基于MIKE21研究生態補水對巢湖水質時空分布的影響*

黃 明 馬飛虎# 匡 武 孫亞敏

(1.安徽建筑大學環境與能源工程學院,安徽 合肥 230601;2.安徽建筑大學遙感與地理信息系統研究所,安徽 合肥 230601;3.安徽省生態環境科學研究院,安徽 合肥 230061;4.安徽省生態環境監測中心,安徽 合肥 230061)

巢湖是我國五大淡水湖之一,近年來巢湖水環境有所改善,但巢湖富營養化問題依然存在。巢湖東半湖是巢湖市的飲用水水源地,環巢湖區域是當地著名的景觀水體,其水環境質量直接影響到巢湖市居民用水和旅游觀光的經濟收入。改善湖泊富營養化問題,要綜合考慮長期和短期治理方案,長期方案的重點在于減少污染物進入湖泊,治理好湖泊流域內的點源和面源污染;短期方案是實施有效的工程措施降低湖泊污染物濃度,其中生態補水是改善湖泊水環境的重要手段之一。關于生態補水對水環境的改善研究,JIANG等[1]發現“南水北調”東線二期工程的實施加快了湖區水質變化頻率,形成了由東南向西北的水流流向,對洪澤湖水質起到了改善效果;ZHANG等[2]利用MIKE21軟件構建水動力水質耦合模型,模擬生態補水對白龜山水庫水質的改善作用,發現在大流量補水條件下,水動力條件和水庫復氧效果良好,水質改善效果最佳;WANG等[3]建立了巢湖三維水動力水質耦合模型,研究生態補水對巢湖水體生態環境的影響。可見,數理模型是研究湖泊水動力和水質改善效果的常用手段。

引江濟淮工程被稱為安徽的“南水北調”,自南向北分為引江濟巢、江淮運河、淮水北調3段,本研究主要針對引江濟淮工程中引江濟巢段的生態補水路線進行研究。由于引江濟巢的長江水量和水質對巢湖的水動力和水質變化會產生一定影響,且巢湖流域內的點源和面源污染尚未得到完全控制,因此,本研究利用MIKE21軟件建立巢湖水動力水質耦合模型,研究引江濟巢工程實施前后,巢湖的水動力和水質變化過程,尤其研究引江濟巢工程對南淝河入湖口、巢湖飲用水水源地等敏感區域的水質影響,研究結果對于巢湖水環境質量的精細化管控具有重要意義。

1 研究區域與模型構建

1.1 研究區域概況

巢湖位于東經117.25°～117.85°、北緯31.43°～31.73°,多年平均水位為8.52 m,平均水深為2.69 m,屬于淺水湖泊[4-5]。巢湖湖泊面積為769 km2,主要入湖河流有杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河和兆河,這些河流呈放射狀流入巢湖,其中杭埠河的水量最大[6]104。基于周邊水系特征與巢湖出水口位置,設計3種生態補水方案:方案一設置2條生態補水路線,其中菜巢線由樅陽樞紐引水經菜子湖、白石天河進入巢湖,西兆線由西向鳳凰頸樞紐引水經兆河進入巢湖,由巢湖閘流出;方案二由鳳凰頸樞紐單線引水經兆河進入巢湖,由白山節制樞紐流出巢湖;方案三由鳳凰頸樞紐單線引水經兆河進入巢湖,經由巢湖閘流出,具體線路見圖1。

圖1 研究區位置與引江濟巢段生態補水路線Fig.1 Location of the study area and the ecological water replenishment routes in water diversion projects from Yangtze River to Chaohu Lake

1.2 模型構建

MIKE21、EFDC、Delft3D等軟件被廣泛應用于河湖水動力與水質模擬[7-8]。其中,MIKE21相比于EFDC和Delft3D,具有模型建立簡單、軟件界面友好、前后期處理功能強大、其Ecolab模塊能很好地模擬湖泊水質變化等優勢[9-11],因此本研究采用MIKE21軟件構建巢湖水動力水質耦合模型,對引水前后巢湖的水動力和水質進行研究。模型網格的構建對于確保模型精度和提高計算速度至關重要,密集的模型網格能保證模型高精度,但會導致計算時間過長,而網格過少又會嚴重降低模型精度。因此,應通過反復調整網格密度確定巢湖模型網格,在保證計算精度的前提下減少計算時間。經多次驗證,本研究構建的巢湖模型網格共有3 831個節點,7 199個非結構三角網格,模型網格邊界、監測點、敏感區域位置見圖2。

圖2 巢湖模型網格邊界、監測點位及敏感區域Fig.2 Boundaries,monitoring point locations and sensitive areas of Chaohu Lake model grid

1.2.1 模型原理

MIKE21中水動力模型方程是基于N-S方程且服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定建立[12];水質模型使用MIKE21中Ecolab模塊耦合水動力模型建立。

1.2.2 邊界條件

巢湖水動力水質耦合模型以7條入湖河流(南淝河、十五里河、派河、杭埠河、白石天河、兆河和柘皋河)作為上邊界,1條出湖河流(裕溪河)作為下邊界。生態補水情況下,方案一邊界條件不變,方案二、方案三中白石天河引水不進入巢湖,而是經人工河道進入派河流出,因此上邊界入湖河流需去掉白石天河及派河,入湖河流由7條改為5條,且方案二將白石天河由上邊界的入湖河流變為下邊界出湖口。

對巢湖8條邊界河流的氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)水平進行統計,結果見表1。參考《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中湖、庫標準,入湖河流中南淝河、十五里河、派河等入西半湖河流的TN均值為劣Ⅴ類,白石天河TN均值為Ⅳ類,杭埠河、兆河和柘皋河TN均值為Ⅲ類;南淝河氨氮均值為Ⅴ類,其他6條入湖河流氨氮均值為Ⅰ～Ⅲ類;南淝河、十五里河和柘皋河TP均值為Ⅲ類,派河、杭埠河、白石天河、兆河TP均值為Ⅱ類。

表1 8條邊界河流中氨氮、TN和TP的質量濃度Table 1 Mass concentrations of ammonia nitrogen,TN and TP in eight border rivers mg/L

1.2.3 水文水質數據

巢湖地形數據由巢湖底部高程點數據構建,降雨量數據來自塘西、忠廟、柘皋和兆河閘4個雨量站,蒸發量取流域多年平均值[13];巢湖閘、忠廟、塘西和槐林4個水文站的水位數據來自安徽水文局(http://yc.wswj.net/ahsxx/LOL/Δrefer=upl&to=public_public)。模型上下邊界的水質數據來自安徽生態環境廳(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。巢湖水質和水溫數據取自巢湖8個監測點,監測點數據來自相關文獻和安徽生態環境廳實時監測數據(https://sthjt.ah.gov.cn/szsjtj/index.html)。生態補水資料來源于文獻資料和引江濟淮工程環境影響報告書[14]。

1.2.4 日入湖流量計算

根據水量平衡原理,日入湖流量計算如下:

Qi+P=Q0+Ev+ΔV

(1)

ΔV=ΔH×S

(2)

式中:Qi為進入巢湖流量(包括巢湖各個子流域的徑流量和河閘進入巢湖的流量),m3/d;P為巢湖湖面降雨量,m3/d;Q0為經由河閘流出巢湖的流量,m3/d;Ev為巢湖湖面蒸發損失的水量,m3/d;ΔV為水量變化引起的巢湖容積變化,m3/d;ΔH為水量變化引起的巢湖水位變化,m/d;S為巢湖水面面積,m2。

式(1)中各子流域的徑流量根據《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區產生匯流分析成果和山丘區中、小面積設計洪水計算辦法》[15]獲得,Pi和Ev由降雨量和蒸發量乘以巢湖湖面面積得到,Q0為巢湖閘和兆河閘的監測數據。水位數據取巢湖4個水文站點水位的平均值。根據式(1)、式(2),計算得到巢湖年總入湖水量為8 728 258 594 m3,實際年總入湖水量為8 878 199 185 m3,相對誤差為1.7%,可見該計算方法結果可靠,可用于模型模擬。

1.2.5 生態補水方案

參考高芮等[6]103-107的研究,設定巢湖生態補水時間為25 d,生態補水前巢湖、白石天河、兆河和白石天河引水(樅陽引江樞紐)、兆河引水(鳳凰頸樞紐)的水質情況見圖3,生態補水設計方案見表2。

表2 生態補水方案設計Table 2 Program design for ecological water replenishment

圖3 生態補水前巢湖、白石天河、兆河水質和引水水質Fig.3 Water quality of Chaohu Lake,Baishitian River and Zhao River before ecological water replenishment and water quality of inlet water

方案一西兆線、菜巢線雙線引長江水入巢湖,經裕溪河巢湖閘流出,兆河、白石天河生態補水流量均為150 m3/s;方案二生態補水經兆河單線引入巢湖,巢湖出水口由裕溪河的巢湖閘改為白石天河的白山節制樞紐,兆河生態補水流量為150 m3/s,白石天河引水不進入巢湖,而是經人工河道進入派河,再北上進入引江濟淮工程的“江淮運河段”,因此派河與白石天河均不再入流巢湖;方案三生態補水經兆河單線進入巢湖,經裕溪河巢湖閘流出,生態補水流量為150 m3/s。白石天河的引水與方案二相同,通過人工河道與派河進入引江濟淮工程的“江淮運河段”。

1.2.6 參數設置

以2020年共366 d為研究周期,時間步長為1 d,干水深、濕水深、淹沒水深分別設置為0.005、0.050、0.100 m。巢湖水動力水質耦合模型上邊界河流流量由徑流系數法計算得到。利用水位和水量數據率定模型,調整模型參數,使模型的精度滿足要求。

模型參數由實測數據率定再經實測數據驗證后確定,具體見表3。

表3 模型中的參數設置Table 3 Parameter settings in the model

1.3 模型驗證

采用決定系數(R2)和均方根誤差(RSME)判斷模型的可靠性與精度。當R2大于0.6并且RSME越小,表明水動力水質耦合模型具有越高的擬合度與可靠性。

1.3.1 水動力模型驗證

選取下邊界巢湖閘上游水位作為水動力驗證條件,模擬結果見圖4。由圖4可見,模擬水位與實測水位基本吻合,總體趨勢一致。模擬水位與實測水位的R2、RSME分別為0.97、0.25 m,表明模型模擬結果與實測值接近,驗證了徑流系數法的可靠性。水動力模型具有良好的精度和可靠性,可為后續的水質模擬提供保障。

圖4 巢湖閘上游水位模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison of simulated and actual measurement water level in upstream of Chaohu Lock

1.3.2 水質模型驗證

使用水動力模型耦合Ecolab模塊,輸入相應的模型參數,建立水動力水質耦合模型,再根據巢湖水質數據率定模型參數,以驗證模型的可靠性。鑒于巢湖東、西半湖水質存在一定差異,以東、西半湖監測點水質的平均值代表東、西半湖水質,進行模擬值與實測值的比較,模擬結果見表4。總體看來,模擬水質數據與實測水質數據趨勢一致,東、西半湖3種污染物的R2≥0.70,且RSME相對較低,說明水質模型可靠性高,可為后續的生態補水后巢湖水質模擬提供保證。

表4 巢湖東、西半湖氨氮、TN及TP的模擬效果Table 4 Simulated results of ammonia nitrogen,TN and TP in eastern half and western half of Chaohu Lake

2 結果與討論

2.1 不同生態補水方案的巢湖水流流速變化

不同生態補水方案下巢湖內流速分布模擬結果見圖5。未進行生態補水時,巢湖西半湖和東半湖水流的平均流速分別為0.57、0.75 cm/s,東半湖靠近巢湖閘區域的流速可達2.40 cm/s,呈現西半湖水流速度慢,東半湖水流速度相對較快的狀態。杭埠河是巢湖流域面積和徑流量最大的入湖河流,其入湖口為巢湖西半湖與東半湖分界的南端,由南向北流入巢湖,由于杭埠河入湖流量大,而西半湖南淝河和派河的入湖河流流量相對較小,造成西半湖水流呈逆向流動,延長了污染物在西半湖內部的擴散流動時間。因此,巢湖入湖河流的流量大小和入湖口的位置分布會相互作用,影響湖泊的水動力和污染物的分布情況。

注:圖中數據為水流流速,單位為m/s。

與未進行生態補水相比,方案一由白石天河與兆河雙線生態補水,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.57、1.05 cm/s,東半湖水流流速提高了40%,而西半湖流速無明顯變化;方案二由兆河生態補水且出水口為白山節制樞紐,不再流向東半湖,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.68、0.93 cm/s,西半湖流速增加了近20%,改善了西半湖的水動力條件,且東半湖臨近白山節制樞紐區域流速提高25%,而東半湖臨近巢湖閘區域流速降低40%;方案三由兆河生態補水,西半湖和東半湖的平均流速分別為0.57、0.93 cm/s,東半湖的流速增加24%,改善了東半湖的水動力條件,而西半湖流速無明顯變化。總述之,3種生態補水方案中,方案一由白石天河與兆河持續補水,增加了入河河流的水量和巢湖閘出流流量,提高了巢湖東半湖和巢湖閘上游區域的水流流速。在方案二中,巢湖水流經由白山節制閘出流,大幅增加了白石天河附近區域的水流流速,但降低了巢湖閘區域水流流速。方案三由兆河單線調水,增加了兆河入湖流量與巢湖閘出湖流量,提高了巢湖閘上游區域的水流流速。

2.2 生態補水前后巢湖敏感點區域水質變化

若通過設置密集的水質監測站點來觀測生態補水前后巢湖水質變化,將會產生大量的檢測費和管理費,為此本研究通過湖泊水動力水質耦合模型,獲得整個湖泊內水動力與水質的時空變化過程,進而研究敏感區域的水質變化情況。選取南淝河入湖口、峔山島、忠廟和東半湖飲用水水源地4個敏感區域為研究對象,研究其生態補水前后水質變化情況,為改善巢湖水質提供科學的對策和建議。生態補水前后白石天河和兆河的入湖水量與水質的變化見表5。由表5可知,補水后巢湖氨氮和TN濃度均有明顯下降,方案一、方案二使巢湖TP濃度小幅降低,方案三下巢湖TP濃度呈上升趨勢。

表5 生態補水前后白石天河、兆河及巢湖水質的變化Table 5 Changes in water quality of Baishitian River,Zhao River and Chaohu Lake before and after ecological water replenishment

從圖6(a)可以看出,南淝河入湖口區域在3種生態補水方案下氨氮較補水前均有所提高,但均滿足GB 3838—2002的Ⅲ類水標準,其中方案一氨氮上升幅度最小,方案三氨氮增幅最為明顯,達到0.332 mg/L,方案三由兆河單線補水,部分流向西半湖,阻礙了西半湖污染物向東半湖擴散,且西半湖流速較慢,最終導致南淝河入湖口氨氮濃度提升幅度最大;方案二和方案三中TN降低并達到GB 3838—2002 Ⅲ類水標準,其中方案二西半湖流速增幅最大,且派河不再入流,減少了流入西半湖的污染物通量,二者共同作用下,TN濃度下降幅度最大;方案二和方案三可使TP下降至0.100 mg/L,達到GB 3838—2002 Ⅳ類水標準。在方案二和方案三中,派河不再入流巢湖,減少了西半湖污染物入湖通量,降低了南淝河入湖口的TP濃度,而方案二對西半湖流速提高更明顯,因此,方案二TP濃度下降最多。綜合比較,方案二對南淝河入湖口水質改善效果最好。根據相關研究,水體中TN/TP在15左右時易暴發藍藻[16-18],3個生態補水方案中南淝河入湖口區域TN/TP均在15～20,南淝河入湖口區域藍藻暴發風險依然較高,表明生態補水不能有效改善南淝河入湖口區域的水質,因此,要進一步加強對南淝河流域的治理,如控制上游磷礦區的地表徑流、農業面源污染及城市合流制系統的溢流污染,以減少污染物的流入,改善南淝河入湖口的水質。

圖6 不同生態補水方案對敏感區水質的影響Fig.6 Impacts of different ecological water replenishment programs on the water quality of sensitive areas

從圖6(b)可以看出,在3種生態補水方案下,峔山島氨氮和TN濃度都呈下降趨勢,在方案二中二者濃度降低幅度最大,且TN指標由GB 3838—2002 Ⅳ類水標準提高為Ⅲ類水。方案一、方案三對TP濃度改變不明顯,但方案二的TP濃度呈明顯下降趨勢。方案二巢湖水從白石天河出流,靠近峔山島區域,大幅提高了峔山島區域的流速,因此,方案二能有效降低峔山島氨氮、TN和TP,且TN/TP由14.7降為7.4,降低了峔山島暴發藍藻的風險。

從圖6(c)可以看出,在3種生態補水方案下忠廟氨氮、TN濃度都呈明顯下降趨勢,且TN濃度均降低達到GB 3838—2002 Ⅲ類水標準。方案一、方案三提高了TP濃度,但方案二小幅降低了TP濃度。由以上分析可知,方案二對忠廟水質的改善效果最好;忠廟TN/TP由13.4降低至4.0,降低了忠廟暴發藍藻的風險。

從圖6(d)可以看出,3種生態補水方案均降低了飲用水水源地氨氮和TN的濃度,使二者均達到GB 3838—2002 Ⅲ類水標準。生態補水初期,方案一、方案三降低了飲用水水源地TP的濃度,但方案二增加了TP濃度,在方案一和方案三中,飲用水水源地TP總體達到GB 3838—2002 Ⅲ類水標準,方案三派河與白石天河不再流入巢湖,減少了入湖污染物通量,且持續的兆河補水提高了東半湖的流速,因此方案三對飲用水水源地水質的改善效果最好,且TN/TP由10.0降為4.8,降低了飲用水水源地暴發藍藻的風險。綜上可知,方案一經由白石天河和兆河引入低濃度氨氮和TN補水,可以稀釋巢湖中氨氮和TN的濃度,而補水中TP濃度與巢湖接近,無法發揮稀釋作用,但隨著入湖流量的增加,加快了飲用水水源地的流速,降低了其TP濃度;方案二中巢湖水流經白山節制閘出流,提高了白石天河附近區域的水流流速,同時減少了西半湖流入東半湖的污染物通量,因此能有效降低峔山島和忠廟區域的氨氮、TN和TP濃度;方案三兆河補水可以稀釋水體氨氮和TN,增加飲用水水源地水流流速,降低TP濃度,同時派河不再入流巢湖減少了進入西半湖的污染物通量,改善了巢湖的水質。基于4個敏感區域模擬結果分析,方案二對巢湖水質的改善效果最好,生態補水對峔山島、忠廟和飲用水水源地水質都起到了明顯的改善效果。

3 結 論

為探究引江濟巢工程生態補水對巢湖水動力和水質改善效果,利用MIKE21建立巢湖水動力水質耦合模型,用于模擬研究生態補水對巢湖水動力和水質隨時空變化的動態影響過程,分析了不同生態補水方案對巢湖敏感區域的水質改善效果,確定了最優的補水方案。

1) 水動力水質耦合模型對巢湖水位、水質模擬的R2均大于0.6且RSME值相對較低,表明構建的模型可靠,可以模擬生態補水后巢湖的水動力和水質時空變化過程。

2) 引江濟巢工程通過持續輸入氨氮和TN含量較低的生態補水,可以降低巢湖水體中氨氮和TN水平,以及西半湖的TP濃度。由于西半湖水流流速慢,水動力條件差,方案一白石天河持續生態補水,部分水流流向西半湖,導致西半湖內部產生水流逆循環現象,增加了南淝河入湖口區域污染物滯留時間;方案二將巢湖出水口從裕溪河的巢湖閘改為白石天河的白山節制樞紐,可以有效提高巢湖西半湖流速,進而改善西半湖水質。可見,生態效果受到補水水質、位置以及出湖口位置的影響。

3) 在巢湖南淝河入湖口、峔山島、忠廟和飲用水水源地4個敏感區域中,3種生態補水方案使4個敏感區域TN總體達到GB 3838—2002 Ⅲ類水標準;其中方案二對忠廟水質改善效果最優;方案三下飲用水水源地TP降幅最大。方案二中峔山島、忠廟的TN/TP分別從14.7、13.4降至7.4、4.0,降低了峔山島、忠廟區域藍藻暴發的潛在風險,方案三中飲用水水源地的TN/TP從10.0降至4.8,降低了飲用水水源地藍藻暴發的潛在風險,但3個生態補水方案下南淝河入湖口區域的TN/TP均在15～20,藍藻暴發風險依然較高。綜合考慮,方案二生態補水效果最好。

4) 引江濟巢工程對巢湖水環境改善有積極的效果,但由于西半湖入湖河流的水動力環境未得到改善,藍藻暴發的潛在風險依然較高,因此,要優化生態補水方案,并有效控制入湖河流流域的地表徑流污染、農業面源污染及城市合流制系統的溢流污染。