基于MIKE21模型的湯遜湖水質水量模擬研究

楊博林，陳倩倩，夏 偉

(1.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335；2.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038)

1 引言

湯遜湖位于武漢市東南部，是亞洲最大的城市內湖，水域面積47.62 km2。湯遜湖流域面積240.48 km2，涉及洪山區、東湖高新區、江夏區3個行政區[1]。其中，江夏區擁有湖面面積81.26%，東湖高新區和洪山區分別擁有湖面面積的2.35%和16.39%。湯遜湖以江夏大道為界，西部為外湯遜湖，東部為內湯遜湖，兩者之間以涵洞相通。流域范圍總人口67.73萬人(2018年末)。湯遜湖區域屬亞熱帶季風濕潤區，雨量充沛，年降水量1150～1190 mm，降雨主要集中在4～8月，通常春夏多雨，秋冬少雨。湯遜湖湖泊平均水深2.2 m，全湖湖底高程14.5～17.5 m，規劃控制常水位17.65 m，最高水位18.65 m(圖1)。

近年來，湯遜湖各類點、面源污染物排入導致各子湖水質常出現超標情況，水環境容量已顯不足，水體無法滿足水體功能要求。目前，針對湯遜湖全湖水環境數值模擬方面的研究較少，而類似研究已廣泛應用在武漢東湖、長江口、杭州灣、太湖富營養模型等[2～4]。基于此，本研究應用MIKE 21水環境模擬軟件，建立湯遜湖全湖的水動力-水質模型，對湯遜湖水動力和水質現狀和改善情景分別進行模擬，為水環境治理工程的實施提供依據。

2 污染源與水環境容量計算

2.1 污染源現狀分析

經計算，全湖污染總量為COD 18751.13 t，NH3-N 1105.55 t，TN 3293.28 t，TP 209.06 t，其中面源污染、生活點源和內源污染為主要污染源，見表1。

表1 湯遜湖全湖污染量匯總

2.2 水環境容量分析

采用完全均勻混合箱體水質模型來預測湖泊或水庫水體水質變化情況，COD和NH3-N等有機物容量計算可用水體質量平衡基本方程計算，計算公式如下：

W=Cs(Qout+KV)

(1)

式(1)中：W為湖泊COD、NH3-N的水環境容量,t/a；Cs為湖泊功能區水質目標值，mg/L；Qout為湖泊出水流量(入湖流量減去蒸發量)；K為湖泊水質綜合降解系數，1/a；V為設計水文條件下的湖泊容積，m3。

湖泊中氮磷等營養鹽物質隨時間的變化率，是輸入、輸出和在水庫內沉積的污染物量的函數，利用狄龍富營養化模型計算TN、TP環境容量，計算公式如下：

M=Ls·A

(2)

(3)

R=1-Wout/Win

(4)

式(2)～(4)中：M為湖泊TN、TP環境容量，t/a；Ls為單位湖水面積TN、TP水環境容量，g/(m2·a)；A為湖泊面積，m2；Ps為湖泊中TN、TN年均控制濃度，g/m3，用水環境質量標準衡量；h為湖泊平均水深，m；Qout為湖泊年出水量，m3/s；R為污染物滯留系數；Win為湖泊污染物輸入量，t/a；Wout為湖泊污染物輸出量，t/a；V為設計水文條件下的湖泊容積，m3。

經計算，根據湯遜湖水質治理目標，計算得湯遜湖環境容量為COD 4947.62 t/a；NH3-N 247.38 t/a；TN 1289.73 t/a；TP 102.52 t/a，各子湖水環境容量見表2。由表2可知，現狀入湖污染物負荷均超過湯遜湖水環境容量，需要削減，污染物削減率在50.96%～77.62%。

表2 湯遜湖各子湖水環境容量匯總

3 湯遜湖水動力、水質模型建立

3.1 模型介紹

模型軟件采用丹麥水資源及水環境研究所(DHI)開發的MIKE軟件，MIKE軟件是目前世界上領先，經過實際工程驗證最多的，被水資源研究人員廣泛認同的優秀軟件。本次選用MIKE 21 FM的水動力模塊(HD)模擬二維水流，對流擴散模塊(AD)模擬污染物在水中的對流擴散及降解過程，構建湯遜湖二維水動力水質數學模型。其中，HD模塊是軟件的最基本模塊，為其他功能模塊運行提供了基礎水力要素信息，可模擬湖泊、河道的水流運動規律[5]。

3.1.1 水動力模型基本方程

連續方程：

(5)

動量方程：

(6)

式(6)中：t為時間；x，y為右手Cartesian坐標系；η為表面水位；d為靜止水深，h=η+d為總水深；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f=2Ωsinφ為Coriolis參數(Ω是地球自轉角速率，Φ為地理緯度)；ρ為水的密度，ρ0則是參考水密度；pa為當地的大氣壓；(τsx，τsy)、(τbx，τby)分別為表面風和底部應力在x，y方向上的分量；sxx、sxy、syx、syy為輻射應力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應力項；S為源匯項；(us，vs)為源匯項水流流速。

3.1.2 水質模型基本方程

水質控制方程是在考慮污染物質水動力學、物理運輸和對流擴散等過程并運用質量守恒原理的前提下建立起來的[6]，控制方程為：

(7)

式(7)中：C為垂線平均濃度；u，v為x，y方向的垂線平均流速；Dx，Dy為x，y方向的擴散系數；KC為綜合降解系數；s為源匯項。

3.2 建模范圍

本模型模擬范圍為湯遜湖藍線以內水域范圍，總面積47.6 km2。湖泊水下地形采用2019年7月實測1∶2000實測水下地形，模擬區域采用三角形網格，外湯主湖和內湯主湖采用邊長500 m三角形網格，貼岸區域采用邊長100 m三角形網格，共劃分網格2587個，如圖2所示。

圖2 研究范圍網格劃分

3.3 模型計算條件

(1)降雨徑流。采用2012年降雨資料，年降雨量1392.3 mm，綜合考慮湯遜湖地區下墊面條件，城鎮、農村地區徑流系數分別采用0.6和0.5。

(3)風速風向。湯遜湖水系屬亞熱帶大陸性季風氣候，年內主導風向為東南風，年平均風力2～3級，多年平均風速2.5～2.9 m/s。

(4)出流。東港是湯遜湖流域主要的排水出口，經過青菱河與巡司河排入長江。

(5)湖底糙率。糙率是主要衡量邊壁形狀不規則性和河床表面的粗糙程度的一個綜合性系數，根據有關的水力學手冊加以選取。本模型計算中，根據湯遜湖不同區域深淺將曼寧系數M取值為32～50。

(6)水質降解系數。取COD、NH3-N、TP和TN作為水質計算的代表指標，COD降解系數取值為：0.017d-1，NH3-N降解系數取值為：0.015d-1，TP降解系數取值為：0.01d-1，TN降解系數取值為：0.02d-1。

3.4 模型邊界條件

入湖港渠水量邊界根據降雨和下墊面土地利用類型，采用SCS-CN模型進行計算。入湖港渠水質邊界根據2019年《湯遜湖水環境提升攻堅檢測考核情況的通報》中水質檢測數據給定。

污染物的輸入主要通過陸域點源、面源及湖面降水和內源匯入。點源污染包括湖周52處分散式排口、1處污水處理廠排口。面源污染概化到雨污混流排口，降塵和內源污染在模型中以降水的形式伴隨入湖。

最后，石里克最大的問題是他對直觀哲學提出的疑難亦可以反問于他自身：既然體驗與認識有本質區別，那么概念的配列能保持事實的本來面貌嗎？概念與對象的一義性判斷之網如何能夠達成？換句話說，既然體驗與認識有本質區別，那么體驗與認識又是如何能結合為一個具有統一性的系統呢？這一問題可以稱為知識論中的超越問題。石里克大方地承認概念一義性的判斷之網，并不能保證對事物的實在本質的知識，想獲取事物的本質知識恰恰是直觀哲學的錯誤。然而，直觀哲學的本質論恰恰是以懸置事物的存在為前提，所以直觀哲學繞開了實在本質的問題，而石里克卻以事物的存在為事實，那么實在本質的問題就成為石里克認識論難以解決卻如影隨形的難題。

3.5 模型分析與驗證

3.5.1 水動力結果分析

現狀情境下，由于圩垸阻擋，大橋湖、中洲湖、麻雀湖、紅旗湖等部分區域不在建模范圍內。圖3和圖4為由模型計算得到的湯遜湖2012年6月15日(SE風向)和2012年12月15日(NE風向)的風生流場圖。湖泊水動力學研究成果表明：在湖泊的深水區，沿水深方向的平均流速方向與風向相反，在淺水區則與風向相同。根據查驗模型水動力計算結果，可以看出湯遜湖水域流場分布與風場關系符合以上結論，說明建立的水動力學模型能較好地模擬湖泊的流場。

3.5.2 水質率定驗證結果與分析

以水動力模型計算得到的湖泊流場作為計算湖泊水體污染物濃度場的基礎，再考慮年污染負荷輸入量，利用水質模型進行水質模擬計算。本次收集到外湯遜湖湖心2012年1～12月湯遜湖水質監測資料，對模型水動力和水質參數進行率定，得到湯遜湖的模型參數。外湯主湖中心水質率定結果見圖5。外湯COD實測值與模擬值平均誤差為28%，外湯NH3-N實測值與模擬值平均誤差為34%，外湯TN實測值與模擬值平均誤差為21%，TP實測值與模擬值平均誤差為31%。這些誤差均在允許范圍內，證明建立的水質模型具有良好的模擬精度，確定的縱向和橫向擴散系數、四種污染物衰減速率合理可信。

圖5 模型水質驗證

4 湯遜湖水動力、水質情景方案模擬

4.1 水動力情景模擬

4.1.1 內水系連通方案說明

對湯遜湖藍線范圍內湯遜湖藍線范圍內劉家咀、麻雀湖、武漢鐵職技校、湯遜湖村等15處較大的圩垸進行拆除，總長度26.1 km；另外，新建3個箱涵，擴建1個箱涵，改建1處路堤。

風速：1.6m/s 風向：45度 圖4 2012年12月15日流場驗證

風速：2.3m/s 風向：135度圖3 2012年6月15日流場驗證

4.1.2 效果分析

分別對6月和12月代表豐水期、枯水期的狀況，分析湯遜湖實施內水系連通工程實施前后湖體水動力情況。

(1)流速變化：湯遜湖內水系連通工程實施前，豐水期平均流速為0.0053 m/s，枯水期平均流速為0.0039 m/s。湯遜湖內水系連通工程實施后，豐水期平均流速為0.0063 m/s，升幅17%，枯水期平均流速為0.0042 m/s，升幅10%。從各子湖來看，在豐水期，湯遜湖水系連通工程實施后，除麻雀湖，其余子湖平均流速比內連通工程實施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加47%；在枯水期，外湯主湖、大橋湖、沙咀湖、內湯主湖、中洲湖平均流速比內連通工程實施前有所增加，其中增幅最大的中洲湖平均流速增加42%。其余子湖流速有所減小，其中降幅最大的紅旗湖平均流速下降14%。

(2)流場變化：湯遜湖水系內連通工程實施后，流場變化主要體現在子湖水流方向和流場形態的變化方面。無論豐水期還是枯水期，子湖與子湖新增連接處水流方向均發生改變，外湯主湖、內湯主湖、大橋湖和紅旗湖部分流場洄流區變大。由于風生流作用，連通工程前個別圩垸封閉的區域洄流區面積小，區域內流速較大，但污染物無法向外轉移擴散。而實施連通工程后，雖然這些封閉區域在拆除圩垸后與較大區域湖面合并平均流速減小，但流場洄流區變大，湖水整體流動性增強，尤其是增強了外湯主湖和內湯主湖之間的聯系。這將有利于污染物的遷移和擴散，為湯遜湖整體水質的改善提供條件。連通工程實施前后枯水期流場分布情況見圖6。

圖6 連通工程實施前后枯水期流場分布情況表3 湯遜湖各子湖面源污染削減率

4.2 水質情景模擬

在《武漢市“大東湖”生態水網構建總體方案》中，已有將湯遜湖水系和梁子湖水系連通的設想。《武漢市水生態文明建設規劃》中也提出了通過東壩港連通湯遜湖和梁子湖以及長江海口閘引水兩個方案，實現區域水系連通，利用梁子湖的引水改善湯遜湖水質。因此，考慮在實施內水系連通后，僅實施污染物削減，以及污染物削減配合引水工程兩種方案。

4.2.1 僅實施污染物削減

4.2.1.1 方案說明

現階段點源污染主要包括污水處理廠尾水、生活污染及工業廢水。根據湯遜湖污水處理廠規劃方案，其尾水將不再入湖，因此確定污水處理廠尾水削減率為100%。據湯遜湖底泥污染現狀，以及內源污染治理方案，確定內源污染削減率為50%。面源污染治理工程包括城市面源和農村面源兩方面，其中城市面源污染控制工程包括溢流污染治理和初雨污染治理。農村面源污染控制工程包括農村生活污水治理、農村環境綜合整治、畜禽養殖污染治理、退田/垸還湖等。根據武漢市大氣環境治理控制目標，確定降塵污染削減率為30%。并根據湯遜湖面源污染現狀，以及面源污染治理方案，分區提出污染削減率，見表3。

面源污染削減率/%子湖名稱外湯主湖沙咀湖大橋湖麻雀湖內湯主湖紅旗湖楊橋湖中洲湖COD7261666564666673NH3-N7361656371676573TN7261666370646573TP7361666677666773

4.2.1.2 模擬結果

(1)全湖水質分析：不引水時，湯遜湖7月31日和9月5日濃度場分布情況見圖7和圖8。綜合旱季和雨季水質模擬結果可知，雨季由于面源沖刷作用，水質較旱季稍差。全湖COD、NH3-N、TP和TN達Ⅳ類水質面積比例分別為99%、100%、93%、89%。因此，在污染源削減、不實施引水時，湖灣TP和TN仍然較差，應增加引水措施。

圖7 湯遜湖污染物削減、不引水情況下7月濃度場

圖8 湯遜湖污染物削減、不引水情況下9月濃度場

(2)重點湖區水質分析：外湯主湖和內湯主湖在近期點源、面源及內源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四類污染物可以全年達到Ⅳ類水質標準，外湯主湖湖心水質較現狀有明顯提升。大橋湖四類污染物均可達到Ⅴ類標準，但紅旗湖仍有5%的天數TP不達標，6%的天數TN不達標。外湯主湖、內湯主湖、大橋湖、紅旗湖等幾個重點子湖的各污染物全年水質變化情況見圖9～12。

圖9 湯遜湖污染治理后外湯湖心污染物濃度變化

4.2.2 污染物削減配合引水工程

4.2.2.1 方案說明

在污染物削減方案的基礎上，考慮到湯遜湖區域現狀面臨的問題及需求，本方案提出梁子湖為引水水源的水系連通方案。方案中，年引水規模0.69億m3，僅占梁子湖年徑流量的4.4%，且梁子湖水質較好，在Ⅱ～Ⅲ類之間。總體來看，梁子湖水量充足、水質優良，可作為湯遜湖補水水源。此情境下，引水量為10 m3/s，東壩河引水時段分別為4月20日至5月8日、7月13～31日、8月15日至9月5日，且當日降雨強度超過25 mm時，不引水。

4.2.2.2 模擬結果

(1)全湖水質分析：當引水10 m3/s時，湯遜湖各子湖在7月31日和9月5日濃度場分布情況見圖13和圖14。綜合旱季和雨季水質模擬結果可知，雨季由于面源沖刷作用，水質較旱季稍差。全湖COD和NH3-N可達Ⅴ類水質，TP和TN達Ⅴ類水質面積比例分別為98%和97%。

圖10 湯遜湖污染治理后內湯湖心污染物濃度變化

圖11 湯遜湖污染治理后大橋湖心污染物濃度變化

圖12 湯遜湖污染治理后紅旗湖心污染物濃度變化

圖13 湯遜湖污染物削減配合東壩河引水10 m3/s情況下7月濃度場

圖14 湯遜湖污染物削減配合東壩河引水10 m3/s情況下9月濃度場

(2)重點湖區水質分析：外湯主湖和內湯主湖在近期點源、面源及內源污染控制后，COD、NH3-N、TP、TN四類污染物可以全年達到Ⅳ類水質標準，內湯主湖在引水期TP和TN指標改善顯著，分別有15%和52%天數達到Ⅲ類水質。大橋湖四類污染物均可達到Ⅴ類標準，但紅旗湖仍有4%的天數TP不達標，3%的天數TN不達標，較不引水結果有一定程度提升，但效果不明顯。外湯主湖、內湯主湖、大橋湖、紅旗湖等幾個重點子湖的各污染物全年水質變化情況見圖15～18。

圖15 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后外湯湖心污染物濃度變化

圖16 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后內湯湖心污染物濃度變化

圖17 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后大橋湖心污染物濃度變化

圖18 湯遜湖污染治理及引水10 m3/s后紅旗湖心污染物濃度變化

5 結論

(1)本文建立了湯遜湖全湖水動力-水質耦合模型，并對水質數據進行了率定驗證，確定了水動力、水質等模型的參數，模型誤差在合理范圍內，表明該模型精度較高，可用于各類情景分析。

(2)現狀湯遜湖水質整體不達標，水體無富余水環境容量，已無力承擔額外的污染負荷輸入。為實現主湖及子湖水質主要指標達到V類，入湖污染負荷根據水環境容量要求進行了削減。削減措施考慮了城鎮污水系統提質增效、城市面源污染控制、農村環境綜合整治、內源污染防治、水網構建與引水活水等綜合措施等。(3)根據模擬計算結果，內水系連通對湯遜湖水動力改善效果明顯。在此基礎上，若僅采用污染物削減，各子湖難以達到水質目標要求，引水可改善湯遜湖尤其是外湯主湖和內湯主湖水動力，促進污染物擴散降解，保障湖泊水質達標。雨季由于面源沖刷作用，水質較旱季稍差。而沙咀湖、紅旗湖、楊橋湖等子湖較為封閉、水動力不暢，若要保證各子湖水質穩定達標，需進一步采取措施改善其水動力、消除面源污染。

(4)湯遜湖水質達標后，可通過入湖污染緩沖凈化、生境營造、水生植被恢復等生態修復措施進一步改善和維護水質，確保湯遜湖水質穩定達標。