廈門筼筜湖東水西調(diào)工程引水規(guī)模的優(yōu)選

王歡 陳江海 孫敏華 肖紫薇

摘要 [目的]優(yōu)化選擇廈門筼筜湖東水西調(diào)工程引水規(guī)模。[方法]基于引清活水改善水環(huán)境工程中普遍存在的引水規(guī)模與水環(huán)境改善效果之間的相關(guān)規(guī)律，提出采用拐點(diǎn)理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從水環(huán)境改善角度判別東水西調(diào)工程引水的適宜規(guī)模。[結(jié)果]東水西調(diào)工程引水的適宜規(guī)模為25 m3/s。[結(jié)論]該研究結(jié)果為東水西調(diào)工程在節(jié)約經(jīng)濟(jì)投入的同時實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益最優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 筼筜湖；引清活水；數(shù)值模擬；拐點(diǎn)理論

中圖分類號 S27文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0169-03

Abstract [Objective] The aim was to optimize the selection of the diversion scale of the East-to-West Water Transfer Project.[Method] A method combining the inflection point theory with numerical simulation was proposed based on the correlation between water diversion scale and effect of improving water environment. From the viewpoint of improvement of water environment， the appropriate scale for diversion of the East-to-West Water Transfer Project was studied.[Result] The appropriate scale for diversion of the East-to-West Water Transfer Project was 25 m3/s. [Conclusion] The conclusions of the study provide the basis of optimizing the environmental benefits while saving economic input for the East-to-West Water Transfer Project.

Key words Yundang Lake；Clean water diversion；Numerical simulation；Inflection point theory

隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，城市湖泊大多面臨著水環(huán)境惡化、水生態(tài)系統(tǒng)破壞的嚴(yán)峻形勢。究其原因，一方面是城市湖泊自身相對封閉、水流緩慢、水體交換率低的水動力特性所致，另一方面則是人類活動產(chǎn)生的大量污染物所致[1]。引清活水體現(xiàn)了以水治水的思想，其作用不僅僅在于稀釋和置換污水，同時還具有激活水體、提高自凈能力、恢復(fù)水系連通和改善生境等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，做好外源及內(nèi)源污染治理的同時開展引清活水，已成為城市湖泊水環(huán)境改善的重要手段，在國內(nèi)外有較多的研究和實(shí)踐，如引江濟(jì)太工程[3]、大東湖水網(wǎng)連通工程[4]、牛欄江-滇池補(bǔ)水工程[5]、西湖引水工程[6]、引江濟(jì)巢工程[7]等。然而，目前研究大多關(guān)注引清活水工程對水環(huán)境的改善效果，關(guān)于科學(xué)合理確定引水適宜規(guī)模，實(shí)現(xiàn)節(jié)約經(jīng)濟(jì)投入和環(huán)境效益最優(yōu)化方面的研究較少。

廈門筼筜湖是廈門島內(nèi)最大的人工湖泊，存在水動力條件差、水質(zhì)惡化的城市湖泊通病。東水西調(diào)工程擬從五緣灣引優(yōu)質(zhì)海水入筼筜湖，改善筼筜湖上游湖區(qū)水動力條件，進(jìn)一步全面提升筼筜湖水質(zhì)。筆者以筼筜湖東水西調(diào)工程為研究對象，采用一種拐點(diǎn)理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從水環(huán)境改善角度判別了東水西調(diào)工程引水的適宜規(guī)模，以期為東水西調(diào)工程實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)合理提供依據(jù)，也為類似城市湖泊引清活水改善水環(huán)境工程的科學(xué)制定提供思路。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

廈門筼筜湖位于廈門島西部，瀕臨西海域，東西長約6.0 km，南北寬0.2～1.2 km，水域面積約1.4 km2，流域面積約37.1 km2。湖區(qū)以湖濱中路、湖濱東路、蓮岳路為界，分為外湖、內(nèi)湖，以及干渠、松柏湖、地湖、天湖等上游湖區(qū)。

廈門市政府于1988年開始從截污、清淤、引清活水3個方面整治筼筜湖。引清活水方面，目前已建成納潮導(dǎo)流、西水東調(diào)兩大引清活水工程。納潮導(dǎo)流工程利用筼筜湖毗鄰西海域的優(yōu)勢，通過西堤閘（4孔閘門，單孔凈寬3.5 m，1孔納潮，3孔排水）納潮入湖，并修筑導(dǎo)流堤把海水自西向東引至湖東橋下，與原湖水混合后再向西南流經(jīng)內(nèi)湖、外湖，最終經(jīng)西堤閘及第1排澇泵站排出，納潮換水量每天最大可達(dá)145.0萬m3；西水東調(diào)工程在湖中路湖濱北2號泵站南側(cè)建設(shè)一座規(guī)模為2.5 m3/s的海水提升泵站，沿著湖濱北路、仙岳路，分別在天湖、地湖、松柏湖、干渠的5處放水，實(shí)現(xiàn)筼筜湖上游湖區(qū)的水體交換。筼筜湖現(xiàn)有引清活水工程布置見圖1。

由于筼筜湖湖道狹長，水深較淺，潮水上溯困難，利用潮位和湖水位差，將西海域的海水經(jīng)導(dǎo)流渠引入筼筜湖，僅對筼筜湖內(nèi)外湖的水體水質(zhì)起到一定改善作用；西水東調(diào)工程將導(dǎo)流渠中的海水輸送至筼筜湖上游，但由于海水提升泵站規(guī)模僅為2.5 m3/s，水體交換水量很小，上游湖區(qū)幾乎是一潭死水，夏天依舊嚴(yán)重發(fā)臭。目前，筼筜湖干渠、松柏湖、地湖、天湖水體發(fā)黑發(fā)臭的問題仍然比較嚴(yán)重。

東水西調(diào)工程基于筼筜湖現(xiàn)有引清活水工程進(jìn)一步提出：在廈門島東部五緣灣內(nèi)灣頂新建1座海水壓力泵站，通過壓力管道從五緣灣引水入筼筜湖上游的天湖內(nèi)，途徑地湖、松柏湖、干渠、內(nèi)外湖，最終排入西海域。以期提高筼筜湖上游湖區(qū)水動力性能，增加水體自凈能力，進(jìn)一步改善水環(huán)境，同時搞活五緣灣內(nèi)灣水體。東水西調(diào)工程示意見圖2。

1.2 研究方法

1.2.1 拐點(diǎn)法。

在利用水利工程引清調(diào)水改善水環(huán)境過程中，存在引水規(guī)模越大，水環(huán)境改善效果越好，但單位引水規(guī)模增量帶來的水環(huán)境改善幅度越小的普遍規(guī)律，反映到引水規(guī)模與水環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)曲線上，即曲線存在明顯的拐點(diǎn)區(qū)，在拐點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)確定引水規(guī)模，可避免由于引水規(guī)模過大造成投資浪費(fèi)，以及由于引水規(guī)模過小導(dǎo)致水環(huán)境改善效果不佳的情況，從而有效發(fā)揮工程效益[8]。

拐點(diǎn)理論在該研究中應(yīng)用的具體方法：①選取東水西調(diào)工程引水流量規(guī)模以及筼筜湖主要污染指標(biāo)無機(jī)氮作為相互聯(lián)系的2個變量；②通過數(shù)值模擬，計算不同引水流量規(guī)模下對應(yīng)的筼筜湖無機(jī)氮濃度；③繪制引水流量規(guī)模與無機(jī)氮濃度的相關(guān)曲線圖；④分析相關(guān)曲線圖，目估判別拐點(diǎn)范圍，在拐點(diǎn)范圍內(nèi)最終確定適宜引水規(guī)模。

1.2.2 數(shù)值模擬法。

為了科學(xué)獲得東水西調(diào)工程引水流量規(guī)模與筼筜湖無機(jī)氮濃度相關(guān)曲線，進(jìn)一步運(yùn)用MIKE21FM模型軟件建立筼筜湖二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

1.2.2.1 模型建立與參數(shù)驗證。

采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對筼筜湖進(jìn)行網(wǎng)格剖分，能較好地擬合筼筜湖復(fù)雜的邊界，控制網(wǎng)格邊長在10 m左右，共劃分27 986個計算網(wǎng)格，15 352個計算節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)格剖分的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入筼筜湖實(shí)測湖底地形高程數(shù)據(jù)，采用自然鄰域法進(jìn)行插值，得到筼筜湖地形文件。筼筜湖計算網(wǎng)格見圖3，水下地形見圖4。

以2015年8月筼筜湖海水提升泵站處水位實(shí)測數(shù)據(jù)以及湖區(qū)14個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位無機(jī)氮實(shí)測數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型水動力、水質(zhì)驗證，水位、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)分布見圖5。計算結(jié)果表明，水位模擬值與實(shí)測值平均誤差為14.3%（圖6）；無機(jī)氮模擬值與實(shí)測值平均誤差為13.3%（圖7）。模型誤差在可接受范圍內(nèi)，說明該模型可用于模擬筼筜湖水動力水質(zhì)變化過程。

1.2.2.2 模擬工況與計算條件。

根據(jù)初步經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析，設(shè)定東水西調(diào)引水流量規(guī)模分別為5、10、15、20、25、30 m3/s，據(jù)此形成6組模擬工況，并以東水西調(diào)引水流量為0 m3/s的筼筜湖現(xiàn)狀運(yùn)行工況作為對照工況。工況模擬計算條件如下：

①計算時段。

根據(jù)筼筜湖水質(zhì)監(jiān)測資料，雨季8月湖區(qū)平均水質(zhì)最差，且以降雨期間水質(zhì)惡化最嚴(yán)重。故選取2015年8月作為工況模擬計算時段，并選取8月24日典型雨天（雨量56.8 mm）的計算結(jié)果進(jìn)行分析。

②水動力開邊界條件。

根據(jù)西堤閘和第1排澇泵站2015年8月實(shí)際引排調(diào)度記錄設(shè)置邊界流量。

③水質(zhì)開邊界條件。

根據(jù)2015年8月實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，西海域來水無機(jī)氮濃度設(shè)為0.83 mg/L，東水西調(diào)來水（五緣灣內(nèi)灣）無機(jī)氮設(shè)為1.04 mg/L。

④污染源條件。

筼筜湖周邊共有27條排洪溝可能對湖區(qū)產(chǎn)生污染輸入，在模型中將各排洪溝概化為點(diǎn)源，根據(jù)排洪溝截流倍數(shù)及其收水范圍內(nèi)不同降雨條件下產(chǎn)污量核算情況確定點(diǎn)源輸入條件。

2 結(jié)果與分析

選取筼筜內(nèi)外湖7個特征點(diǎn)、干渠2個特征點(diǎn)、松柏湖5個特征點(diǎn)、地湖1個特征點(diǎn)、天湖1個特征點(diǎn)，特征點(diǎn)位置分布見圖8，提取不同引水流量規(guī)模工況下特征點(diǎn)的無機(jī)氮濃度計算值，繪制引水流量規(guī)模與無機(jī)氮濃度的相關(guān)曲線（圖9、圖10）。

由圖9可知，東水西調(diào)工程引五緣灣水入筼筜湖后，筼筜湖上游湖區(qū)（天湖、地湖、松柏湖、干渠）水質(zhì)改善效果顯著，各特征點(diǎn)無機(jī)氮濃度隨引水流量規(guī)模的增加而減小，曲線呈單調(diào)遞減趨勢，有較為明顯的拐點(diǎn)區(qū)域。經(jīng)目估判別，總體上當(dāng)東水西調(diào)引水流量規(guī)模達(dá)到15～25 m3/s，上游湖區(qū)無機(jī)氮濃度下降趨勢明顯減緩，25 m3/s以上逐步趨于穩(wěn)定，即總體拐點(diǎn)區(qū)域為15～25 m3/s。其中，天湖在引水規(guī)模增加到5 m3/s之后，無機(jī)氮穩(wěn)定在1.0 mg/L左右；地湖在引水規(guī)模增加到15 m3/s之后，無機(jī)氮穩(wěn)定在2.5 mg/L左右；松柏湖在引水規(guī)模增加到20 m3/s之后，無機(jī)氮穩(wěn)定在2.0～3.5 mg/L，但由于S2號點(diǎn)位于支汊中，其水質(zhì)基本無變化；干渠在引水規(guī)模增加到25 m3/s之后，無機(jī)氮穩(wěn)定在3.0 mg/L左右。

由圖10可知，對于筼筜內(nèi)外湖而言，東水西調(diào)引水規(guī)模從5 m3/s增加到30 m3/s，各特征點(diǎn)水質(zhì)變化很小，引水流量規(guī)模與無機(jī)氮濃度曲線無明顯變化趨勢及拐點(diǎn)區(qū)域，說明東水西調(diào)工程對內(nèi)外湖基本無水質(zhì)改善作用，在引水規(guī)模優(yōu)選過程中不將其作為參考。

結(jié)合拐點(diǎn)區(qū)域目估結(jié)果分析，并考慮筼筜湖上游湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量全面提升的需求，東水西調(diào)引水流量規(guī)模宜設(shè)定為25 m3/s，低于25 m3/s難以保證干渠實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善效果的最大化，高于25 m3/s則會導(dǎo)致水質(zhì)改善效率較差。

3 結(jié)論與討論

東水西調(diào)工程對筼筜內(nèi)外湖水質(zhì)提升作用較小，對筼筜湖上游湖區(qū)水質(zhì)改善效果顯著。上游湖區(qū)引水流量規(guī)模與無機(jī)氮濃度相關(guān)曲線存在明顯拐點(diǎn)區(qū)域，拐點(diǎn)區(qū)引水流量規(guī)模為15～25 m3/s?？紤]筼筜湖上游湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量全面提升的需求，東水西調(diào)引水流量規(guī)模宜設(shè)定為25 m3/s。

筼筜湖上游湖區(qū)邊界曲折、支汊較多，東水西調(diào)工程來水在天湖單點(diǎn)集中釋放會導(dǎo)致部分區(qū)域水體難以得到有效置換，在優(yōu)選和確定引水流量適宜規(guī)模的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步開展分布式引水優(yōu)化布點(diǎn)的研究。

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