生態(tài)清淤對滆湖水質(zhì)影響的數(shù)值模擬

收稿日期：2023-11-28

作者簡介：王艷華（1986—），女，河北滄州人，碩士，工程師。研究方向：環(huán)境管理。

摘要：本研究以滆湖清淤為例，采用MIKE21軟件對清淤后滆湖不同區(qū)域水質(zhì)變化進(jìn)行情景模擬預(yù)測。結(jié)果表明，清淤的集中區(qū)域取水口附近水體中，氮磷削減明顯，豐水期削減率最高可達(dá)8.15%；部分清淤的北部區(qū)域豐水期削減率最高可達(dá)7.42%，未進(jìn)行清淤的南部區(qū)域水體中氮磷幾乎沒有削減。

關(guān)鍵詞：滆湖；生態(tài)清淤；水質(zhì)；MIKE21軟件；數(shù)值模擬

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.043

Numerical simulation of the impact of ecological dredging on the water quality of Gehu Lake

WANG Yanhua

（Changzhou Changwu Changrui Environmental Technology Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China）

Abstract： Taking the dredging of Gehu Lake as an example， this study uses MIKE21 software to simulate and predict the water quality changes in different areas of Gehu Lake after dredging. The results show that nitrogen and phosphorus are significantly reduced in the water near the water intake in the concentrated area of dredging， with a maximum reduction rate of 8.15% during the flood season; the maximum reduction rate during the wet season in the partially dredged northern region can reach 7.42%， while the nitrogen and phosphorus in the water in the southern region without dredging have hardly been reduced.

Keywords： Gehu Lake; ecological dredging; water quality; MIKE21 software; numerical simulation

滆湖位于常州市武進(jìn)區(qū)西南部與宜興市東北部之間，為蘇南地區(qū)僅次于太湖的第二大淡水湖，是江蘇省六大湖泊之一。它是太湖流域湖西地區(qū)重要的行蓄洪湖泊，具有蓄洪、供水、生態(tài)等功能。2010年，常州市將滆湖作為應(yīng)急備用水源地[1]。根據(jù)2008—2021年水質(zhì)監(jiān)測資料，滆湖中總氮（TN）、總磷（TP）濃度處于較高水平，全湖總氮單項(xiàng)水質(zhì)類別為Ⅴ類至劣Ⅴ類[2]。滆湖作為太湖上游重要的行蓄洪湖泊，是新孟河“引江濟(jì)太”的重要通道，其水質(zhì)極為重要。

滆湖的氮磷控制和治理對于削減太湖入湖污染負(fù)荷具有重要作用。底泥是氮、磷等營養(yǎng)鹽在水體中重要的蓄積場所，它與湖水相互作用，控制著湖體中氮磷的平衡[3]。底泥中氮磷含量較高，容易導(dǎo)致氮磷從底泥中釋放而擴(kuò)散進(jìn)入上覆水體，加劇湖泊的富營養(yǎng)化。常用的內(nèi)源污染治理技術(shù)包括底泥清淤、引流沖污、水下森林、生物治理等[4]。生態(tài)清淤被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的湖泊水庫治理中[5]。滆湖擬實(shí)施底泥疏浚工程，清淤深度為0.15～0.35 m，疏浚底泥234.3萬m3，疏浚位置位于取水口附近，疏浚面積為13.1 km2，清淤區(qū)域覆蓋取水口附近、滆湖北區(qū)部分區(qū)域。

1 模型建立

MIKE21軟件是一款水動(dòng)力學(xué)軟件，廣泛用于湖泊、河流、河口等的水動(dòng)力模擬研究[6]。該軟件內(nèi)置水動(dòng)力模塊和水質(zhì)模塊。本研究采用MIKE21軟件，以水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，模擬滆湖區(qū)域清淤后水污染物濃度的時(shí)空變化，分析生態(tài)清淤對不同區(qū)域水質(zhì)的

影響。

1.1 基本方程

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型用于模擬評價(jià)區(qū)域水污染物濃度的時(shí)空變化。控制方程為垂線平均的二維對流分散方程，如式（1）所示。

（1）

式中：C為污染物濃度；t為時(shí)間坐標(biāo)；u、v分別為縱向流速、橫向流速；x、y分別為x軸方向、

y軸方向的示值；Ex、Ey分別為x軸方向、y軸方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；K為自凈系數(shù)；S為污染物源強(qiáng)。

1.2 計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

滆湖網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格，剖分后共得到

3 366個(gè)節(jié)點(diǎn)和6 264個(gè)三角形網(wǎng)格，對項(xiàng)目周邊范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密網(wǎng)格尺寸約為非加密部分的十分之一。

2 模型參數(shù)選取及驗(yàn)證

2.1 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

根據(jù)2018年坊前水位站水位數(shù)據(jù)，對滆湖水動(dòng)力模型進(jìn)行率定，對坊前水位站水位實(shí)測值、計(jì)算值進(jìn)行誤差分析。實(shí)測水位與計(jì)算水位絕對誤差小于0.05 m，湖底糙率取0.021～0.025。

2.2 水質(zhì)模型驗(yàn)證及參數(shù)選取

化學(xué)需氧量（COD）的水質(zhì)綜合降解系數(shù)在0.06～0.17 d-1，氨氮（NH3-N）的水質(zhì)綜合降解系數(shù)在0.08～0.19 d-1[7]，TP的水質(zhì)綜合降解系數(shù)在0.06～0.12 d-1。根據(jù)2018年滆湖例行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（滆湖北），對模型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，分別得到TN、TP、氨氮和COD的全年平均值相對誤差，本研究構(gòu)建的模型能夠有效模擬滆湖水質(zhì)變化。

3 預(yù)測情景

收集太湖流域坊前水位站2012年1月至2022年12月逐月水位數(shù)據(jù)，選取最枯月（2014年1月）作為計(jì)算典型年典型月。淺水湖泊的動(dòng)力來源主要為風(fēng)生流，風(fēng)向設(shè)置為對取水口不利的東北風(fēng)。初始水位采用典型月坊前水位站水位。滆湖水質(zhì)控制的主要影響因子是COD、氨氮、TN和TP。工程實(shí)施前后，滆湖各區(qū)域水質(zhì)因子計(jì)算結(jié)果對比如表1、表2和表3所示。

3.1 滆湖南各項(xiàng)指標(biāo)改善情況

COD、氨氮、TN和TP在枯水期、豐水期的削減率不足1%，枯水期水質(zhì)變差，TP濃度上升，高于清淤前的濃度。滆湖南水質(zhì)計(jì)算結(jié)果對比如表1所示。

3.2 滆湖北各項(xiàng)指標(biāo)改善情況

枯水期，COD削減效果最佳，削減率為2.08%，優(yōu)于豐水期的1.54%；豐水期，氨氮削減效果最佳，削減率為7.42%，枯水期水質(zhì)變差；豐水期，TN削減效果最佳，削減率為1.83%，枯水期水質(zhì)變差，TN濃度升高；豐水期，TP削減效果最佳，削減率為4.11%，優(yōu)于枯水期的0.69%。從全年水質(zhì)改善情況來看，COD、氨氮、TN和TP削減率分別為1.85%、0.28%、-0.28%和1.15%，只有TN出現(xiàn)濃度上升，其余水質(zhì)因子濃度均有所下降，水質(zhì)總體變好。滆湖北水質(zhì)計(jì)算結(jié)果對比如表2所示。

3.3 取水口的各項(xiàng)指標(biāo)改善情況

枯水期，COD削減效果最佳，削減率為5.50%，優(yōu)于豐水期的5.05%；豐水期，氨氮削減效果最佳，削減率為8.15%，優(yōu)于枯水期的6.19%；枯水期，TN削減效果最佳，削減率為5.05%，優(yōu)于豐水期的2.73%；枯水期，TP削減效果最佳，削減率為4.67%，豐水期水質(zhì)出現(xiàn)惡化，TP濃度有所上升。從全年水質(zhì)改善情況來看，COD、氨氮、TN和TP削減率分別為4.46%、6.19%、3.88%和2.33%。取水口水質(zhì)計(jì)算結(jié)果對比如表3所示。

4 結(jié)論

滆湖清淤后，取水口水質(zhì)改善較為明顯，COD、氨氮、TN、TP的全年削減率在2.33%～6.19%，滆湖北清淤后的水質(zhì)有所改變，全年削減率在-0.28%～1.85%，滆湖南清淤后水質(zhì)幾乎無變化。主要原因是清淤工程主要集中在取水口附近，部分位于滆湖北，滆湖南沒有進(jìn)行清淤。從滆湖水質(zhì)指標(biāo)來看，只有COD的削減較為明顯，清淤后未出現(xiàn)指標(biāo)變差的情況，可見生態(tài)清淤是去除內(nèi)源性污染物的有效措施。底泥清除對滆湖中氮、磷營養(yǎng)鹽含量影響較大，本項(xiàng)目僅對取水口附近進(jìn)行清淤，取水口附近水體中氮磷有明顯的削減，但是對未清淤的區(qū)域（滆湖南）幾乎無影響，因此對滆湖整個(gè)區(qū)域的改善效果不明顯。從滆湖北的清淤后預(yù)測結(jié)果可見，即使進(jìn)行清淤，氮磷濃度并未出現(xiàn)降低趨勢，清淤可能會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域蓄積在底泥的營養(yǎng)鹽逐步釋放，從而抵消清淤帶來的負(fù)荷削減[8]，其隨著上覆水中營養(yǎng)鹽含量的上升而重復(fù)累積[9]，使得水中氮、磷濃度升高。根據(jù)滆湖近30年環(huán)境變化趨勢研究，其富營養(yǎng)化主要與農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)化、工業(yè)化相關(guān)[10]，因此滆湖的治理僅依靠生態(tài)清淤難以取得良好的效果，應(yīng)當(dāng)遵循“控源、削減、修復(fù)”的原則，減少農(nóng)村生活污水入湖，將生態(tài)清淤與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，修復(fù)水生生態(tài)

系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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