基于水質改善的枝江金湖水系連通方案研究

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌　443002； 2.湖北省枝江市水利局，湖北 枝江 443200)

外流域調水是水體修復的一種物理方法，對于緩解地區經濟發展與水資源時空分布不均、湖泊供水不足、水質惡化等問題，改善水生態環境，提高水資源和水環境的承載能力，維持社會、經濟、生態的可持續發展，均有重要的支撐作用[1-3]。近年來，涌現了包括武漢大東湖水網連通工程、黃石磁湖-長江連通工程，安徽引江濟太工程、廣州亞運會水系連通等一大批以湖泊水生態治理為目標的河湖連通工程[4-7]。

金湖作為枝江市最大的景觀湖泊，由于長期缺乏妥善的保護與管理，湖泊水量不足、水質惡化等問題突出，迫切需要研究科學的水系連通方案，對金湖進行適時補水和換水。金湖地理位置見圖1。

該研究擬通過分析金湖水源現狀及景觀規劃需求，通過調洪演算確定兼顧景觀效果與防洪安全的正常蓄水位，結合金湖水系設施現狀及相應地質等情況，擬定可行的從長江往金湖引水的線路及相應引水流量，結合MIKE21模型驗證不同引水流量下金湖水動力情況及水質改善效果，綜合選定最適宜引水流量，并通過MATLAB編程計算引長江水入金湖后達到目標水質所需時間，以期為金湖水質及水生態環境的改善及后期工程建設的開展提供理論依據，為其他水系連通工程的建設及相關研究提供參考。

圖1　金湖地理位置

1　流域概況

金湖位于湖北省枝江市東部馬家店(街辦)、仙女、問安三鎮之間，北靠丘陵屬仙女鎮，南臨平原濱長江，距枝江城區12 km。金湖由東湖與西側的劉家湖兩部分組成，兩湖之間僅隔一堤，有閘涵相通，并與上游魯家港水庫通過泄洪渠道連通。平均湖底高程 37.85 m，堤頂高程42.60 m，平均水深1.5 m，最深處2.5 m，正常水位39.92 m，相應庫容949萬m3，水面 4.98 km2。控制流域面積106 km2，堤防長度 3.1 km，最大庫容2 145萬m3。金湖主要有上游魯家港水庫的尾水和四季港來水兩處水源，多年平均水資源量為3 375.91萬m3，多年平均流量1.07 m3/s，水資源量相對匱乏。

近年來，由于湖區周圍人口密度不斷增加、工農業生產、水產養殖以及旅游業的迅猛發展，大量污染物進入金湖。外源污染源源不斷，水質惡化趨勢嚴重。表1為2015年枝江市金湖水質監測評價結果，監測數據顯示，大部分月份水質為劣Ⅴ類及Ⅴ類，個別月份為Ⅵ類，主要超標項目為總磷，水體富營養化日趨嚴重。

表1　2015年枝江市金湖水質監測評價結果

2　換水方案研究

2.1　正常蓄水位調整

根據《枝江市城市總體規劃(2012～2030年)》和《枝江金湖旅游景區總體規劃(2014～2025年)》，要求將金湖打造成為“國家5A級風景旅游區”、“國家文化旅游綜合體建設示范景區”以及“湖北省著名的文化休閑旅游區”、“枝江市旅游目的地旅游區”和“枝江市旅游第一品牌”。為打造良好的金湖景觀，展現金湖宜人的自然風光，需要盡量保持其最大持水量，水位保持較高水平；同時充分考慮金湖的防洪安全，汛期水位不宜過高，應保證足夠的防洪庫容。根據《防洪標準》(SL252-2000)，金湖庫容屬Ⅴ等小(二)型工程，且根據《枝江市城市總體規劃(2012～2030年)》，金湖需滿足50 a一遇校核的防洪標準，結合圖2的洪水過程，以及金湖排水渠泄流能力，用傳統的列表試算法計算各工況下的湖泊最高水位，計算時考慮所有渠道參與泄洪，將汛期湖泊水位值盡可能抬高。

圖2　金湖不同標準洪水過程水位-湖容曲線

金湖堤頂高程42.60 m，預留安全超高0.50 m，經詳細計算，得到金湖遭遇50 a一遇洪水時，初始湖水位40.50 m對應最高湖水位為42.09 m，見表2。因此金湖正常蓄水位由目前的39.92 m調高至40.50 m，既能滿足金湖防洪安全，又能達到良好的景觀效果。

2.2　生態換水量研究

城市湖泊生態環境需水量是城市湖泊發揮其正常功能所需具備的一定水質的水量[8]。金湖作為景觀湖泊，在保證泄洪安全的前提下，應盡量保證湖內蓄有較多的水質達標的水量以滿足良好的景觀功能性。正常蓄水位 40.50 m，根據金湖水位-湖容曲線(圖2)，對應的蓄水量約為1 000萬m3。當湖水水質較差時，借助水系連通工程從長江引水至金湖，對湖中1 000萬m3水體進行交換。因此換水量確定為正常蓄水位以下對應湖容1 000萬m3。

表2　不同汛前蓄水位試算成果

2.3　引水線路研究

金湖原有附屬水系設施由從西至東依次為：紅星渠、東湖排渠、東湖西排水渠、高灌渠。其中紅星渠、東湖排渠北接金湖，南接長江，紅星渠首建有一座劉家湖排水閘，渠尾為紅心泵站，汛期可抽排渠內洪水；東湖排渠渠尾為東湖排閘，設計排水流量18 m3/s，其主要作用為汛期擋洪；東湖西排水渠位于金湖東端，東西走向，渠尾通過涵管穿過高灌渠底部與南北向的江口站總干渠相連，為汛期金湖排洪的主排渠，江口站總干渠渠尾為江口排灌站，可灌排兩用；江口站高灌渠位于金湖東側，相距約2 km，南北走向，南接江口排灌站，北通問安鎮，主要是干旱缺水時向問安鎮引水用于灌溉，設計引水流量7 m3/s。

為改善及保證東湖的水質，經綜合考慮以上金湖附屬水系設施現狀及周邊地理、交通等條件因素，擬定金湖-長江水系連通線路，如圖3所示。湖中水質達標時，通過東湖節制閘、東湖排渠、東湖口節制閘、劉家湖排水閘將湖中水位控制在正常蓄水位40.50 m；當湖中水質惡化需換水時，打開東湖節制閘、劉家湖排水閘，具體進水線路為：從長江通過江口泵站提水至高灌渠，在高灌渠、西排水渠交叉處新建一段導流渠將兩者連通，經高灌渠、東湖西排水渠將水流引至金湖；出水經劉家湖排水閘、紅星渠排至長江。

圖3　金湖-長江連通線路示意圖

2.4　引水流量研究

2.4.1MIKE21計算模型

MIKE21是丹麥水環境研究所開發的二維水質模擬軟件，適用于河口、海岸、湖泊，共有4種網格形式，能擬合復雜的邊界條件。MIKE模型在諸多水系連通工程方案的確定中已有過不少應用。田傳沖等利用MIKE11，建立了大田港流域降雨徑流-水動力-水質耦合模型，模擬對比分析并擬定了水系連通方案[9]。任朋等基于MIKE11水動力-水質模型，模擬海口市環城河河道在不同調水工況下水質濃度沿河道變化，確定了中心城區水系連通工程的調水流量；黃琳煜等應用MIKE11 模型軟件對世博園區浦東片白蓮涇區域河道進行了水量、水質模擬[10-11]。

金湖邊界條件復雜，應選擇 MIKE21對金湖換水工程及其效果進行模擬。考慮選擇MIKE21的水動力學模塊對金湖水體在不同引水工況下的水體水位和流場的變化，對比分析優選出相對高效可行的補水流量。

2.4.2工況擬定

根據資料可知，江口高灌渠設計過流能力為7 m3/s，東湖西排水渠設計流量為20 m3/s，東湖排渠20 m3/s，四季港多年平均來水流量為0.1 m3/s，魯家大港設計流量無資料，但是根據調查，魯家大港常年無來水流入東湖，只有降雨形成徑流流入，根據枝江市氣象資料及產匯流計算約為 0.2 m3/s。

為進一步確定引水流量，初步擬定以下3種引水工況，分別為：3，5 m3/s和7 m3/s。利用MIKE21模型分別模擬以上3種引水流量下金湖水動力學狀況，劉家湖排水閘打開時，湖中初始水位為正常蓄水位 40.50 m，模擬引水時長為30 d。

2.4.3換水效果模擬方案

(1)方案一。當引水流量為3 m3/s時，引水過程中金湖平均流速為 0.002 m/s，湖泊局部最大流速達到 0.5 m/s，穩定后流速為0.01～0.02 m/s；

(2)方案二。當引水流量為5 m3/s時，引水過程中金湖平均流速為0.006 m/s，湖泊局部最大流速達到1.1 m/s，穩定后流速為 0.02～0.04 m/s；

(3)方案三。當引水流量為7 m3/s時，引水過程中金湖平均流速為 0.02 m/s，湖泊局部最大流速達到 2.1 m/s(紅星渠出口)，穩定后流速為0.05～0.08 m/s。

2.4.4引水流量確定

根據MIKE21模型模擬結果，引水流量為5 m3/s時，補水至第17 d后湖中水動力條件基本保持相對穩定的狀態；此時，湖中進水流量略大于出水流量，水位基本穩定在正常蓄水位，全湖水體流速分布均勻，摻混效果較好。引水流量為3 m3/s時，全湖水體流速分布均勻，但摻混效果不明顯，水體流速緩慢，水量補充緩慢，短期內對水動力條件改善效果不明顯；引水流量為7 m3/s時，水體摻混效果很好，但由于高灌渠過水量已達到負荷極限，渠道兩側多民居，不利于兩岸居民安全，且湖中進水流量略大于出水流量，水位有升高趨勢，不利于防洪安全，另外劉家湖排水閘出水口附近水體流速過大，沖刷嚴重，不利于邊坡及建筑物運行安全。因此，綜合比較分析確定引水流量為5 m3/s。

3　引水對水流水質的影響分析

特定水域在一定設計水量條件下，滿足水功能區水環境質量標準要求的污染物最大允許負荷量，稱為水體的納污能力，又稱為水環境容量[12]。水環境容量包括稀釋容量與自凈容量[13]。稀釋容量體現在引水對水體的稀釋作用，自凈容量即水體的自凈能力，體現在引水時湖中水體的水動力情況。金湖的水質及水流條件能一定程度上反映金湖水環境容量的情況，因此綜合金湖引水后水體的水質、水流條件的改善效果評價所選定引水方案的可行性。

3.1　引水對水質的改善

根據監測數據，總磷是金湖水質超標的主要因子，因此選定總磷濃度為作為金湖引水水質改善效果的目標因子。為滿足金湖景觀供水需要，需將正常蓄水位以下的水體中總磷含量稀釋至目標濃度，針對確定的方案，通過MATLAB編程計算輸出金湖水體總磷濃度隨換水時間的變化關系曲線，分析出將金湖水體總磷濃度稀釋到目標濃度所需要的時長。

計算采用完全均勻混合模型，假定湖泊是完全均勻混合的，湖泊中某種營養物濃度隨時間的變化率是輸入、輸出和在湖泊內沉積的該種營養物質的量的函數，公式為

(1)

式中，V表示金湖的容積，萬m3；C表示總磷濃度，mg/L；W表示污染物總磷平均排入量，mg/s；t表示時間，s；Q表示出入湖庫流量，m3/s；K表示湖中總磷衰減或沉降速率系數。

推導出公式如下：

VC+(Q1C1+QyCy)dt-CpQpdt=

(C+dC)(V+dv)

(2)

C=B/A-(B/A-C0)exp(-A/Vt)

(3)

式中，C表示湖中污染物濃度，mg/L；Ql表示入湖負荷流量，m3/s；Cl表示入湖負荷污染物濃度，mg/L；Qy表示引水流量，m3/s；Cy表示引水中污染物濃度，mg/L；Cp表示排出污染物濃度，mg/L；Qp表示排出流量，m3/s；不考慮污染物降解，紅星渠排出與入湖等流量污水；A=CpQp+Ql+Qy-Qp；B=(QlCl+QyCy)；初始條件：t=0，C=C0(湖中污染物原濃度)，V=V0(湖庫初始庫容)。

所引長江水水質為Ⅲ類水，金湖換水目標水質為Ⅳ類水。取金湖庫容V0=1 000萬m3，總磷初始濃度C0= 2 mg/L(Ⅴ類)，Xx河入湖流量Ql=0.5 m3/s，總磷C1=0.35 mg/L(Ⅴ類)，計劃長江調水Qy=5 m3/s，總磷Cy=0.15 mg/L(Ⅲ類)，金湖水質目標：總氮Ct=0.25 mg/L(Ⅳ類)。

模擬結果如圖4所示，計劃從長江引水5 m3/s工況下，總磷擬達到Ⅳ類水標準需27.8 d。相較于王冼民等用EcoTaihu 模型模擬比選出的150 d的太湖適宜換水時長、郭武等通過換水周期法計算得出的湖南湘陰東湖最小換水周期50.7 d，本研究所得金湖達到目標水質的換水時長為27.8 d，換水效率相對較高[14-15]。

圖4　湖中總磷濃度隨換水時間變化

3.2　推薦方案下引水對水流的影響

在計算換水時長時沒有考慮水體污染物降解，綜合降解系數反映了污染物降解速率的快慢，是計算水環境容量的主要參數之一。影響綜合降解系數的因素主要包括流速、流量、pH、水溫、污染物本身的屬性及濃度梯度、水體中微生物性質等。向金湖引水，將直接影響金湖水體的流速，從而影響金湖的綜合降解系數，最終影響金湖的水體自凈能力。

綜合降解系數K具有不確定性和動態性，其計算方式有多種，公式如下：

K=k(lnC1-lnC2)U/L

(4)

式中，K為河流綜合降解系數；k為常數，根據不同水體取值，常取經驗值；C1、C2分別為湖中及引水水體的污染物濃度，mg /L；U為引水段水體的平均流速，m/s；L為補水斷上下斷面間距，km。

根據公式可得，綜合降解系數K與流速成正相關，流速越大，綜合降解系數K越大，水體的自凈能力越強。根據MIKE21模型模擬結果，由江口站西排水渠引水5 m3/s至金湖，表層流速如圖5所示。由圖可知，未引水時金湖水體大部分處于靜止狀態，引水過程中大部分水體具有流速，平均流速約為0.006 m/s，湖泊局部最大流速達到1.1 m/s，穩定后流速為0.02～0.04 m/s，引水使水體平均流速提高，水體的自凈能力增強，有效改善了金湖水質。

圖5　金湖水體表層流速矢量圖

4　結　論

(1)金湖水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類，主要超標項目為總磷，湖區水質呈中度富營養化，水質不達標。為使其水生態環境得到改善，打造風景區，實施水系連通工程，勢在必行。

(2)工程擬從江口高灌渠處引長江水進金湖，在江口高灌渠長江引水口處修建提水泵站，在江口西排水渠及江口高灌渠連接處附近修建分水閘和兩節制閘。排澇時，通過紅星渠、東湖排渠、江口西排水渠將水從金湖排進長江。

(3)在從金湖正常蓄水位 40.50 m以下，換水量約為1 000萬m3，在27.8 d內可使金湖水體總磷濃度達到Ⅳ類以上；根據MIKE21模型模擬，引水流量為5 m3/s時，全湖水體流速分布均勻，摻混效果很好，能確保湖泊岸堤安全。

(4)本研究在考慮金湖-長江連通線路的擬定時，忽略了換水時湖內不達標的水體直接排入長江的可行性，另外在模擬金湖換水水質改善效果時采用的零維模型忽略了湖泊自身對污染物的降解作用，在后期深入研究中需做出改進和完善。

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