基于水質目標的人工生態湖運行方式研究

宋文超，萬 俊，符 強，侯曉輝，邢寶龍

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州450016；2.中牟縣黃河河務局，河南中牟451450）

生態湖具有雨洪調蓄、景觀補水、旅游觀光等多種功能。生態湖調度運行即在一定時間內對湖內水體進行更新與替換，使其維持一定水位、水質達到某一標準。目前，關于水庫調度運行方式的研究較多，但傳統的生態湖調度方式多考慮水量要求，而忽視了水質目標。近年來，隨著計算機技術的進步，數值模擬成為了研究生態湖調度運行方式的有效方法，魏珂等［1］根據洪湖多年引水水質構建了洪湖生態環境用水量模型；羅佳翠等［2］通過二維水環境模型進行了牛欄江引水效果預測，得到了滇池水質基本達標所需的調水量；哈佳等［3］利用MIKE21水動力模型和對流擴散模型系統模擬了人工湖不同點位水體交換完成時間，確定了引水流量、引水周期、湖區重污染潛在區域和富營養化高發區。

合理的調度運行方式對維持水體水動力條件以及換水周期，增強水體自凈能力，加速水體中污染物降解，提高水體水環境質量，維持水體健康，滿足生態和景觀需求等具有重要意義。為了模擬人工生態湖建成后的水質狀況，以鄭州象湖為例，以城市水體水質保護為目標，對人工生態湖水體運行方式進行研究，旨在尋找符合水質要求的大面積水體運行方式，以滿足城市水生態建設要求。

1 研究區概況

白沙園區位于河南省鄭州市鄭汴新區中西部，是鄭州都市區重要拓寬空間和中原經濟區核心增長重要組成部分。象湖生態工程是白沙園區生態水系工程的一個重要組成部分，位于鄭開大道與賈魯河交叉處，分布于鄭開大道兩側，東至前程路，西至楊橋路，南至高莊、白墳兩村，北至升平路、祭城路之間。象湖一期工程湖體水面面積37萬m2，水體117萬m3，包括水源工程、一期湖體開挖工程、防滲工程和退水工程。一期水源工程指引水工程，設計通過沿賈魯河左岸新開挖渠道從楊橋干渠引黃河水入象湖，渠道長約390 m，設計引水流量為1 m3／s。一期工程位于賈魯河、鄭開大道以北區域，工程總開挖面積約為41.4萬m2，開挖方量約為296.25萬m3，一期工程建設完成蓄水后，總水面面積可達37萬m2，其中淺水區、過渡區及深水區面積分別為4萬、24萬、9萬m2。湖周護岸采用垂直擋墻式護岸和自然生態式護岸，水質控制目標為Ⅳ類。

2 數值模擬模型原理

2.1 水動力模型

象湖水體不存在明顯分層現象，采用二維模型即可滿足研究需要，經過模型比選，水動力模型采用MIKE21模型中的水動力模塊。MIKE21模型中的水動力模塊（HD模塊）是其核心模塊［4］，可以模擬因各種作用力而產生的水位及水流變化，并為水質變化、泥沙輸移和溢油污染等其他模塊提供必要的水動力學基礎，可用于忽略分層的二維自由表面流的模擬［5-6］。基本控制方程：

式中：t為時間；η為水面相對于未擾動水面的高度；h為靜止水深；u、v分別為流速在x、y方向上的分量；τsx、τsy分別為自由表面風在x、y方向上對水面的剪切應力；τbx、τby分別為在x、y方向上的底床摩擦應力項；Pa為當地大氣壓；ρ為水密度；ρ0為參考水密度；f＝2Ωsinφ為科氏力參數（其中Ω為地球自轉角速率，Ω＝0.729×10-4s-1，φ 為地理緯度）；g 為重力加速度；fˉv、fˉu為地球自轉引起的加速度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應力項；S 為源匯項；us、vs為源匯項水流流速［6］。

2.2 水質模型

水質模型采用ECOLab，ECOLab是MIKE系列模擬軟件中的一個功能模塊，可以模擬水生態系統中變量之間的轉化過程和相互作用，同時可用于描述各種狀態變量的沉降、懸浮、吸附和解吸等物理過程，可用于湖泊、河流、濕地水質模擬［7-8］。基本控制方程組：

式中：PC、PN、PP分別為浮游植物含碳量、浮游植物含氮量、浮游植物含磷量；CH為葉綠素含量；IN、IP分別為無機氮和無機磷含量；prpc為浮游植物的產碳量；prch為浮游植物光合作用生產的葉綠素量；unpn、uppp分別為浮游植物攝取氮和磷的量；grpc、grpn、grpp分別為浮游植物被浮游動物牧食后損失的碳、氮、磷的量；depc、depn、depp、dech分別為因浮游植物死亡而損失的碳、氮、磷和葉綠素的量；sepc、sepn、sepp、sech 分別為隨浮游植物下沉損失的碳、氮、磷和葉綠素的量；redn、redp分別為水體中的碎屑礦化分解形成的無機氮和無機磷的量；rezn、rezp分別為水體中的浮游動物在呼吸作用的同時釋放出的無機氮和無機磷量；depn2in和depp2ip分別為浮游植物死亡后釋放的無機氮和無機磷的量；unbn和upbp分別為底棲植物攝取無機氮和無機磷的量；rebn、rebp分別為隨底棲植物呼吸作用釋放的無機氮和無機磷的量。

3 水動力水質模型建立

3.1 計算區域及網格

結合象湖一期工程規劃設計地形資料，構建象湖二維水動力水質模型，模型范圍東西向為1.2 km，南北向為0.6 km，湖區網格單元格邊長約10 m，局部地形變化較大區域網格加密至5 m，模型網格節點總數1 087個，網格劃分見圖1。

圖1 計算區域及網格劃分

3.2 進出邊界條件

水動力模型邊界條件：湖區入口采用給定流量邊界條件，出口采用給定水位邊界條件；象湖水質模型考慮了自然風、降雨蒸發及大氣沉降的影響，并根據不同的水質條件設置入流水質邊界，其中引黃水補水水質條件采用經過沉淀池沉淀后的引黃水實測數據資料，見表1。

表1 引黃水經沉淀池沉淀后的水質指標

4 模擬結果分析

4.1 水動力模型分析

（1）流場分析。分析了不同入流方案對湖區流場的影響。方案一入流方向與賈魯河縱向大致平行，往北略微偏向湖區；方案二入流方向與賈魯河相交約30°，往南偏向賈魯河。湖區流場見圖2、圖3。從圖中可以看出，由于湖體進出口分布在湖區西部，因此湖區西部水體流動較為明顯，而湖區東部水體流動較弱。在湖區西部，水流從入口進入湖體并擴散到周圍區域，并逐步流向下游，最后從湖區出口流出湖體。方案一和方案二湖區水體流動的主要區別在湖區入口區域，方案一主流在北側湖區，在南側靠近賈魯河處形成了回旋區，方案二主流在南側靠近賈魯河處，在湖區北側形成了回旋區。

圖2 方案一湖區流場

圖3 方案二湖區流場

（2）換水周期分析。不同方案下湖區換水周期分布見圖4、圖5。從圖中可以看出，湖區西部換水效果較好，而湖區東部水體流動較弱，換水周期較長。在湖區西部，主流區換水時間短，效果較好，回旋區換水時間相對較長。方案一西部湖區北側換水效果較好，南側換水周期相對較長；方案二西部湖區南側換水效果較好，北側換水周期較長。由不同進口水流入湖方向湖區換水率（見表2）可知，方案一湖區平均實際換水率較方案二的大，說明湖區進口水流入湖方向與賈魯河縱向大致平行相較于與賈魯河大角度相交更有利于湖區整體換水。

圖4 方案一湖區換水周期分布

圖5 方案二湖區換水周期分布

（3）水系補源方案分析。水系補源在方案一（入流方向與賈魯河縱向大致平行）基礎上采用如下方案：方案A，補水、退水同時進行，按1 m3／s流量進水，13.5 d換水一次；方案 B，換水時從正常蓄水位80.36 m先退水0.50 m，水位下降至79.86 m時，開始補水，補水流量為 1 m3／s，13.5 d 換水完畢。

表2 不同方案湖區換水率

自然風條件下，兩種補源方案湖區換水周期分布見圖6。從圖中可以看出，兩種補源方案湖區換水周期分布規律相近。經模型計算，自然風條件下，在1 m3／s的換水流量下，湖區西部換水周期小于22 d，湖區東部換水周期22～27 d，補水方案A湖區平均換水周期26 d，補水方案B湖區平均換水周期23 d。

圖6 自然風條件下湖區換水周期分布

經計算，自然風條件下，采用補水退水同時進行的補源方案實際換水率為65.9%，采用先退水再補水的補源方案實際換水率為66.6%。自然風條件下，采用先退水再補水方式的湖區換水效果略優于補水退水同時進行方式的。

4.2 水質模型分析

（1）水華風險分析。MIKE ECO Lab軟件的優勢不僅僅在于可以模擬湖區營養鹽濃度在水體中的分布情況，而且能夠模擬湖區藻類在合適溫度、光照等外界條件下的生長情況。因此通過ECO Lab水質模型模擬在高溫、自然光照等條件及營養鹽較充足情況下，湖區藻類生長與時間的響應關系，以此得到防止湖區出現水華風險的初步換水周期和換水量，為后續換水工況設置提供參考。

在 1 m3／s流量（即理論換水周期 13.5 d）連續入流條件下，氣溫、光照等自然條件良好及營養鹽較充足時，評估藻類的生長變化。通過ECO Lab水質模型模擬得到湖區葉綠素濃度逐漸增大（見圖7），經過18 d左右葉綠素濃度已達到0.030 mg／L，接近《地表水資源質量評價技術規程》（SL 395—2007）湖泊營養狀態評價標準及分級方法中葉綠素濃度大于0.026 mg／L的富營養狀態，可以認為此時湖區有一定的水華風險。

圖7 葉綠素濃度變化情況

通過以上模擬結果分析可知，在高溫、營養鹽負荷充足情況下，湖區在連續入流條件下保持時間不宜超過18 d，否則需要加大換水量或者減少入流污染負荷。

（2）生態湖水質年變化分析。模擬生態湖正式運行后不同補換水次數對湖區水質的影響。在正常運行時，根據黃河調水調沙時間，6月下旬至7月中旬停止引水，8月停止10 d引水的基本運行方式來設置工況，確保在合理換水周期下水質達標。換水方式采用在一個換水周期保持連續換水，模擬工況為在入流方向與賈魯河縱向大致平行，先退水再補水的水系補源方案基礎上換水3、4、6、7次4種。工況一換水3次，換水時間為6月上旬、7月下旬、8月中下旬；工況二換水4次，換水時間為6月上旬、7月下旬、8月中下旬、9月上旬；工況三換水6次，換水時間為6月上旬、7月下旬（2次，每次 5 d）、8月中下旬（2 次，每次 5 d）、9 月上旬；工況四換水7次，換水時間為6月上旬、7月下旬（2次，每次 5 d）、8月中旬（2次，每次 5 d）、8 月下旬、9月上旬。

在以上工況條件下模擬計算得到TN、TP、葉綠素濃度年變化情況，見圖8～圖10。春季氣溫較低，藻類生長基本停滯，TN、TP濃度維持在較低水平。5月后，藻類生長加快，湖區營養鹽濃度較充足，6月和7月開始富集，導致營養鹽濃度較快升高。在湖區增加換水補水次數的情況下，營養鹽濃度開始下降，10月氣溫下降，藻類死亡沉積后開始恢復至正常水平。從全湖TN平均濃度來看，3次換水和4次換水時TN濃度在8月超過地表水Ⅳ類水質標準；6次換水和7次換水時TN濃度除7月滿足地表水Ⅳ類水質標準外，其他時段均在Ⅲ類水質標準范圍內。從全湖TP平均濃度來看，3次換水時在7月下旬后難以達到地表水Ⅳ類水質標準，4次換水時TP濃度在7月下旬至8月底超過地表水Ⅳ類水質標準，6次換水和7次換水能確保TP濃度在Ⅳ類水質標準范圍內。

圖8 TN濃度年變化曲線

圖9 TP濃度年變化曲線

圖10 葉綠素濃度年變化曲線

根據《地表水資源質量評價技術規程》（SL 395—2007）中湖泊營養狀態評價標準及分級方法，TN濃度大于 1 mg／L、TP 濃度大于 0.1 mg／L、葉綠素濃度大于0.026 mg／L時，可以認為水域處于中度富營養化狀態，湖區水質處于風險狀態。3次換水和4次換水時7月和8月為水華風險時段；由于氣溫較高，因此在營養鹽充足情況下，6次換水和7次換水雖然TN、TP濃度減小，但是葉綠素濃度在7月底至8月初仍然較高，在高溫天氣條件下也具有一定的水華風險。

綜上所述，從指標濃度的年變化曲線看，3次換水和4次換水TN和TP濃度在夏季會超過地表水Ⅳ類水質標準；6次換水和7次換水夏季TN、TP濃度在地表水Ⅳ類水質標準內；7次換水較6次換水對9月以后生態湖水質條件有所改善，但對水華風險的防控影響不大。

（3）生態湖水質優化措施模擬分析。根據上述模擬結果并考慮實際運行管理方式，采用夏季4次換水基礎上削減來流污染物及人工濕地處理方式來保證湖區水質達標，并對此進行分析。夏季4次換水時間為7月中下旬2次，8月上中旬1次，8月下旬到9月中旬1次，春季及冬季視水質情況決定是否換水。水質改善措施主要采用地下水補水方式進行換水，或者在環湖濱帶布置濕地對湖水進行處理。優化方案見表3。

表3 優化方案

TN、TP及葉綠素濃度年變化曲線見圖11～圖13。優化方案在整體上與原方案變化趨勢相似。春季氣溫較低，藻類生長基本停滯，TN、TP濃度維持在較低水平；5月后，藻類生長加快，湖區營養鹽濃度較高，6—7月營養鹽開始富集，導致營養鹽濃度較快升高；在湖區增加換水的情況下，營養鹽濃度開始下降，至10月后開始恢復至正常水平。從7月下旬換水開始，由于來流濃度不同及生態優化措施的實施，各指標濃度開始分化。原方案各指標濃度最高，優化方案一水質最好，優化方案三次之。

圖11 優化方案TN濃度年變化曲線

圖12 優化方案TP濃度年變化曲線

通過對4種方案TN、TP及葉綠素全湖濃度的對比，如果采用4次換水方案，原方案只采用黃河水時TP指標超出了地表水Ⅳ類標準，在夏季無法保證生態湖湖區水質，需要另外補充水質較好的地下水或者對引黃水進行處理。從圖11～圖13可以看出，優化方案一、優化方案二及優化方案三均可以滿足生態湖湖區水質要求。

圖13 優化方案葉綠素濃度年變化曲線

為減少地下水使用量、降低運行成本并考慮生態措施，建議采用優化方案三，即引黃水加環湖濕地的生態運行方式。濕地處理水量9 400 m3／d，處理出水水質達到Ⅲ類水質標準下，經模型模擬可以保持湖區地表水Ⅳ類水質。根據《人工濕地污水處理工程技術規范》（HJ 2005—2010），采用垂直潛流式人工濕地來保持湖區水質，水力負荷 1 m3／（m2?d），停留時間 1 d，規劃濕地面積需約0.080 km2。

根據有機負荷來核算濕地面積：

A ＝ Q（ln So-ln Sc） ／（KDn） （10）

式中：A 為濕地表面積，m2；Q 為進水流量，m3／d；So 為進水指標濃度，mg／L；Sc為出水指標濃度，mg／L；K 為反應速率系數，d-1，取 1.36；D 為濕地床深度，m，取 1.2 m；n為孔隙度，取30%。

計算得到濕地面積為0.048 km2。綜合上述，采用環湖濕地生態運行方式，濕地面積為 0.048～0.080 km2。

5 結 論

湖區進口水流入湖方向與賈魯河縱向大致平行時，湖區東部水體的換水周期較西部水體的換水周期長。 在理論換水周期13.5 d的換水流量（1 m3／s）下，湖區西部換水周期小于22 d，湖區東部換水周期為22～27 d。

湖區水質各指標濃度年際變化規律基本相同。春季氣溫較低，藻類生長基本停滯，TN、TP濃度維持在較低水平。5月后，藻類生長加快，湖區營養鹽濃度增大，6月和7月開始富集，導致營養鹽濃度較快升高。10月氣溫開始下降，藻類死亡并沉積，湖區營養鹽濃度下降，并恢復至正常水平。

為保持湖區水質在夏季惡劣情況下不超過地表水Ⅳ類、平時保持在Ⅲ類水質水平，建議采用6月換水1次、7月換水2次、8月換水2次、9月換水1次的方式來運行。如遭遇持續惡劣高溫天氣，可考慮及時換水以保證湖區良好水質環境。考慮實際運行管理方式，建議采用4次換水方式，通過建設垂直潛流式人工濕地來保持湖區水質持續穩定，濕地面積為0.048～0.080 km2。