基于水質(zhì)改善的枝江金湖水系連通方案研究

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌　443002； 2.湖北省枝江市水利局，湖北 枝江 443200)

外流域調(diào)水是水體修復(fù)的一種物理方法，對(duì)于緩解地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源時(shí)空分布不均、湖泊供水不足、水質(zhì)惡化等問(wèn)題，改善水生態(tài)環(huán)境，提高水資源和水環(huán)境的承載能力，維持社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，均有重要的支撐作用[1-3]。近年來(lái)，涌現(xiàn)了包括武漢大東湖水網(wǎng)連通工程、黃石磁湖-長(zhǎng)江連通工程，安徽引江濟(jì)太工程、廣州亞運(yùn)會(huì)水系連通等一大批以湖泊水生態(tài)治理為目標(biāo)的河湖連通工程[4-7]。

金湖作為枝江市最大的景觀湖泊，由于長(zhǎng)期缺乏妥善的保護(hù)與管理，湖泊水量不足、水質(zhì)惡化等問(wèn)題突出，迫切需要研究科學(xué)的水系連通方案，對(duì)金湖進(jìn)行適時(shí)補(bǔ)水和換水。金湖地理位置見(jiàn)圖1。

該研究擬通過(guò)分析金湖水源現(xiàn)狀及景觀規(guī)劃需求，通過(guò)調(diào)洪演算確定兼顧景觀效果與防洪安全的正常蓄水位，結(jié)合金湖水系設(shè)施現(xiàn)狀及相應(yīng)地質(zhì)等情況，擬定可行的從長(zhǎng)江往金湖引水的線路及相應(yīng)引水流量，結(jié)合MIKE21模型驗(yàn)證不同引水流量下金湖水動(dòng)力情況及水質(zhì)改善效果，綜合選定最適宜引水流量，并通過(guò)MATLAB編程計(jì)算引長(zhǎng)江水入金湖后達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)所需時(shí)間，以期為金湖水質(zhì)及水生態(tài)環(huán)境的改善及后期工程建設(shè)的開(kāi)展提供理論依據(jù)，為其他水系連通工程的建設(shè)及相關(guān)研究提供參考。

圖1　金湖地理位置

1　流域概況

金湖位于湖北省枝江市東部馬家店(街辦)、仙女、問(wèn)安三鎮(zhèn)之間，北靠丘陵屬仙女鎮(zhèn)，南臨平原濱長(zhǎng)江，距枝江城區(qū)12 km。金湖由東湖與西側(cè)的劉家湖兩部分組成，兩湖之間僅隔一堤，有閘涵相通，并與上游魯家港水庫(kù)通過(guò)泄洪渠道連通。平均湖底高程 37.85 m，堤頂高程42.60 m，平均水深1.5 m，最深處2.5 m，正常水位39.92 m，相應(yīng)庫(kù)容949萬(wàn)m3，水面 4.98 km2?？刂屏饔蛎娣e106 km2，堤防長(zhǎng)度 3.1 km，最大庫(kù)容2 145萬(wàn)m3。金湖主要有上游魯家港水庫(kù)的尾水和四季港來(lái)水兩處水源，多年平均水資源量為3 375.91萬(wàn)m3，多年平均流量1.07 m3/s，水資源量相對(duì)匱乏。

近年來(lái)，由于湖區(qū)周圍人口密度不斷增加、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及旅游業(yè)的迅猛發(fā)展，大量污染物進(jìn)入金湖。外源污染源源不斷，水質(zhì)惡化趨勢(shì)嚴(yán)重。表1為2015年枝江市金湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大部分月份水質(zhì)為劣Ⅴ類及Ⅴ類，個(gè)別月份為Ⅵ類，主要超標(biāo)項(xiàng)目為總磷，水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。

表1　2015年枝江市金湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

2　換水方案研究

2.1　正常蓄水位調(diào)整

根據(jù)《枝江市城市總體規(guī)劃(2012～2030年)》和《枝江金湖旅游景區(qū)總體規(guī)劃(2014～2025年)》，要求將金湖打造成為“國(guó)家5A級(jí)風(fēng)景旅游區(qū)”、“國(guó)家文化旅游綜合體建設(shè)示范景區(qū)”以及“湖北省著名的文化休閑旅游區(qū)”、“枝江市旅游目的地旅游區(qū)”和“枝江市旅游第一品牌”。為打造良好的金湖景觀，展現(xiàn)金湖宜人的自然風(fēng)光，需要盡量保持其最大持水量，水位保持較高水平；同時(shí)充分考慮金湖的防洪安全，汛期水位不宜過(guò)高，應(yīng)保證足夠的防洪庫(kù)容。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)，金湖庫(kù)容屬Ⅴ等小(二)型工程，且根據(jù)《枝江市城市總體規(guī)劃(2012～2030年)》，金湖需滿足50 a一遇校核的防洪標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖2的洪水過(guò)程，以及金湖排水渠泄流能力，用傳統(tǒng)的列表試算法計(jì)算各工況下的湖泊最高水位，計(jì)算時(shí)考慮所有渠道參與泄洪，將汛期湖泊水位值盡可能抬高。

圖2　金湖不同標(biāo)準(zhǔn)洪水過(guò)程水位-湖容曲線

金湖堤頂高程42.60 m，預(yù)留安全超高0.50 m，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算，得到金湖遭遇50 a一遇洪水時(shí)，初始湖水位40.50 m對(duì)應(yīng)最高湖水位為42.09 m，見(jiàn)表2。因此金湖正常蓄水位由目前的39.92 m調(diào)高至40.50 m，既能滿足金湖防洪安全，又能達(dá)到良好的景觀效果。

2.2　生態(tài)換水量研究

城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水量是城市湖泊發(fā)揮其正常功能所需具備的一定水質(zhì)的水量[8]。金湖作為景觀湖泊，在保證泄洪安全的前提下，應(yīng)盡量保證湖內(nèi)蓄有較多的水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水量以滿足良好的景觀功能性。正常蓄水位 40.50 m，根據(jù)金湖水位-湖容曲線(圖2)，對(duì)應(yīng)的蓄水量約為1 000萬(wàn)m3。當(dāng)湖水水質(zhì)較差時(shí)，借助水系連通工程從長(zhǎng)江引水至金湖，對(duì)湖中1 000萬(wàn)m3水體進(jìn)行交換。因此換水量確定為正常蓄水位以下對(duì)應(yīng)湖容1 000萬(wàn)m3。

表2　不同汛前蓄水位試算成果

2.3　引水線路研究

金湖原有附屬水系設(shè)施由從西至東依次為：紅星渠、東湖排渠、東湖西排水渠、高灌渠。其中紅星渠、東湖排渠北接金湖，南接長(zhǎng)江，紅星渠首建有一座劉家湖排水閘，渠尾為紅心泵站，汛期可抽排渠內(nèi)洪水；東湖排渠渠尾為東湖排閘，設(shè)計(jì)排水流量18 m3/s，其主要作用為汛期擋洪；東湖西排水渠位于金湖東端，東西走向，渠尾通過(guò)涵管穿過(guò)高灌渠底部與南北向的江口站總干渠相連，為汛期金湖排洪的主排渠，江口站總干渠渠尾為江口排灌站，可灌排兩用；江口站高灌渠位于金湖東側(cè)，相距約2 km，南北走向，南接江口排灌站，北通問(wèn)安鎮(zhèn)，主要是干旱缺水時(shí)向問(wèn)安鎮(zhèn)引水用于灌溉，設(shè)計(jì)引水流量7 m3/s。

為改善及保證東湖的水質(zhì)，經(jīng)綜合考慮以上金湖附屬水系設(shè)施現(xiàn)狀及周邊地理、交通等條件因素，擬定金湖-長(zhǎng)江水系連通線路，如圖3所示。湖中水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)，通過(guò)東湖節(jié)制閘、東湖排渠、東湖口節(jié)制閘、劉家湖排水閘將湖中水位控制在正常蓄水位40.50 m；當(dāng)湖中水質(zhì)惡化需換水時(shí)，打開(kāi)東湖節(jié)制閘、劉家湖排水閘，具體進(jìn)水線路為：從長(zhǎng)江通過(guò)江口泵站提水至高灌渠，在高灌渠、西排水渠交叉處新建一段導(dǎo)流渠將兩者連通，經(jīng)高灌渠、東湖西排水渠將水流引至金湖；出水經(jīng)劉家湖排水閘、紅星渠排至長(zhǎng)江。

圖3　金湖-長(zhǎng)江連通線路示意圖

2.4　引水流量研究

2.4.1MIKE21計(jì)算模型

MIKE21是丹麥水環(huán)境研究所開(kāi)發(fā)的二維水質(zhì)模擬軟件，適用于河口、海岸、湖泊，共有4種網(wǎng)格形式，能擬合復(fù)雜的邊界條件。MIKE模型在諸多水系連通工程方案的確定中已有過(guò)不少應(yīng)用。田傳沖等利用MIKE11，建立了大田港流域降雨徑流-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，模擬對(duì)比分析并擬定了水系連通方案[9]。任朋等基于MIKE11水動(dòng)力-水質(zhì)模型，模擬海口市環(huán)城河河道在不同調(diào)水工況下水質(zhì)濃度沿河道變化，確定了中心城區(qū)水系連通工程的調(diào)水流量；黃琳煜等應(yīng)用MIKE11 模型軟件對(duì)世博園區(qū)浦東片白蓮涇區(qū)域河道進(jìn)行了水量、水質(zhì)模擬[10-11]。

金湖邊界條件復(fù)雜，應(yīng)選擇 MIKE21對(duì)金湖換水工程及其效果進(jìn)行模擬?？紤]選擇MIKE21的水動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)金湖水體在不同引水工況下的水體水位和流場(chǎng)的變化，對(duì)比分析優(yōu)選出相對(duì)高效可行的補(bǔ)水流量。

2.4.2工況擬定

根據(jù)資料可知，江口高灌渠設(shè)計(jì)過(guò)流能力為7 m3/s，東湖西排水渠設(shè)計(jì)流量為20 m3/s，東湖排渠20 m3/s，四季港多年平均來(lái)水流量為0.1 m3/s，魯家大港設(shè)計(jì)流量無(wú)資料，但是根據(jù)調(diào)查，魯家大港常年無(wú)來(lái)水流入東湖，只有降雨形成徑流流入，根據(jù)枝江市氣象資料及產(chǎn)匯流計(jì)算約為 0.2 m3/s。

為進(jìn)一步確定引水流量，初步擬定以下3種引水工況，分別為：3，5 m3/s和7 m3/s。利用MIKE21模型分別模擬以上3種引水流量下金湖水動(dòng)力學(xué)狀況，劉家湖排水閘打開(kāi)時(shí)，湖中初始水位為正常蓄水位 40.50 m，模擬引水時(shí)長(zhǎng)為30 d。

2.4.3換水效果模擬方案

(1)方案一。當(dāng)引水流量為3 m3/s時(shí)，引水過(guò)程中金湖平均流速為 0.002 m/s，湖泊局部最大流速達(dá)到 0.5 m/s，穩(wěn)定后流速為0.01～0.02 m/s；

(2)方案二。當(dāng)引水流量為5 m3/s時(shí)，引水過(guò)程中金湖平均流速為0.006 m/s，湖泊局部最大流速達(dá)到1.1 m/s，穩(wěn)定后流速為 0.02～0.04 m/s；

(3)方案三。當(dāng)引水流量為7 m3/s時(shí)，引水過(guò)程中金湖平均流速為 0.02 m/s，湖泊局部最大流速達(dá)到 2.1 m/s(紅星渠出口)，穩(wěn)定后流速為0.05～0.08 m/s。

2.4.4引水流量確定

根據(jù)MIKE21模型模擬結(jié)果，引水流量為5 m3/s時(shí)，補(bǔ)水至第17 d后湖中水動(dòng)力條件基本保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；此時(shí)，湖中進(jìn)水流量略大于出水流量，水位基本穩(wěn)定在正常蓄水位，全湖水體流速分布均勻，摻混效果較好。引水流量為3 m3/s時(shí)，全湖水體流速分布均勻，但摻混效果不明顯，水體流速緩慢，水量補(bǔ)充緩慢，短期內(nèi)對(duì)水動(dòng)力條件改善效果不明顯；引水流量為7 m3/s時(shí)，水體摻混效果很好，但由于高灌渠過(guò)水量已達(dá)到負(fù)荷極限，渠道兩側(cè)多民居，不利于兩岸居民安全，且湖中進(jìn)水流量略大于出水流量，水位有升高趨勢(shì)，不利于防洪安全，另外劉家湖排水閘出水口附近水體流速過(guò)大，沖刷嚴(yán)重，不利于邊坡及建筑物運(yùn)行安全。因此，綜合比較分析確定引水流量為5 m3/s。

3　引水對(duì)水流水質(zhì)的影響分析

特定水域在一定設(shè)計(jì)水量條件下，滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量，稱為水體的納污能力，又稱為水環(huán)境容量[12]。水環(huán)境容量包括稀釋容量與自凈容量[13]。稀釋容量體現(xiàn)在引水對(duì)水體的稀釋作用，自凈容量即水體的自凈能力，體現(xiàn)在引水時(shí)湖中水體的水動(dòng)力情況。金湖的水質(zhì)及水流條件能一定程度上反映金湖水環(huán)境容量的情況，因此綜合金湖引水后水體的水質(zhì)、水流條件的改善效果評(píng)價(jià)所選定引水方案的可行性。

3.1　引水對(duì)水質(zhì)的改善

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總磷是金湖水質(zhì)超標(biāo)的主要因子，因此選定總磷濃度為作為金湖引水水質(zhì)改善效果的目標(biāo)因子。為滿足金湖景觀供水需要，需將正常蓄水位以下的水體中總磷含量稀釋至目標(biāo)濃度，針對(duì)確定的方案，通過(guò)MATLAB編程計(jì)算輸出金湖水體總磷濃度隨換水時(shí)間的變化關(guān)系曲線，分析出將金湖水體總磷濃度稀釋到目標(biāo)濃度所需要的時(shí)長(zhǎng)。

計(jì)算采用完全均勻混合模型，假定湖泊是完全均勻混合的，湖泊中某種營(yíng)養(yǎng)物濃度隨時(shí)間的變化率是輸入、輸出和在湖泊內(nèi)沉積的該種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量的函數(shù)，公式為

(1)

式中，V表示金湖的容積，萬(wàn)m3；C表示總磷濃度，mg/L；W表示污染物總磷平均排入量，mg/s；t表示時(shí)間，s；Q表示出入湖庫(kù)流量，m3/s；K表示湖中總磷衰減或沉降速率系數(shù)。

推導(dǎo)出公式如下：

VC+(Q1C1+QyCy)dt-CpQpdt=

(C+dC)(V+dv)

(2)

C=B/A-(B/A-C0)exp(-A/Vt)

(3)

式中，C表示湖中污染物濃度，mg/L；Ql表示入湖負(fù)荷流量，m3/s；Cl表示入湖負(fù)荷污染物濃度，mg/L；Qy表示引水流量，m3/s；Cy表示引水中污染物濃度，mg/L；Cp表示排出污染物濃度，mg/L；Qp表示排出流量，m3/s；不考慮污染物降解，紅星渠排出與入湖等流量污水；A=CpQp+Ql+Qy-Qp；B=(QlCl+QyCy)；初始條件：t=0，C=C0(湖中污染物原濃度)，V=V0(湖庫(kù)初始庫(kù)容)。

所引長(zhǎng)江水水質(zhì)為Ⅲ類水，金湖換水目標(biāo)水質(zhì)為Ⅳ類水。取金湖庫(kù)容V0=1 000萬(wàn)m3，總磷初始濃度C0= 2 mg/L(Ⅴ類)，Xx河入湖流量Ql=0.5 m3/s，總磷C1=0.35 mg/L(Ⅴ類)，計(jì)劃長(zhǎng)江調(diào)水Qy=5 m3/s，總磷Cy=0.15 mg/L(Ⅲ類)，金湖水質(zhì)目標(biāo)：總氮Ct=0.25 mg/L(Ⅳ類)。

模擬結(jié)果如圖4所示，計(jì)劃從長(zhǎng)江引水5 m3/s工況下，總磷擬達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)需27.8 d。相較于王冼民等用EcoTaihu 模型模擬比選出的150 d的太湖適宜換水時(shí)長(zhǎng)、郭武等通過(guò)換水周期法計(jì)算得出的湖南湘陰東湖最小換水周期50.7 d，本研究所得金湖達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)的換水時(shí)長(zhǎng)為27.8 d，換水效率相對(duì)較高[14-15]。

圖4　湖中總磷濃度隨換水時(shí)間變化

3.2　推薦方案下引水對(duì)水流的影響

在計(jì)算換水時(shí)長(zhǎng)時(shí)沒(méi)有考慮水體污染物降解，綜合降解系數(shù)反映了污染物降解速率的快慢，是計(jì)算水環(huán)境容量的主要參數(shù)之一。影響綜合降解系數(shù)的因素主要包括流速、流量、pH、水溫、污染物本身的屬性及濃度梯度、水體中微生物性質(zhì)等。向金湖引水，將直接影響金湖水體的流速，從而影響金湖的綜合降解系數(shù)，最終影響金湖的水體自凈能力。

綜合降解系數(shù)K具有不確定性和動(dòng)態(tài)性，其計(jì)算方式有多種，公式如下：

K=k(lnC1-lnC2)U/L

(4)

式中，K為河流綜合降解系數(shù)；k為常數(shù)，根據(jù)不同水體取值，常取經(jīng)驗(yàn)值；C1、C2分別為湖中及引水水體的污染物濃度，mg /L；U為引水段水體的平均流速，m/s；L為補(bǔ)水?dāng)嗌舷聰嗝骈g距，km。

根據(jù)公式可得，綜合降解系數(shù)K與流速成正相關(guān)，流速越大，綜合降解系數(shù)K越大，水體的自凈能力越強(qiáng)。根據(jù)MIKE21模型模擬結(jié)果，由江口站西排水渠引水5 m3/s至金湖，表層流速如圖5所示。由圖可知，未引水時(shí)金湖水體大部分處于靜止?fàn)顟B(tài)，引水過(guò)程中大部分水體具有流速，平均流速約為0.006 m/s，湖泊局部最大流速達(dá)到1.1 m/s，穩(wěn)定后流速為0.02～0.04 m/s，引水使水體平均流速提高，水體的自凈能力增強(qiáng)，有效改善了金湖水質(zhì)。

圖5　金湖水體表層流速矢量圖

4　結(jié)　論

(1)金湖水質(zhì)為Ⅴ類和劣Ⅴ類，主要超標(biāo)項(xiàng)目為總磷，湖區(qū)水質(zhì)呈中度富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。為使其水生態(tài)環(huán)境得到改善，打造風(fēng)景區(qū)，實(shí)施水系連通工程，勢(shì)在必行。

(2)工程擬從江口高灌渠處引長(zhǎng)江水進(jìn)金湖，在江口高灌渠長(zhǎng)江引水口處修建提水泵站，在江口西排水渠及江口高灌渠連接處附近修建分水閘和兩節(jié)制閘。排澇時(shí)，通過(guò)紅星渠、東湖排渠、江口西排水渠將水從金湖排進(jìn)長(zhǎng)江。

(3)在從金湖正常蓄水位 40.50 m以下，換水量約為1 000萬(wàn)m3，在27.8 d內(nèi)可使金湖水體總磷濃度達(dá)到Ⅳ類以上；根據(jù)MIKE21模型模擬，引水流量為5 m3/s時(shí)，全湖水體流速分布均勻，摻混效果很好，能確保湖泊岸堤安全。

(4)本研究在考慮金湖-長(zhǎng)江連通線路的擬定時(shí)，忽略了換水時(shí)湖內(nèi)不達(dá)標(biāo)的水體直接排入長(zhǎng)江的可行性，另外在模擬金湖換水水質(zhì)改善效果時(shí)采用的零維模型忽略了湖泊自身對(duì)污染物的降解作用，在后期深入研究中需做出改進(jìn)和完善。

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