MIKE11在湖泊水量水質(zhì)保障中的應(yīng)用研究

黃麗嬌，王川濤

(1.深圳市寶安區(qū)大空港新城發(fā)展事務(wù)中心，廣東 深圳 518101；2.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院深圳分院，廣東 深圳 518040)

練湖位于丹陽(yáng)城西北，以排洪、灌溉、濟(jì)運(yùn)而生，自西晉起即是丹陽(yáng)攬勝之佳處，素有“二十四景”之美譽(yù)，湖水浩瀚，一碧萬(wàn)頃，經(jīng)過(guò)幾番興廢，湖面在20世紀(jì)70年代圍湖造田的熱潮中最終消失殆盡，變成了大片的農(nóng)田和魚塘。

練湖是京杭大運(yùn)河文化帶上一個(gè)歷史名湖，與丹陽(yáng)的發(fā)展有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。作為滬寧城鎮(zhèn)發(fā)展帶和運(yùn)河歷史文化發(fā)展帶的交匯點(diǎn)，練湖承載了未來(lái)城市功能與文化發(fā)展的需求；作為歷史上濟(jì)運(yùn)和興城的古湖，練湖寄托了丹陽(yáng)城市品質(zhì)提升的訴求，重構(gòu)具有多元復(fù)合功能和富有生命力的水系網(wǎng)絡(luò)，保障水位、水量與水質(zhì)，是優(yōu)良的水生態(tài)環(huán)境營(yíng)造的關(guān)鍵。本次以丹陽(yáng)歷史名湖練湖的恢復(fù)為研究對(duì)象，探討其在豐、平、枯等不同年份下的水文變化過(guò)程，為大型湖泊恢復(fù)再造提供一定的參考和借鑒。

1 研究區(qū)域概況

1.1 練湖歷史變遷

練湖曾作為江南運(yùn)河段唯一的“水柜”，兼具工程與文化的水工奇跡，也是丹陽(yáng)人民繁衍生息的母親湖，其興廢變遷，是一個(gè)個(gè)時(shí)代的縮影，是丹陽(yáng)市珍貴的歷史物質(zhì)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。

西晉末期人工開挖練湖，主要功能是灌溉和蓄洪，面積約10.3萬(wàn)余畝，蓄水量達(dá)3000余萬(wàn)m3；隋朝，練湖筑渠用以向大運(yùn)河補(bǔ)水，練湖的功能兼濟(jì)漕運(yùn)；唐代起練湖成為江南運(yùn)河的主要水源工程之一，確保了大運(yùn)河江南段漕運(yùn)的通暢，練湖分為上練湖和下練湖；宋朝練湖兼具蓄水、濟(jì)運(yùn)、灌溉、防洪等多種功能，地位尤為重要；明末及清朝年間，隨著運(yùn)河漕運(yùn)功能的喪失，日常維護(hù)的缺乏導(dǎo)致淤積日益嚴(yán)重，練湖開始萎縮；解放后由于建閘攔水，上游基本無(wú)水進(jìn)入練湖，練湖逐漸淤積，伴隨著大規(guī)模的填湖造田運(yùn)動(dòng)，練湖消失殆盡。練湖面積已由明朝1026.78hm2萎縮至僅有魚塘面積373.60hm2。

1.2 練湖恢復(fù)方案

為提高區(qū)域的滯洪和調(diào)蓄能力，改善區(qū)域水系生態(tài)環(huán)境，通過(guò)生態(tài)匯水、生態(tài)理水、生態(tài)維水等方式，創(chuàng)造豐富多元的水系形態(tài)，傳承丹陽(yáng)璀璨文化，恢復(fù)具有自然美、生態(tài)美、人文美的魅力練湖。

規(guī)劃練湖與周邊彎河、中心河、京杭大運(yùn)河、西門運(yùn)河相連通，形成河、塘、湖、濕地為一體的水系格局。水面面積約2 km2，練湖分為上練湖與下練湖，其中上練湖主要為水質(zhì)凈化功能；下練湖主要為防洪排澇功能，下練湖包括主湖和湖鏈。

練湖匯水范圍總共約26.7km2，其中彎河匯水面積15.4km2，練湖湖體直接匯水范圍11.3km2。匯水范圍內(nèi)規(guī)劃用地主要以綠地、居住、商業(yè)與研發(fā)用地為主，結(jié)合規(guī)劃土地利用圖以及地形地勢(shì)，將匯水范圍進(jìn)一步劃分39個(gè)二級(jí)匯水分區(qū)，每個(gè)匯水范圍內(nèi)的徑流系數(shù)不大于0.5。

根據(jù)練湖土方平衡測(cè)算、防洪排澇以及景觀塑造等要求，規(guī)劃范圍內(nèi)共設(shè)置9座溢流堰、閘門等水位控制設(shè)施。上練湖匯水面積較小，水位較為恒定，基本控制在6.0～6.2m。下練湖在汛期6—9月，將常水位下降控制在4.7m，以釋放更多的庫(kù)容進(jìn)行洪澇水滯蓄；在非汛期10月—次年5月，為維持較好的親水性，將常水位控制在5.2m。

1.3 練湖水量水質(zhì)保障技術(shù)路線

丹陽(yáng)練湖的恢復(fù)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大型人工湖泊的再造。王依依等[1]以臨漳新城區(qū)人工湖為例，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整湖泊形態(tài)改善人工湖的水動(dòng)力條件，保障水體水質(zhì)；郭鵬程等[2]以北川河生態(tài)河道10#生態(tài)湖流場(chǎng)及水體交換情況為例，計(jì)算人工湖區(qū)在不同引水條件下死水區(qū)域和水體交換能力，從而進(jìn)一步優(yōu)化湖體的設(shè)計(jì)形態(tài)；張磊磊[3]通過(guò)模擬桐鄉(xiāng)革新區(qū)人工景觀湖場(chǎng)次降雨下的水動(dòng)力與水質(zhì)，預(yù)測(cè)濃度場(chǎng)以及富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域。目前研究中，大多數(shù)人工湖集中于短時(shí)間內(nèi)引水量與流場(chǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)的預(yù)測(cè)研究，對(duì)于不同年份長(zhǎng)時(shí)間的湖泊水量水質(zhì)耦合研究相對(duì)較少，本次研究結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間的降雨資料、地形資料以及規(guī)劃的下墊面資料，采用MIKE11模型，通過(guò)供需平衡分析的水量保障以及“灰綠融合”的水質(zhì)保障措施，預(yù)測(cè)在湖體恢復(fù)之后，不同水文年的水量、水位以及水質(zhì)的變化情況，具體技術(shù)路線如圖1所示。

2 MIKE11數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

規(guī)劃水量水質(zhì)預(yù)測(cè)選用DHI-MIKE軟件進(jìn)行分析，通過(guò)輸入水系平面(NWK)、水系斷面(XNS)、產(chǎn)匯流模塊(RR)、邊界條件(BND)、水動(dòng)力模塊(HD)以及水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)六大模塊，構(gòu)建MIKE11水動(dòng)力與水質(zhì)的耦合模型，模擬練湖水位、水量與水質(zhì)在不同降雨年份的變化情況[4- 6]。

2.1 河網(wǎng)概化

將練湖匯水范圍內(nèi)的水系進(jìn)行平面(NWK)與斷面(XNS)概化。在平面上，共概化為22條河道，總長(zhǎng)度31.7km，包括彎河、上下練湖、練湖河、湖鏈等河段，并設(shè)置9個(gè)閘門；在斷面上，輸入128個(gè)關(guān)鍵斷面的斷面形式與參數(shù)。

2.2 模型參數(shù)選取與率定

2.2.1產(chǎn)匯流模塊(RR)

通過(guò)對(duì)丹陽(yáng)站30年(1988—2018年)降雨量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用P-Ⅲ曲線適線的方法，計(jì)算豐水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)的年降雨量，并根據(jù)降雨總量相近的年份選取三個(gè)典型年，其中2013年為枯水年、2014年為平水年以及2016年為豐水年逐日降雨、蒸發(fā)量作為后續(xù)研究的輸入。

圖1 練湖恢復(fù)后水量水質(zhì)保障技術(shù)路線圖

模型采用降雨徑流模塊Urban Model(A)模擬降雨徑流，在RR參數(shù)文件中完成39個(gè)二級(jí)分區(qū)的面積、形狀、下墊面條件及降雨量等相關(guān)水文參數(shù)的設(shè)置。

2.2.2邊界條件(BD)

在模型的邊界條件設(shè)置中，將彎河與上練湖水位邊界設(shè)置為閉邊界，下練湖設(shè)置為閘門與大運(yùn)河水位共同作用的開邊界，39個(gè)二級(jí)匯水面積以分散線源的形式進(jìn)入水動(dòng)力模塊(HD)與水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)模型。

2.2.3水動(dòng)力模塊(HD)

水動(dòng)力模塊(HD)采用有限差分格式求解圣維南方程組進(jìn)行求解，得到水系的水位、流量與流速等數(shù)據(jù)。在水動(dòng)力模塊參數(shù)文件中設(shè)置初始水位、河道糙率等參數(shù)，其中上練湖初始水位設(shè)置為6.0m、下練湖初始水位設(shè)置為5.2m、河床糙率曼寧系數(shù)設(shè)置為0.3[7- 8]。

2.2.4水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)

對(duì)于湖泊水質(zhì)的預(yù)測(cè)，原則上要用二維、三維水動(dòng)力和水質(zhì)模型才能更加準(zhǔn)確地模擬水質(zhì)分布，但是由于恢復(fù)的湖泊為水深較淺的淺水型湖泊，可以近似認(rèn)為濃度沿垂向分布均勻，使用一維MIKE11計(jì)算斷面的平均濃度。

練湖是對(duì)歷史名湖的恢復(fù)，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)狀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行整體率定，因此水質(zhì)模型參數(shù)的選取主要參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行取值。對(duì)流擴(kuò)散模塊需要率定的參數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)以及氨氮的衰減系數(shù)。對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)，上、下練湖水面較大，基本處于靜水狀態(tài)，擴(kuò)散條件較差，取值為1 m3/s；彎河為小河道，擴(kuò)散系數(shù)取值為5m3/s。氨氮的衰減系數(shù)無(wú)實(shí)測(cè)值，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]推薦值進(jìn)行取值，其中河道與湖區(qū)氨氮的衰減系數(shù)分別為0.015、0.024d-1。

3 湖泊水量水質(zhì)的耦合研究

3.1 水量水質(zhì)保障系統(tǒng)

3.1.1水量保障系統(tǒng)方案

練湖恢復(fù)后，結(jié)合練湖功能定位、水質(zhì)保障、景觀設(shè)置、植物搭配等要求，練湖水面面積約2km2，練湖需水量包括湖面蒸發(fā)量、滲透水量、植物蒸騰量以及水質(zhì)維持換水量，通過(guò)水量平衡進(jìn)行測(cè)算，練湖通過(guò)自身匯水范圍匯水進(jìn)行補(bǔ)水的前提下，在枯水月份考慮大運(yùn)河來(lái)水進(jìn)行補(bǔ)充。

3.1.2水質(zhì)保障系統(tǒng)方案

練湖的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ-Ⅳ類，規(guī)劃構(gòu)建“灰綠結(jié)合”的練湖生態(tài)水質(zhì)保障總體策略。灰色設(shè)施為污水處理廠、污水干管等截污治污工程，杜絕點(diǎn)源污染對(duì)規(guī)劃區(qū)水質(zhì)的影響；綠色設(shè)施為強(qiáng)化型濕地、表面流濕地以及綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園等低影響開發(fā)設(shè)施，通過(guò)耦合以生態(tài)濕地為主的綠色海綿大系統(tǒng)與低影響開發(fā)為主的低碳海綿小系統(tǒng)，削減面源污染，構(gòu)建良好的水生態(tài)環(huán)境。

3.2 不同降雨年份下水量與水質(zhì)的耦合分析

3.2.1水量變化預(yù)測(cè)

通過(guò)MIKE11模型徑流模塊分析，枯水年(2013年)進(jìn)入練湖的水量為3189萬(wàn)m3；平水年(2014年)進(jìn)入練湖的水量為4115萬(wàn)m3；豐水年(2016年)進(jìn)入練湖的水量為6551萬(wàn)m3。不同降雨年份進(jìn)入湖區(qū)的水量變化較大，平水年降雨量約是枯水年的1.3倍，徑流總量為枯水年的1.3倍；豐水年降雨量約是枯水年的1.9倍，徑流總量為枯水年的2.1倍。平水年兩者的倍數(shù)相當(dāng)，豐水年徑流總量倍數(shù)比降雨量倍數(shù)大，這是因?yàn)?016年大于50mm的日降雨量較多，而且降雨時(shí)間間隔較短，土壤屬于飽和狀態(tài)，使得徑流量有所增大。如圖2所示。

另外，閘門對(duì)水量的控制起到關(guān)鍵的作用。在不同降雨年份的汛期(6—9月)，閘門的出流流量峰值與日降雨量峰值基本吻合，并隨著降雨量的增加而增大。

圖2 不同降雨年份日降雨量與閘門日平均出流流量對(duì)比分析圖

通過(guò)汛期的日降雨量與出流流量的擬合分析，得到練湖恢復(fù)后降雨量與閘門出流流量之間的關(guān)系，結(jié)果表明，日降雨量增加，為控制一定的水位，出流流量亦會(huì)增大，擬合方程為y=0.2234x+1.2738，R2=0.9457，擬合度較高。在練湖恢復(fù)后，可根據(jù)日降雨量的預(yù)報(bào)，及時(shí)控制出流流量與水位間的關(guān)系。如圖3所示。

圖3 不同日降雨量與閘門出流流量擬合分析圖

3.2.2水位變化預(yù)測(cè)

上練湖匯水面積較小，僅144hm2，而且上、下練湖的連接通道排水能力較大，以2013年(枯水年)、2014年(平水年)以及2016年(豐水年)逐日降雨量作為MIKE11模型輸入，通過(guò)控制閘門啟閉，上練湖水位在不同降雨年份基本能夠穩(wěn)定控制在6.0m。

下練湖主要功能為洪澇水的調(diào)蓄。以2013年(枯水年)、2014年(平水年)以及2016年(豐水年)逐日降雨量作為MIKE11模型輸入，通過(guò)控制閘門啟閉，在非汛期(10月—次年5月)，下練湖的水位控制基本能維持在5.1～5.4m；在汛期(6—9月)，下練湖水位預(yù)降至4.7m，騰出庫(kù)容調(diào)蓄洪水。在2013(枯水年)年以及2014年(平水年)，暴雨出現(xiàn)頻次較少，預(yù)測(cè)練湖最高控制水位在5.2m左右；在2016年(豐水年)，暴雨出現(xiàn)頻次較多，最高控制水位在5.4～5.5m。

上練湖與下練湖由于匯水面積差異較大且功能定位不同，水位控制方式差異較大。上練湖可控制在穩(wěn)定的水位；下練湖根據(jù)不同月份采取不同措施，在非汛期可控制在相對(duì)穩(wěn)定的水位，在汛期通過(guò)預(yù)降水位騰出調(diào)蓄庫(kù)容，蓄滯洪澇水。如圖4所示。

3.2.3水質(zhì)變化預(yù)測(cè)

水量與水質(zhì)是相輔相成的統(tǒng)一體，規(guī)劃以氨氮作為模擬因子，預(yù)測(cè)在“灰綠結(jié)合”的練湖生態(tài)水質(zhì)保障總體策略下，在不同降雨年份下的湖區(qū)的污染物輸入量、湖區(qū)不同點(diǎn)位的水質(zhì)變化。

(1)不同降雨年份下入湖污染物分析

通過(guò)MIKE11模型AD模塊分析，枯水年(2013年)進(jìn)入練湖的氨氮總量約為55.2t；平水年(2014年)進(jìn)入練湖的氨氮總量約為60.2t；豐水年(2016年)進(jìn)入練湖的氨氮總量約為66.8t。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，枯水年份比豐水年份進(jìn)入湖區(qū)的污染物小，這是因?yàn)槲廴疚镏饕ㄟ^(guò)徑流進(jìn)入水體，而枯水年份降雨量相對(duì)較少，進(jìn)入湖區(qū)的總量也相對(duì)較小。另外，豐水年份降雨量是枯水年份的1.9倍，但污染物總量卻僅約為枯水年份的1.2倍，這說(shuō)明了污染物主要通過(guò)前期的降雨沖刷進(jìn)入湖區(qū)，在降雨后期，進(jìn)入湖區(qū)的污染物較小，因此練湖在恢復(fù)之后，結(jié)合城市建設(shè)，應(yīng)通過(guò)低影響開發(fā)建設(shè)，分散控制進(jìn)入湖區(qū)的面源污染，從而更好地維持湖區(qū)水質(zhì)。

(2)湖區(qū)不同點(diǎn)位的水質(zhì)變化

下練湖分為湖鏈與主湖兩個(gè)部分，湖鏈部分城市開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度高于主湖部分，為更好地評(píng)估城市開發(fā)建設(shè)面源污染對(duì)湖區(qū)水質(zhì)的影響，選取三個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行分析，并以2014年(平水年)逐日降雨量作為輸入，分析湖區(qū)逐日的水質(zhì)變化情況。結(jié)果表明，以氨氮作為評(píng)價(jià)因子，主湖地區(qū)水質(zhì)明顯優(yōu)于湖鏈地區(qū)，3#點(diǎn)位(主湖)常年能夠維持在地表水Ⅲ類水平，而1#、2#(湖鏈)在降雨量較大的時(shí)候，無(wú)法滿足全年達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。如圖5所示。

從MIKE11的分析結(jié)果可以看出，在5—7d干旱之后，降雨將攜帶大量污染物進(jìn)入湖區(qū)，使得湖區(qū)的水質(zhì)出現(xiàn)一定的惡化風(fēng)險(xiǎn)。可以看出，城市開發(fā)建設(shè)的面源污染在練湖恢復(fù)后是湖區(qū)水質(zhì)的主要影響因素。

圖4 不同頻率水平年降雨量下練湖水位預(yù)測(cè)圖

圖5 湖區(qū)不同點(diǎn)位的每日水質(zhì)變化分析圖

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建練湖匯水范圍內(nèi)整體水系河網(wǎng)的MIKE11模型，結(jié)合用地布局規(guī)劃，耦合模擬水動(dòng)力與水質(zhì)模塊，預(yù)測(cè)練湖在恢復(fù)后，在豐、平、枯不同的降雨水平年，湖區(qū)的水量與水質(zhì)響應(yīng)情況。結(jié)果表明，第一，降雨量與徑流總量成正比，且閘門對(duì)水量的控制起到關(guān)鍵的作用，閘門的出流流量峰值與日降雨量峰值基本吻合，并隨著降雨量的增加而增大；第二，水位控制方式與匯水面積、功能定位的關(guān)系較大，上練湖匯水面積小，主要功能為凈化，因此可控制在相對(duì)穩(wěn)定的水位；下練湖水位匯水面積大，主要功能為防洪蓄澇，在汛期通過(guò)預(yù)降水位騰出調(diào)蓄庫(kù)容，蓄滯洪澇水；第三，污染物主要通過(guò)前期的降雨沖刷進(jìn)入湖區(qū)，不同的點(diǎn)位水質(zhì)變化較大，建設(shè)強(qiáng)度較小的主湖區(qū)域水質(zhì)優(yōu)于城市建設(shè)強(qiáng)度較大的湖鏈區(qū)域。

4.2 問(wèn)題與建議

練湖為歷史名湖的恢復(fù)，實(shí)質(zhì)上是大型人工湖泊的重建，因此并沒(méi)有實(shí)測(cè)的水文、水質(zhì)資料對(duì)MIKE11模型進(jìn)行準(zhǔn)確率定，預(yù)測(cè)結(jié)果僅能代表規(guī)劃階段該種建設(shè)方式下的參考。在恢復(fù)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)，以期得到更多更詳盡的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

作為湖泊的水質(zhì)預(yù)測(cè)，本次研究將練湖作為大型淺水湖泊，忽略了縱向的水質(zhì)變化。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段作為預(yù)測(cè)的參考是能夠滿足要求的，但作為下一步湖區(qū)的工程建設(shè)階段，應(yīng)建立更加準(zhǔn)確的三維水質(zhì)模型進(jìn)行更加詳細(xì)的研究。