基于水動力水質耦合模型的城市河湖生態補水方案

摘 要：研究城市河湖生態補水對于城市的可持續發展以及滿足人們的生活需求具有重要意義。沙湖港、羅家港位于武漢中心城區，是東沙湖水系引江濟湖的引水通道。結合東沙湖水系整體布局和水系連通的情況，研究探討了從長江引水補充沙湖港、羅家港的生態補水方案，通過建立二維水動力水質耦合數值模型，模擬沙湖港、羅家港生態補水方案的運行效果。結果表明，從武鋼泵站引長江水，羅家港、沙湖港（青山港—羅家港段）TP和NH3-N濃度顯著降低，沙湖港（徐東大街—羅家港段）雖然得到了一定程度的換水，但該段水質改善效果極其微弱。由于長江水質的TN、TP含量較高，生態補水對于降低TN濃度的效果非常有限，在利用長江補水進港渠時，還需要防止長江水帶來富營養化風險。相關研究成果可為定量評估城市河湖生態補水效果提供借鑒。

關鍵詞：生態補水方案；水動力水質耦合模型；武漢市

中圖分類號：TV211" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

隨著經濟社會快速發展，城市河湖水環境面臨嚴峻挑戰，城市生活污水未完全截污，初雨帶來城市面源污染造成水體污染，加上城市河湖來水多依賴于降雨，非降雨時段水量較少，導致港渠水動力條件差、水環境容量小、水環境承載力低、水體生態功能退化。城市河湖在生態文明建設中發揮著重要作用，因此，研究城市河湖生態補水對于構建城市幸福河湖現代水網具有重要意義。

國外對于生態補水的研究起步較早。20世紀90年代，TVA（田納西河流域管理局）通過優化調整所管理水庫的調度運行方式，提高下泄水量和水質，以增加下游河道的最小流量，增加水流的溶解氧濃度，改善下游水域的生態環境[1]；在澳大利亞，每個州和地區都要評價“水依賴的生態環境 ”，提出水資源可持續利用和恢復生態環境的分配方案，且方案必須考慮5～10年后可能出現的情況，并利用相關數據重新調整徑流季節變化特征，以達到最佳的生態狀態[2]。

與國外相比，國內對于生態補水的研究起步較晚。張麗等[3]以常州薔薇濕地公園為例，提出了“垂直流水平流”的生態補水復合模式，該模式具有較好的經濟效益和環境效益。羅鴻兵等[4]采用景觀水法和一維水量水質模型確定了新圳河河道補水量，選擇固戍污水處理廠再生水為補水來源，并對其生態補水工程進行了設計。劉江俠[5]采用“過程匹配、典型歸類”的方法，針對4種不同類型的補水年份制定了農業和生態補水方案。馮亞輝等[6]研究了利用南水北調工程初期剩余水量進行白洋淀生態補水的可能性，并對輸水路線方案進行了比選。此外，近年來我國相繼實施了一些跨省份、跨流域的生態水源調度工程[7]，用以修復湖泊生態環境，實現水資源可持續利用、社會可持續發展和保護生態環境的目的。

沙湖港、羅家港位于武漢中心城區，是東沙湖水系排澇明渠的重要組成部分，也是東沙湖水系引江濟湖的通道[8-9]。目前沙湖港、羅家港主要來水是降雨徑流和污水處理廠中水，其中中水占全年來水量95%以上，年平均流量在6 m3/s以上。隨著“四廠合一”污水深隧建成運行，沙湖、二郎廟、落步咀三座污水廠收集的污水由深隧統一集中至北湖污水廠，沙湖港、羅家港來水劇減，多年平均流量僅0.39 m3/s，港渠水質、生態和景觀面臨嚴峻挑戰，直接影響東沙湖水生態系統良性循環。因此，亟需尋找有效可行的方案，來改善沙湖港、羅家港水生態環境，提升城市景觀品質。

本文對沙湖港、羅家港的水質水量變化情況進行詳細分析，結合項目周邊可利用的水資源，根據沙湖港、羅家港運行功能的需求，研究探討從長江引水補充沙湖港、羅家港的生態補水方案，通過建立二維水動力水質耦合數值模型，評估沙湖港、羅家港生態補水方案運行效果，為改善城市港渠生態景觀提供參考。

1 研究區域概況

東沙湖水系位于武昌地區中北部，匯水范圍北起武青堤，南至武珞路、珞喻路，西起長江，東至廠前路、王青公路（見圖1）。根據自然地勢、現狀排水分區及排水調度的關系，可分為內沙湖、外沙湖、水果湖、東湖和羅家路直排區等五個匯水區，匯水區總面積為174 km2，汛期澇水由前進路、新生路和羅家路三座泵站提排出長江，總提排規模149 m3/s，非汛期澇水由羅家路閘和曾家巷閘自排出長江。

2 二維水動力水質耦合模型構建

2.1 模型原理

所研究的港渠平均水深低于3 m，屬于典型的淺水河道，垂直方向不存在明顯的分層現象，可采用二維淺水動力學模擬，包括三個方程：連續性方程（式（1））、水流沿水平x方向動量方程（式（2））和水流沿水平y方向的動量方程（式（3））。

式中：t為時間（s）；n為曼寧糙率系數；x、y分別為直角坐標的橫坐標和縱坐標（m）；u、v分別為x、y方向的流速分量（m/s）；z、h分別為x、y處的水位和水深（m）；g為重力加速度。

水質模擬是在水動力模型的基礎上進行的，水動力模型為水質模型提供水體水位和流場變化，水質模型根據不同的外界條件模擬不同污染物質的濃度及分布變化。污染物的對流擴散方程為

式中：c為復合濃度（常量）；u、v分別為x、y方向上的水平速度（m/s）；h為水深（m）；Dx、Dy分別為x、y方向上的擴散系數（m2/s）；F為線性衰減系數（s-1）；S =Qx（cs-c），Qx為源匯項流量（m3/（s·m2）），cs為源匯項處化合物的濃度；u、v、h由水動力學模塊提供。

二維水質模型主要考慮旱季補水期間的對流擴散模擬。

2.2 模型概化

依據沙湖港、羅家港及其周邊的地形地貌、水系分布、污染源分布以及湖泊內閘壩、橋涵等構筑物的結構特征，建立二維水動力水質耦合模型。模型采用三角網格對港渠進行二維網格概化。通過網格點將求解區域覆蓋，對其進行空間和時間離散求解。采用網格劃分工具進行模型概化，提升網格結構的平滑性，減小計算誤差，保證模擬的穩定性和準確度，如圖2、圖3所示。

2.3 模型率定與驗證

采用基于InfoWorks ICM的雨、污水管網和河湖模型構建二維水動力水質模型。依據2016年6—7月實測資料，對水系管網、路網、水工建筑物等發生變化的構筑物參數進行復核校驗，率定后模型的模擬水位過程與監測水位過程的趨勢吻合較好（見圖4），Nash-Sutcliffe效率系數達到0.9左右。

3 生態補水方案分析

沙湖港和羅家港目前的來水主要包括兩個部分：一是沙湖污水廠、二郎廟污水廠、落步咀污水處理廠的尾水；二是港渠排口來水。沿線地區雨水進入港渠，是港渠來水源頭之一。

沙湖港、羅家港生態補水量不僅要滿足水量要求，還需要滿足水質要求。水質與水量保證的基礎是水體的水環境容量屬性，該屬性保證了在某一水量條件下所接納污染物量。經分析，可供補水的水源有長江、沙湖、東湖。通過分析長江、東湖水源與兩港水位差別、水質差別，推薦的常態補水路線為從武鋼泵站引長江水，即長江→武鋼泵站→青山港→沙湖港→羅家港→長江（見圖5）。

4 模型的建立與模擬

4.1 現狀水質條件分析

沙湖污水廠、二郎廟污水廠和落步咀污水廠的尾水月平均出水量分別為15.74萬、25.21萬、10.45萬m3/d，旱季（11月—翌年4月）通過羅家路泵站抽排或羅家路閘自排，河道水位由初始19.0m降低至18.8 m的情況下，河道整體流速較緩，其中：羅家港流速為0.08～0.15 m/s；沙湖港（沙湖－羅家港段）流速為0.08～0.28 m/s；其它段河道流速均小于0.1 m/s。旱季污水廠尾水入流后，在控制河道常水位19.0 m的情況下，河道的總體流速緩慢，均小于0.3 m/s。

由兩港的水質監測數據可知（見圖6），在三個污水廠尾水排入港渠后，兩港的CODCr濃度介于Ⅱ類與Ⅳ類水之間；TN濃度幾乎全部大于2 mg/L；NH3-N濃度大部分大于2 mg/L，個別監測點濃度介于1～2 mg/L之間；TP濃度大部分大于0.4 mg/L，個別監測點濃度為0.2～0.4 mg/L。

4.2 模擬方案邊界條件

在進行河道補水之前，考慮18.0 m的初始水位作為補水前的河道狀態。由于入河管網排口晴天無污水入河，河道底泥在得到清淤后，內源對河道補水期間的影響可忽略。另外，補水期間不考慮降雨面源輸入。補水前河道初始水質為現狀河道水質。補水量按三個污水廠尾水日產生量之和6 m3/s考慮。

4.3 生態補水方案水質分析

4.3.1 NH3-N

河道現狀NH3-N濃度平均約3.5 mg/L，從武鋼泵站引長江水對河道進行6 m3/s補水，連續補水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的NH3-N濃度大幅下降，均由現狀的3.5 mg/L下降至0.5 mg /L左右，可達III～IV類水（見圖7）。沙湖港（徐東大街—沙湖段）換水效果較差，換水后NH3-N仍為劣V類。

4.3.2 TN

河道現狀TN濃度平均約8.3 mg/L，從武鋼泵站引長江水對河道進行6 m3/s補水，連續補水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TN濃度下降明顯，均由現狀的8.3 mg/L下降至3～5 mg/L左右，但仍為劣V類水（見圖8）。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，換水后TN仍為劣V類，超過8 mg/L。

4.3.3 TP

河道現狀TP濃度平均約0.75 mg/L，從武鋼泵站引長江水對河道進行6 m3/s補水，連續補水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TP濃度下降明顯，均由現狀的0.75 mg/L下降至0.12 mg/L左右，可達III～IV類水（見圖9）。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，換水后TP仍為劣V類。

綜上可知，從武鋼泵站引長江水，且補水量為6 m3/s情形下，對河道進行補水2 d后，羅家港、沙湖港（青山港－羅家港段）的TP和NH3-N濃度顯著降低，可達III～IV類水；TN濃度也顯著降低，但由于長江水的TN濃度超過2 mg/L，補水后的港渠仍為劣V類水。沙湖港（徐東大街－沙湖段）換水效果較差，TP、TN和NH3-N均為劣V類水。

5 結 論

（1）以長江為補水水源，通過武鋼泵站以6 m3/s引水方式進入河道，建立二維水動力水質耦合數值模型。模擬效果較好，與現狀水動力與水質條件基本吻合。

（2）從武鋼泵站引長江水，羅家港、沙湖港（青山港—羅家港段）TP和NH3-N顯著降低，沙湖港（徐東大街—羅家港）雖然得到了一定程度的換水，但該段水質改善效果極其微弱。

（3）由于長江水體的TN濃度超過2 mg/L，從長江補水能夠降低河道的TN濃度，但補水后仍為劣V類水。

（4）由于長江水體的TN、TP含量較高，在利用長江補水進港渠時，雖然能夠一定程度上降低港渠內TP和TN濃度，但補水后仍為劣V類。通過引長江水源對沙湖港、羅家港進行生態補水并不能達到提升水質的目標，引水時還需考慮長江水帶來富營養化的風險。

由于目前監測數據極其有限，支撐深入研究的數據基礎較薄弱，現狀晴天入河的實際污染負荷、雨天的雨水徑流污染，以及合流制管道的溢流污染在本文研究中暫未涉及。下一步還需結合觀測資料，開展汛期、非汛期以及各類污染入河后的對流擴散、混合排放、生化降解、累積沉淀等復雜實際過程的模擬分析，以輔助各種情形下的優化調度決策。

參考文獻：

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[4] 羅鴻兵，羅麟，黃鵠，等. 深圳市新圳河生態補水研究及應用[C]//2009年全國城市水利學術研討會暨工作年會論文集. 深圳：中國水利學會城市水利專業委員會秘書處，2009：194-203.

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[9]羅慧萍，唐見，曹慧群，等.水網連通對大東湖富營養化的影響[J].長江科學院院報，2021，38（9）：48-54，63.

Ecological Water Replenishment Scheme for Urban River and Lake Based on Hydrodynamic and Water Quality Coupling Model：A Case Study of Donghu-Shahu Lake Water System in Wuhan City

XIE Shan1，QIAN Xiaoyan1，XIANG Biwei1，YANG Sen2，LI Erming1

（1. Wuhan Institute of Water Affairs Science Research （Wuhan Water and Soil Conservation Monitoring Station），Wuhan 430010，China；2. Ewaters Environmental Science and Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：Ecological water replenishment of urban rivers and lakes is of significant importance for the sustainable development of cities and meeting people's living needs. Shahu Port and Luojia Port are located in central urban area of Wuhan and serve as water diversion channels for Donghu-Shahu Lake water system in river diversion project from the Yangtze River to the Lakes. This paper explores the ecological water replenishment scheme for diverting water from the Yangtze River to the Shahu Port and Luojia Port，taking into account the overall layout of Donghu-Shahu Lake water system and its connection. A two-dimensional hydrodynamic and water quality coupling numerical model is established to simulate the operation effects of ecological water replenishment scheme. Results indicate that concentration of total phosphorus and NH3-N decrease significantly in Luojia Port and Shahu Port （from Qingshan Port to Luojia Port section） when diverting water from Wuhan Iron and Steel Pump Station. Although there is a certain degree of water exchange in Shahu Port （from Xudong Street to Luojia Port section），the improvement of water quality in this section is extremely limited. Due to the high concentration of total nitrogen and total phosphorus in the Yangtze River，effect of ecological water replenishment on reducing total nitrogen concentration is very limited. Therefore，it is necessary to prevent the risk of water eutrophication when diverting water from the Yangtze River to port channels. The research findings can provide a reference for the quantitatively assessment of ecological water replenishment of urban rivers and lakes .

Key words：ecological water replenishment scheme；hydrodynamic and water quality coupling model；Wuhan City