徐 丹，付 湘，謝亨旺，靳偉榮，秦嘉楠

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201)

人類劇烈的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和頻繁的氣候變化共同脅迫著脆弱的城市水生態(tài)環(huán)境[1]，使得部分河湖水質(zhì)變差。這在影響城市的整體形象的同時(shí)，也嚴(yán)重威脅了城市居民的健康和生態(tài)安全，已逐漸成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素。因此，研究切實(shí)可行的河湖水質(zhì)改善方法，對(duì)改善城市水生態(tài)環(huán)境意義重大。

引水沖污具有稀釋置換被污染水體、改善水動(dòng)力條件的作用，大量的研究與具體工程實(shí)例的應(yīng)用已證明了引水沖污對(duì)于改善城市河湖水環(huán)境是有效的。如安娟等[2]以南京城市內(nèi)河為研究對(duì)象，通過(guò)建立了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，在選擇引水水源、線路、方式及規(guī)模后進(jìn)行了引水沖污模擬；陳振濤[3]等以杭州市江干區(qū)為例，構(gòu)建了一維河網(wǎng)水質(zhì)模型，模擬了不同的引水水量和水源水質(zhì)方案下河網(wǎng)水質(zhì)改善情況，進(jìn)行了調(diào)水效果評(píng)估；張秀菊[4]等為分析南通市通州區(qū)新江海河地區(qū)不同引水方案下的水質(zhì)改善效果，模擬分析了不同引水方案對(duì)新江海河各斷面水體的化學(xué)需氧量和氨氮濃度變化的影響。

在以往研究的引水沖污方案中，大多采用某一固定大小的流量連續(xù)地進(jìn)行引水沖污直到達(dá)到治理目標(biāo)[5-7]，導(dǎo)致部分清水未能充分與污水混合就從需治理的水體中排出，所引清水的稀釋與置換功能未能充分發(fā)揮，造成了引水的極大浪費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)成本與資源節(jié)約上不可行。因此，在推進(jìn)城市水生態(tài)文明建設(shè)形勢(shì)下，研究間歇式引水沖污以改善城市湖泊水質(zhì)，對(duì)于保障城市生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。本文以南昌市艾溪湖為例，采用MIKE 21構(gòu)建了二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，進(jìn)行了引水沖污的模擬，并對(duì)傳統(tǒng)連續(xù)式引水沖污與間歇式引水沖污所需的水量進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 研究區(qū)域概況

研究對(duì)象艾溪湖 (115°58′08″～115°59′37″ E,28°40′16″～28°42′55″N) 位于江西省南昌市昌東鎮(zhèn)轄區(qū)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，湖面面積約 4.0 km2，平均水深約 3.5 m，是贛江古河道廢棄后經(jīng)積水而形成的一個(gè)典型城市內(nèi)湖。該湖泊補(bǔ)給主要來(lái)源于降水和幸福渠，只有一個(gè)位于東北角的出口，通過(guò)閘門向贛江南支排水入贛江。雖然集水面積小，但蒸發(fā)量大，加之自然狀態(tài)下湖泊水體交換率不高，水質(zhì)常年處于Ⅴ類或劣于Ⅴ類。艾溪湖水質(zhì)的改善作為城市基礎(chǔ)設(shè)施中很重要的組成部分，受到了高度重視。

本次引水沖污的引水水源地為江西省贛撫平原灌區(qū)，地處江西省偏北的贛江和撫河下游的三角洲平原地帶，水量充足，水質(zhì)良好，能達(dá)到《GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。灌區(qū)取水自撫河，通過(guò)焦石大壩攔截來(lái)水、抬高河道水位后，經(jīng)西總干、五干、五干二支渠后可流入艾溪湖，最后匯入贛江，全程均為渠道自流，作為艾溪湖進(jìn)行引水沖污的引水水源地，具有較大的優(yōu)勢(shì)。艾溪湖只有一個(gè)位于南端的進(jìn)口和一個(gè)位于東北角向贛江排水的出口。引水沖污的路線示意圖如圖1所示。

圖1 引水沖污線路示意圖Fig.1 The route of water diversion

2 間歇式引水沖污模擬

2.1 MIKE 21模型

MIKE 21 模型前、后處理模塊的功能強(qiáng)大，具有能根據(jù)實(shí)際模擬范圍設(shè)置干、濕節(jié)點(diǎn)和干、濕單元，內(nèi)置多種形式的邊界條件等多個(gè)優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于湖泊、河流水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)值模擬[8-13]。模型的控制方程為沿水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組見(jiàn)公式(1)～(3)，可溶污染物的擴(kuò)散控制方程見(jiàn)公式(4)。

(1)

fp-Ωq-v▽2p-λ(hua)=0

(2)

fp-Ωq-v▽2q-λ(hva)=0

(3)

式中：ε為自由水面水位，m；h為水深，m；u、v分別為x、y方向上的垂直平均流速 ，m/s；p=hu、q=hv分別為單寬流量在x、y方向上的分量，[m·(m/s)]；g為重力加速度，m/s2；f為阻力系數(shù)；Ω=2ωsinφ為柯式力系數(shù)，反映了地球自轉(zhuǎn)偏心力的作用，其中ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，為2π/(24×3 600) rad/s，φ為所在點(diǎn)的緯度；v為紊流渦黏系數(shù)；λ=Cwρa(bǔ)w/ρwh為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；ρw為水體密度；w、ua、va分別為風(fēng)速及其在x、y方向的分量，m/s。

(4)

式中：h為水深，m；c為污染物濃度；u、v分別為x、y方向上的水平流速，m/s；F為線性衰減系數(shù)，s；λx、λy為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S=Qs·(cs-c)，其中Qs為源匯項(xiàng)流量，m3/(s·m2)，cs為源匯項(xiàng)處污染物相對(duì)濃度。

MIKE 21模型包含許多模塊，此次選用的是水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊。水動(dòng)力模塊能模擬由于外界條件變化引起的水體水位和流場(chǎng)的變化，是MIKE 21中其他模塊的基礎(chǔ)。對(duì)流擴(kuò)散模塊能模擬在不同外界條件影響下湖泊中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散、遷移過(guò)程?？紤]到引水沖污相對(duì)歷時(shí)較短，對(duì)水體的稀釋置換作用比較明顯，所以此次運(yùn)用水動(dòng)力學(xué)模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊建立耦合模型進(jìn)行引水沖污的模擬。

概化模型時(shí)設(shè)置湖岸及艾溪湖大橋橋墩為不過(guò)水邊界，進(jìn)口采用流量邊界，出口采用水位邊界。根據(jù)ArcMap和AutoCAD建立邊界和湖底高程的.xyz文件，使用MIKE 21中的Mesh Generator建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在艾溪湖大橋橋墩及湖泊進(jìn)出口處設(shè)置網(wǎng)格加密后，最終模型劃分1 802個(gè)節(jié)點(diǎn)，共3 083個(gè)單元(見(jiàn)圖2)。

圖2 艾溪湖網(wǎng)格劃分及監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖Fig.2 Grid division and monitoring points of Aixi lake

2.2 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

艾溪湖水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，尤其是總氮TN與總磷TP兩個(gè)水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)較為嚴(yán)重，因此選擇總氮、總磷作為本次模型研究的水質(zhì)指標(biāo)。為了能保證計(jì)算的穩(wěn)定性和獲得較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，根據(jù)2017年2月21日、3月21日實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)模型重要參數(shù)進(jìn)行了率定，率定結(jié)果見(jiàn)圖3。最終選定參數(shù)：床底摩擦系數(shù)(Manning number)為34；渦黏系數(shù)(Smagorinsky formulation)為0.28；擴(kuò)散系數(shù)在橫縱向上一致，取1；TN、TP的降解系數(shù)分別取0.005 /d，0.004 /d。運(yùn)用2017年5月17日、6月26日實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，模型模擬的情況與實(shí)際情況較為接近，所采用的模型及其率定的參數(shù)可用于艾溪湖引水沖污模擬研究。

圖3 參數(shù)率定情況Fig.3 Parameter calibration considering

圖4 模型驗(yàn)證情況Fig.4 Model verification considering

2.3 引水沖污模擬

本次模擬選取景觀常水位17.2 m為計(jì)算初始水位，湖泊進(jìn)口設(shè)置不同流量的引水，出口設(shè)置水位17.2 m。水質(zhì)指標(biāo)主要考慮湖中總氮與總磷，湖泊初始水質(zhì)為Ⅴ類水，其中總氮為1.8 mg/L(Ⅴ類)，總磷為0.12 mg/L(Ⅴ類)。引水水源來(lái)自贛撫平原灌區(qū)，為Ⅲ類水，水質(zhì)較好，總氮為1.0 mg/L(Ⅲ類)，總磷為0.05 mg/L(Ⅲ類)。艾溪湖的水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅳ類(總氮小于等于1.5 mg/L，總磷小于等于0.1 mg/L)，為檢測(cè)調(diào)水效果，在湖中設(shè)置8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，當(dāng)8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)水質(zhì)均達(dá)標(biāo)時(shí)，認(rèn)為目標(biāo)已達(dá)到，調(diào)水停止。

為了比較兩種引水沖污方法，本次模擬的工況包括不同引水流量下的“連續(xù)式”引水沖污與“間歇式”引水沖污?？紤]到調(diào)水實(shí)際操作的復(fù)雜性，調(diào)水間歇周期不宜太短，間歇式引水沖污方案設(shè)置了3 d的間歇周期，即模擬的第1～3 d引水流量為某一固定值，接下來(lái)的第4～6 d停止引水，第7～9 d恢復(fù)引水，往后以此循環(huán)。此外，為了使間歇期在沒(méi)有引水的情況下能加速湖泊水體的流動(dòng)及混合過(guò)后的污水的排出，在引水間歇期間將出口水位降低0.3 m。

3 結(jié)果分析

通過(guò)建立的MIKE21二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型模擬了不同流量下的引水沖污后，為了更加準(zhǔn)確地對(duì)比間歇式引水沖污和連續(xù)式引水沖污的區(qū)別，將湖水中的總氮和總磷的濃度的達(dá)標(biāo)作為兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)考慮，實(shí)際引水結(jié)果見(jiàn)表1、表2所示。

表1 考慮總氮的引水沖污情況Tab.1 Water diversion considering the TN

表2 考慮總磷的引水沖污情況Tab.2 Water diversion considering the TP

模擬結(jié)果表明，在達(dá)到引水沖污目標(biāo)所需的時(shí)間上，間歇式所用的時(shí)間，均大于連續(xù)式引水沖污。如當(dāng)湖中總氮達(dá)標(biāo)，引水流量為3 m3/s時(shí)，間歇式引水沖污和連續(xù)式引水沖污達(dá)標(biāo)時(shí)間相差8.3 d。但沖污所需的時(shí)間均受引水流量大小的影響，隨著引水流量的增大，時(shí)間差逐漸減小，當(dāng)流量達(dá)到10 m3/s時(shí)，時(shí)間相差僅為2.4 d?？偟膩?lái)說(shuō)，由于引水沖污治理城市內(nèi)湖污染是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，引水時(shí)間一定范圍內(nèi)的變化不會(huì)帶來(lái)太大的影響，并且，選擇適宜的沖污流量能有效地彌補(bǔ)時(shí)間上的不足?？紤]總磷達(dá)標(biāo)時(shí)情況類似，所以不再贅述。

從水量上看，由模擬結(jié)果可以看出，在引水流量從3 m3/s變化到10 m3/s過(guò)程中，相比于連續(xù)式引水沖污，節(jié)約水量最少的是引水流量為8 m3/s，以湖中總氮達(dá)標(biāo)為目標(biāo)時(shí)的工況。這個(gè)工況下，間歇式引水節(jié)約了引水108 萬(wàn)m3，占連續(xù)式引水沖污所使用水量的16.30%。節(jié)約水量最多的是引水流量為7 m3/s，以湖中總磷達(dá)標(biāo)為目標(biāo)時(shí)的工況。這個(gè)工況下，間歇式引水節(jié)約了引水207 萬(wàn)m3，占連續(xù)式引水沖污所使用水量的36.28%。在所有模擬的工況中，無(wú)論是考慮湖水中的總氮還是總磷，間歇式引水沖污所使用的水量均小于連續(xù)式引水沖污達(dá)到目標(biāo)所需的水量，節(jié)約水量的效果明顯。

4 結(jié) 論

通過(guò)建立的二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，模擬了不同工況下的間歇式引水沖污與連續(xù)式引水沖污，將兩種引水沖污進(jìn)行了對(duì)比分析后，得出結(jié)論：在達(dá)到相同的湖泊水質(zhì)改善目標(biāo)的條件下，相比于連續(xù)式引水沖污，雖然在達(dá)到目標(biāo)所需的時(shí)間上有差異，但間歇式方法能夠明顯節(jié)約引水沖污過(guò)程中所使用清水的水量。在工程實(shí)際操作中，引水沖污需要不菲的運(yùn)行成本，調(diào)水的次數(shù)與調(diào)水持續(xù)的時(shí)間均受到制約。而本文研究的間歇式引水沖污理念能夠節(jié)約所用清水量，能在一定程度上使得引水沖污在經(jīng)濟(jì)上具有更好的可行性，可為城市內(nèi)湖實(shí)際的引水沖污工作提供參考。

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