河湖連通條件下城市湖泊水環境治理研究

涂華偉，王 莉，張 瀟，梁 媛，申詩嘉，文 典，彭 虹

(1.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；2 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 611130；3.武漢大學資源與環境學院，武漢 430072)

城市湖泊是城市水環境系統中的重要組成部分，具有防洪排澇、調節氣候、景觀娛樂、維持生態平衡等多種功能。隨著社會經濟的快速發展，城市人口集聚、產業集中帶來的大量點面源污染通過河網水系、排污管道等方式直接進入湖泊水體，導致氮磷水質嚴重超標、水體黑臭、生態系統退化等諸多水環境問題，極大制約著城市綠色發展[1-3]。因此開展城市湖泊水環境修復研究對恢復水生生態系統健康、合理規劃城市發展布局、實現人、水、環境和諧共存的生態文明建設具有重要意義。

湖泊水質模型是模擬水體中污染物遷移轉化規律，研究水體黑臭和水體富營養化等水質問題，進行水質模擬和水環境管理與規劃的重要工具[4]。目前國內外湖泊水質模型已取得了許多重要成果，如國外應用較多的EFDC、MIKE、WASP模型等[5-7]。近年來我國在湖泊水質模型研究上也取得了一定成效，如楊衛等通過建立二維水動力水質模型模擬分析河湖連通工程對城市湖泊群的水環境改善效果[8]；王彩艷等基于TMDL模型研究分析東湖水體TP、TN和COD污染物負荷量，為改善東湖水質和富營養化工程治理方案提供參[9]；鄒銳等通過EFDC模型構建三維湖泊水動力水質模型研究分析滇池營養鹽通量平衡[10]。但城市湖泊連通的河網水系眾多，受農業生產、水產養殖等人類活動帶來的面源污染嚴重，單一水質模型遠不能滿足實際湖泊水環境模擬的需求。因此近年來有學者提出耦合模型的概念[11]，如羅福亮等將SWMM和MIKE11模型耦合，用于模擬城市河網水動力過程[12]；趙琰鑫等實現了一維河網水質模型與二維湖泊模型的耦合，并應用于太湖環境模擬研究[13]。鄭曉燕等耦合SWMM模型與二維湖泊水動力水質模型耦合，模擬分析不同暴雨條件對梁子湖水動力水質的影響[14]。但以上研究仍有一些不足，往往僅考慮陸地面源、河網以及湖泊三者中的兩兩耦合，而城市湖泊水體環境受點面源直接污染、河網連通以及自身水動力水質條件多因素影響，需要綜合考慮湖泊水環境系統所涉及的流域水文、水動力學和污染物遷移擴散等主要的演化過程。

本文從流域水環境系統出發，綜合考慮城市點面源污染、河網水系條件對湖泊水環境影響，提出一套耦合“陸面單元-河網-湖泊”的水環境模型。以廣東省惠州市金山湖流域為例，通過模擬分析金山湖流域在不同水環境修復方案下水質狀況，系統評估水環境綜合治理效果和水質改善程度，為河湖連通條件下的城市湖泊水環境修復工作提供有力的技術支撐。

1 研究區域概況

金山湖位于惠州市城區南部，集雨面積約為63.7 km2，水系如圖1所示。入湖主要河涌共有4條，分別是金山河、蓮塘布河、河橋水和冷水坑河。根據2019年1月水質監測數據，金山河出口斷面、河橋水出口斷面、金山湖東側湖段均為劣Ⅴ類水體，主要超標因子為NH3-N和TP，金山湖北側湖段水質為Ⅴ類水質，主要超標因子為NH3-N，金山河入湖口至河橋水入湖口湖段為輕度黑臭水體?？傮w上金山湖水質為劣Ⅴ類水體，全湖段均呈現出不同程度的富營養化現象。

圖1 金山湖流域

2 水環境模型構建

2.1 面源模型

SWMM模型包含水文與水質模塊，能夠充分考慮不同土地利用條件下的降雨徑流污染，已被廣泛應用于流域面源污染研究[15-18]。采用30 m精度的DEM柵格，將金山湖及相關水系共劃分為153個子匯水區，如圖1所示。通過DEM數據和土地利用數據確定各子流域面積、不透水面積占比、流域寬度、平均坡度等確定性參數。根據金山湖湖區水質現狀，選取NH3-N、TP作為主要污染因子，不同地表類型污染物累積和沖刷參數如表1所示。

表1 不同地表類型參數取值[15-18]

通過對各子匯水區進行產匯流計算，將各分區的徑流過程和水質濃度作為一維河網水動力模型的旁側入流條件，實現降雨徑流面源模型與一維河網水動力模型的耦合計算。

2.2 一維河網與二維湖泊水動力水質模型

基于前期已有研究成果[13]，通過一維河網和二維湖泊在連接斷面上具有相同的流量、水位以及水質濃度條件，作為二維湖泊水動力水質模型的邊界條件求解水動力水質方程，實現一維河網模型和二維湖泊水動力水質模型的耦合。

收集整理流域內金山河、蓮塘布河、河橋水、冷水坑河水文地形資料，構建金山河、蓮塘布河、河橋水、冷水坑河四條河涌的一維河網水動力水質模型；利用水下地形資料，生成金山湖湖區二維水動力水質模型計算網格，共計46 624個網格，網格精度為20 m×20 m，如圖2所示。

圖2 金山湖二維網格

2.3 初始及邊界條件

初始水質濃度依據水質監測斷面(圖1)實測濃度插值生成濃度場，初始水位為金山湖常水位11.29 m，初始流速設為0 m/s。

邊界條件包括流域內四河涌入湖口、金山湖換水口、出水口以及點面源的輸入。出水口采用水位條件控制，換水口采用流量邊界控制，水質濃度與相連水體西枝江水質濃度相同。金山湖流域內湖區及周邊四河涌點源排污口共計70處(圖1)，采用實測入湖點源濃度數據。流域內面源污染采用面源模型結果，部分面源直接匯入湖區，其余面源匯入四河涌后通過入湖口流入湖區。四河涌入湖口流量以及水質濃度采用一維河網模型計算，是考慮河涌范圍內點面源入匯下的綜合結果。根據金山湖湖泊水質現狀超標情況，選取NH3-N、TP為水質模擬指標。

2.4 模型參數率定與驗證

根據2018年惠陽國家氣象站逐日氣象數據作為面源模型輸入條件，根據水量驗證斷面(圖1)實測匯水水量率定驗證面源模型降雨產流參數，結果如表2所示，各斷面水量誤差在5%以內，面源模型能夠很好的模擬流域內降雨徑流過程。

表2 面源模型水量驗證

根據2019年1月水質監測斷面(圖1)實測數據，考慮河網各河段和金山湖湖區各段不同環境條件，選擇模型計算斷面和水質實測點位吻合的斷面進行參數率定與驗證。金山湖湖區二維水動力模型中橫向和縱向離散系數取值為1.1，黏滯系數為1.52×10-6kPa·s，科氏力為7.5×10-5s-1，一維河網和二維湖區主要水質參數取值如表3所示，結果如圖3和圖4所示。

圖3 NH3-N水質驗證

圖4 TP水質驗證

表3 主要水質參數

其中一維河網水質驗證斷面為Q6～Q16，NH3-N、TP模擬值與實測值平均誤差分別為10.28%和13.63%。金山湖湖區水質驗證斷面為Q1～Q5，NH3-N、TP模擬值與實測值平均誤差分別為6.30%和5.99%。表明模型模擬值與實測值吻合較好，能夠滿足本次研究金山湖二維水動力水質模擬的要求。

3 金山湖水環境治理分析

3.1 水環境治理方案

根據金山湖流域實際情況和未來水環境整治項目的實施，以Ⅳ類水質標準為水環境治理目標，設計以下4種金山湖水環境治理方案，如表4所示。其中控源截污工程包括修建初雨調蓄池和整治點源排污口兩部分。初雨調蓄池主要修建在城市區域，削減50%面源負荷而不減少降雨徑流。點源排污口整治將減少點源個數，提高排污口水質標準，削減95%以上點源負荷。換水工程通過湖區換水口引入西枝江較好水質水體對湖區進行沖污，改善湖區水質。

表4 水環境治理方案

3.2 入湖河涌水動力水質條件

考慮降雨徑流對河網以及湖區水環境影響，根據《水域納污能力計算規程(GB/T25173-2010)》，選擇90%保證率設計水文年氣象數據作為面源模型輸入條件進行面源負荷模擬，其中6月份面源NH3-N和TP污染物負荷最大，因此將6月份面源負荷條件下的一維河網水量水質計算結果作為入湖水動力水質條件。在實施方案一控源截污工程后，西枝江和四河涌入湖水量水質條件如表5所示。

由表5可知，在實施控源截污工程后四河涌入湖NH3-N水質濃度均低于IV水質標準，而河橋水、冷水坑和連塘布TP仍處于V類水質標準及以下，分別為0.18 mg/L和0.23 mg/L，將對湖區水體造成嚴重污染?？卦唇匚酃こ坛鞘忻嬖聪鳒p區域主要位于金山河流域范圍內，削減后金山河入湖水質濃度均低于IV水質標準，NH3-N為0.66 mg/L，TP為0.07 mg/L，能夠一定程度上改善湖區水質條件。

表5 入湖水體水質條件

3.3 湖區水質改善狀況

根據建立的二維湖泊水動力水質模型，對4種水環境治理方案下的湖區水質情況進行模擬，分析湖區水質改善狀況，結果如圖5～圖6所示。

圖5 不同方案下湖區NH3-N濃度場分布

圖6 不同方案下湖區TP濃度場分布

由圖5和圖6可知，在實施控源截污工程后金山湖湖區東段水體NH3-N仍處于V類水質標準，TP處于劣V類水質標準；西段水體NH3-N已基本達到IV水質管理目標，西南段水體TP處于Ⅴ類水質標準，北段水體TP已基本達到Ⅳ水質標準。

實施引水工程后湖區水動力水質條件隨著引水流量的加大得到更為明顯改善。西枝江較好水質水體從湖區北段換水閘處引入金山湖湖區，加大湖區水體流速，稀釋和置換湖區水體。隨著引水流量的加大，超標污染帶范圍逐漸縮小，引水所需時間逐漸變短，換水穩定后湖區東段水質接近西枝江水體水質濃度，整體水質逐漸達到Ⅳ類水質管理目標，各水環境治理方案下NH3-N和TP水質達標面積占比如圖7和圖8所示。

圖7 NH3-N水質達標比

圖8 TP水質達標比

當實施控源截污工程削減金山湖流域50%面源負荷和95%點源負荷(方案一)后，金山湖湖區水質得到較明顯改善。全湖范圍內有62%的區域NH3-N能達到Ⅳ類水質標準及以上，38%的區域仍處于Ⅴ類水質標準及以下；TP有38%的區域能達到Ⅳ類水質標準及以上，42%的區域水質仍處于劣Ⅴ類，需要實施換水方案以進一步改善湖區水質，達到水環境管理目標。

考慮在控源截污工程基礎上，通過西枝江引水進湖改善湖區水動力水質條件，當換水流量為1 m3/s(方案二)時，湖區水質在換水10 d后得到略微改善，全湖范圍內仍有30%的區域NH3-N處于Ⅴ類水質標準及以下，有34%的區域TP仍處于劣Ⅴ類；當換水流量為6 m3/s(方案三)時，湖區水質在換水9 d后得到顯著改善，全湖范圍內NH3-N均處于Ⅳ類水質標準及以上，TP有81%的區域處于Ⅳ類水質標準及以上，19%的區域處于Ⅴ類水質標準。當換水流量進一步加大為12 m3/s(方案四)時，湖區水質在換水6 d后即得到顯著改善，全湖范圍內NH3-N均處于Ⅳ類水質標準及以上，TP有85%的區域處于Ⅳ類水質標準及以上，15%的區域處于Ⅴ類水質標準。方案三和方案四均能基本達到湖區水質改善目標，但相較于方案三，方案四的湖區水質改善效果并沒有顯著提升，僅僅提高了水質改善所需時間，因此對于日常水質改善措施，采用方案三即可。

4 結 論

本文針對河網水系密集、土地利用開發強度高、點面源污染突出帶來的城市湖泊水環境問題，全面考慮了在人類活動影響下的陸地單元產流產污過程、河網水動力演進與污染物輸移以及湖泊水質遷移與擴散過程，建立了一套耦合“陸面單元—一維河網—二維湖泊”的水動力水質綜合數值模擬模型，用于城市湖泊水環境修復模擬研究。

以廣東惠州金山湖流域為例，研究分析了實施控源截污、湖區換水等4種水環境治理工程方案下的湖區水體水質改善狀況。當實施控源截污工程削減50%面源負荷和95%點源負荷后，通過引進6 m3/s流量的西枝江水體9 d后，全湖區水質狀況能夠得到顯著改善，全湖范圍內NH3-N達到Ⅳ類水質標準及以上，有81.27%的區域TP達到Ⅳ類水質標準及以上，基本上達到水環境治理目標。

本研究建立的“陸面單元—一維河網—二維湖泊”的水動力水質綜合數值模擬模型能夠實現對流域水文、水動力學和污染物遷移擴散等水環境系統中主要的演化過程進行模擬分析，有效反映污染物負荷削減和水力條件變化等不同水環境治理方案下的湖泊水體水質改善狀況，為河湖連通條件下城市湖泊水環境治理工作提供有力的技術支撐，推進城市黑臭水體整治，助力生態文明建設。

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