家環保署（EPA）提出的水質分析模型，可以用于湖泊、河口、水庫、河流、河岸等的一維、二維和三維水質模擬。同時WASP軟件能夠方便地和多種水力學程序如 EFDC、DYNHYD5等對接，能模擬大多數水體中的污染物，具有高效的富營養化和有機污染物的處理模塊，其計算結果與實測的結果可直接進行曲線比較。本次研究選用的軟件版本為WASP6。

三、水質模擬

1.流域空間離散化

本文借助ArcGIS9.3軟件提取數字化后洪澤湖的湖底高程數據以及邊界坐標，然后按照EFDC軟件所需要的文件格式導入地形數據。本文采用等距正交網格在計算域內剖分為1443等距矩形網格，空間差分步長1000m。

2.模擬方案

結合淮河流域的歷年污染事故與近年的水質狀況，選定模擬的水質指標為COD與NH3-N，以淮河干流2007年典型洪水年的水量水位數據為來水量，將EFDC與WASP進行耦合，對馮鐵營引河啟用與否條件下洪澤湖湖區的水質進行模擬對比。

由于自2007年7月8日起，淮河干流入湖流量超過5000m3/s，至 2007年 8月3日，淮干入湖流量低于5000m3/s。因此本次模擬的起止時間為2007年7月8日至2007年8月4日共計28d，能夠較好地通過模擬對比來說明引河啟用前后洪澤湖湖區的水質變化情況。

3.初始條件與邊界條件

模擬污水入湖前湖區水質以III類水質標準為初始濃度，即COD濃度為20mg/L， NH3-N濃度為1mg/L。模擬淮河干流來水污染時水質以V類水質標準為主，即取COD濃度為 40mg/L，NH3-N濃度為2mg/L。設定模擬情景為：2007年7月8日至2007年7月15日共7d的淮河干流入湖污水濃度為V類水質標準，即取COD濃度為 40mg/L，NH3-N濃度為2mg/L；2007年7月16日至8月4日共21d的淮干入湖污水濃度為III類水質標準，即取COD濃度為20mg/L，NH3-N濃度為1mg/L。

4.參數設置

本次模擬主要污染物綜合衰減系數k參考《淮河流域及山東半島水資源保護規劃》分析成果，即COD的k值：k=0.050+ 0.68u；NH4+-N的K值：k=0.061+0.551u。本文模擬中COD的綜合衰減系數k=0.05，NH3-N的綜合衰減系數k=0.06。

5.模擬對比結果

圖1 洪澤湖水域分區和點位位置圖

將引河啟用前后NH3-N以及COD濃度變化做對比，選取二河、三河出湖口位置、湖中溧河洼區、中心湖區、成子湖區等點位數據，所選點位置如圖1所示。

圖2 引河啟用前后A點（臨淮區）NH3-N、COD濃度變化曲線

圖3 引河啟用前后B點（湖中區）NH3-N、COD濃度變化曲線

圖4 引河啟用前后C點（成子湖區）NH3-N、COD濃度變化曲線

圖5 引河啟用前后二河出口處NH3-N、COD濃度變化曲線

各點初始濃度均為設定的III類水質標準，各點水質濃度變化曲線列圖如圖2。

臨淮區水質在前10d左右變化較小，水質濃度基本保持一致；在前的第一周后至第20d期間水質濃度呈現緩慢上升趨勢，NH3-N、COD濃度最高分別為1.15mg/L和23.1mg/L；而在啟用后的該段期間內，水質濃度上升較快，NH3-N、COD濃度最高可達到近1.4mg/L和28mg/L。

如圖3，位于湖中心區的B點在引河啟用前后水質濃度相較變化不大，在第7d至第14d啟用后NH3-N、COD濃度較啟用前有所下降，其他時間范圍內濃度基本不變。

如圖4，位于成子湖片區的C點相比湖區其他各點，水質濃度變化最小，整個時間期間內基本維持在初始的III類水質標準，受引河啟用影響最小。

如圖5、圖6，二河、三河出口處水質濃度在初期先有所降低后逐步上升，二河處第12d出現峰值，啟用前的NH3-N、COD 濃 度 分 別 達 到 1.37mg/L和27.5mg/L，啟用后濃度有所下降；三河處在前三周水質濃度基本維持在III類水平，但從第22d后啟用前的水質濃度迅速升高，NH3-N、COD濃度分別達到1.9mg/L和35mg/L，而啟用后水質相比升高幅度較小。

圖6 引河啟用前后三河出口處NH3-N、COD濃度變化曲線

在淮河干流來水水質為Ⅴ類標準值的情況下進入洪澤湖的第一周，位于臨淮區的A點并未受到影響，而從第二周開始，污染團擴散遷移至臨淮片區，A點濃度也隨之上升。引河啟用后，受溧河洼區域污水水流推流作用的影響，A點濃度較啟用前上升較快。湖中心區B點主要受來自淮干污水影響，濃度峰值出現時間早于臨淮區。另外由于水流流場分布原因，成子湖片區受污水影響最小，水質濃度在啟用前后以及時間范圍內基本保持不變。

根據模擬的水流流場分布，由于受到二河閘、三河閘下泄流量的控制影響。三河出湖處水流流場較為密集，污水進入湖區后，主要流向三河片區，因此造成三河處水質濃度峰寬大，峰值出現較二河處早；而二河處在第三周后流場才逐漸密集，出現高流速區，因此峰值出現較晚，且較陡。

四、結論

本文通過建立湖泊水質二維模型，模擬分析了馮鐵營引河開挖后污水由引河進入洪澤湖湖區后的水質變化情況。

通過選取湖區內不同點位的水質變化，得知引河啟用后，污水隨水流推流作用進入湖區后，除溧河洼區直接受引河污水影響外，臨淮區水質濃度在啟用后的第一周后至第20d期間上升較快，與啟用前濃度差別較大。其他區域水質濃度受影響不大，引河將污水分流進入湖區后，同期內湖區內總體水質濃度有所下降。

根據淮河流域歷年發生的水污染事故經驗和洪水歷程，淮河干流發生水污染時，干流來水均未達到過馮鐵營引河規劃中的啟用條件。當洪水達到5000個流量以上時，淮河水質均好于Ⅲ類，因此本研究模擬的方案在實際中發生的幾率很小

（作者單位：1.安徽省·淮委水利科學研究院 233000 2.河海大學水利水電學院 210098）