基于MIKE21的小南海湖補水方案效果分析

閆軍波，馮 健，張守平

(1.重慶交通大學，重慶 400000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100089)

目前，中國湖泊水污染形勢嚴峻，特別是位于城市的湖泊，由于社會經(jīng)濟快速發(fā)展，導致湖泊被過度開發(fā)利用，湖泊水質(zhì)污染、富營養(yǎng)化等一系列問題已經(jīng)嚴重影響周邊居民的生活質(zhì)量和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，開展湖泊水環(huán)境治理已經(jīng)迫在眉睫[1]。引調(diào)水改善湖泊水質(zhì)作為水體修復的方法之一，已被廣泛應用于國內(nèi)外湖泊生態(tài)環(huán)境修復，通過水利工程調(diào)度技術，引清水入湖，促進水體流動，增加水體自凈能力，改善生境[2-4]。胡琪勇[5]等從治理滇池草海的水污染出發(fā)，利用MIKE21軟件建立了草海二維水動力水質(zhì)模型，分析滇中引水工程對滇池草海的水質(zhì)改善效果；路洪波[6]等利用MIKE21軟件模擬人工水循環(huán)對城市湖泊水環(huán)境的改善作用；吳慶[7]等利用MIKE21軟件及MATLAB零維模型模擬長江-金湖水系連通方案及適宜的引水流量對湖泊的水質(zhì)改善效果；楊衛(wèi)[8]等利用二維水動力水質(zhì)模型模擬不同連通方案下湯遜湖湖泊群的流場及水質(zhì)變化情況，并對水質(zhì)改善效果進行評估。總體上引調(diào)水改善湖泊水質(zhì)的方法比較成熟且各具特點，結(jié)合研究目標、湖泊特征、基礎資料等情況在實際工作中進行選擇、優(yōu)化應用。

小南海湖歷史悠久，文化積淀豐富，但是由于城區(qū)污水匯入，湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、農(nóng)村面源污染加重等原因，導致湖泊水質(zhì)常年處于V類水。為了合理調(diào)配小南海區(qū)域水資源，有效改善水體水質(zhì)和湖泊生態(tài)條件，促進小南海湖流域水質(zhì)改善，維護河流健康，采取補水工程是非常必要的。本文擬通過工程截污、清水補給的方式，利用MIKE21軟件建立小南海湖二維水動力水質(zhì)模型，模擬在截斷城市污水后不同的補水方案對于湖泊水質(zhì)的改善效果，綜合選定最優(yōu)補水方案，為小南海湖水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

小南海湖地處東經(jīng)111°47′11″～111°53′04″、北緯30°03′29″～30°08′44″，位于松滋市東南部的南海鎮(zhèn)，北鄰松西河和新河，湖泊水面面積為8.03 km2，湖泊常水位為38.2 m，平均水深約為1.9 m，湖泊蓄水量約為1 475萬m3，屬于常見的城市淺水湖泊。小南海湖水系分布見圖1，小南海湖入湖河道主要有3條：一是北部趙家垸的紅旗渠經(jīng)倒虹吸管進入小南海湖，主要接納城南污水處理廠尾水和城區(qū)初雨截留，其中城南污水處理廠尾水水量為666萬m3/a，城區(qū)初雨截留水量約為857萬m3/a；二是從西部丘崗入湖的蒿子港，入湖水量約為1 082萬m3/a；三是西北部匯水區(qū)入湖的中槽溝，入湖水量約為771萬m3/a。

2016年小南海湖流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。從表中可以看出，小南海湖心COD、TN、TP分別為32.4、2.05、1.06 mg/L，超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類水標準限值(20、1、0.2 mg/L)，水體為V類水，湖泊水質(zhì)狀況不容樂觀；倒虹管來水COD、TN、NH3-N濃度均高于中槽溝和蒿子港，是小南海湖的主要污染源之一；新河和松西河COD、TP、NH3-N基本達到地表水III類標準，TN超過III類水標準。

表1 小南海湖流域2016年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

2 研究方法

2.1 模型控制方程

MIKE21二維水動力模型[9-11]是建立在數(shù)值求解二維淺水方程的基礎上，在笛卡爾坐標系下，通過對水平動量方程沿垂向積分得到：

連續(xù)方程：

(1)

X方向動量方程：

(2)

Y方向動量方程：

(3)

MIKE21水質(zhì)模型(Transport模塊)，考慮了污染物的對流擴散和衰減，基本方程如下：

(4)

2.2 小南海湖二維模型搭建

2.2.1模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分

模型模擬范圍為8.03 km2的湖泊水面，網(wǎng)格劃分是基于小南海湖生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)1∶10000地形圖和下載的DEM數(shù)據(jù)。采用矩形網(wǎng)格進行計算，模型計算網(wǎng)格距為50 m，計算單元數(shù)為2 974個，模型采用干濕單元自動判別的方法自動識別陸域及水域面積，水深0.2 m以上的網(wǎng)格默認為水域，參與水動力部分的計算。計算網(wǎng)格見圖2。

2.2.2模擬條件設置

a) 邊界條件。小南海湖水動力模型邊界包括：入湖邊界、出湖邊界、湖面降雨蒸發(fā)。入湖邊界：按照源項處理，根據(jù)中槽溝、蒿子港、倒虹管3條入湖支流的實測數(shù)據(jù)作為最為模型計算的入湖邊界條件，各支流平均流量為：中槽溝0.24 m3/s、蒿子港0.34 m3/s、倒虹管0.48 m3/s。出湖邊界：按照匯項處理，小南海湖出水口為松林垱橫壩，可以采用水位作為出湖邊界條件，湖泊常水位為38.2 m。湖面降雨蒸發(fā)：按照源項處理，即所有湖面計算單元連續(xù)方程和污染物質(zhì)量守恒方程中增加一個源項。

b) 初始條件。湖泊初始水位按38.2 m計，小南海湖水質(zhì)初始值：COD為32.4 mg/L，TN為2.05 mg/L，TP為1.06 mg/L、NH3-H為0.28 mg/L，初始流速為0。

2.3 模型參數(shù)率定驗證

通過查閱文獻資料，確定二維模型COD、TN、TP、NH3-N的降解系數(shù)初始值，并參考《滇中引水工程洱海水環(huán)境影響專題研究報告》和《云南杞麓湖流域水污染綜合防治規(guī)劃》中湖泊模型污染物的降解系數(shù)對參數(shù)進行反復調(diào)整，將小南海湖水質(zhì)模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，使模擬結(jié)果與實測值擬合效果達到最優(yōu)，最終確定模型中COD、TN、TP、NH3-N綜合降解系數(shù)分別為0.000 5、0.002、0.004、0.001 5/d。選擇COD、TN、TP、NH3-N為模擬檢驗指標，在小南海湖中選擇3個點分析實測值與模擬值之間的誤差情況，分析結(jié)果見表2。從表2可以看出，小南海湖COD的模擬值與實測值的相對誤差最大為-0.26%，最小為-0.02%，平均為-11%，TP的實測值與模擬值的相對誤差最大為-0.26%，最小為-0.02%，平均為-0.04%，TN的實測值與模擬值的相對誤差為0.05%，NH3-N的實測值與模擬值的相對誤差最大為-0.24%，最小為-0.05%，平均為-0.14%。各個測點的相對誤差均保持在20%左右，整體來講，各水質(zhì)指標的模擬值與實測值擬合效果較好，構建的二維水動力水質(zhì)模型可以較好地反應小南海湖的水質(zhì)狀況。

表2 小南海湖各點實測值與模擬值對比

3 結(jié)果分析

3.1 小南海湖生態(tài)補水方案設計

根據(jù)小南海湖水量平衡分析，為改善水質(zhì)，保持小南海湖38.2 m常水位下的蓄水量，滿足流域農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，考慮分別從新河及松西河引水補充小南海湖。根據(jù)小南海湖規(guī)劃年需水要求，規(guī)劃水平年共需要補水1 855.7萬m3，其中每年4、10月湖泊水量基本滿足用水要求，不需要補水，其他月份需要補水，據(jù)此設計不同的補水方案，見表3，方案0不引水，即模擬現(xiàn)狀條件下湖泊的污染物變化過程，方案1—5是在截斷倒虹管污水的情況下，分別從新河和松西河調(diào)水補給小南海湖，其中新河補水經(jīng)中槽溝匯入小南海湖，松西河補水經(jīng)倒虹管入小南海湖。

3.2 補水方案效果分析

湖泊水動力條件和污染物濃度是影響湖泊水質(zhì)的重要因素，建立污染物擴散遷移模型，分析湖泊水體污染物濃度變化，有助于優(yōu)化湖泊治理方案設計。根據(jù)小南海湖污染現(xiàn)狀及污染物超標情況，以小南海湖心作為控制點，選擇COD和TN作為研究湖泊水質(zhì)改善變化規(guī)律的評判指標分析湖泊污染物濃度變化。

表3 補水方案設計 m3/s

3.2.1小南海補水必要性分析

僅將城南污水處理廠和城南片匯水截斷后，不對湖泊進行補水，小南海湖心水位變化見圖3。小南海湖常水位是38.2 m，截斷倒虹管污水后，入湖水量每年大約減少1 523萬m3，同時小南海湖心水位將下降0.7 m左右，湖泊水量平衡被破壞，將對小南海生態(tài)環(huán)境造成重大影響。隨著小南海的蓄水量的減少，小南海的納污能力也急劇下降，會造成“截污不提質(zhì)”的效果，所以在將城南污水處理廠和城南片匯水導入三級濕地前必須從新河或松西河向小南海湖引水。

3.2.22個補水方案COD濃度模擬

為了分析不同補水方案對其濃度的影響，進行了5種方案下不同引水流量的COD的濃度對比分析，湖泊濃度場分布見圖4，小南海湖心污染物濃度變化過程見圖5。

從圖4中可以看出，方案0為現(xiàn)狀條件下整個湖泊COD濃度維持在35 mg/L，方案1—5在引水條件下，湖泊COD濃度整體下降，在中槽溝入水口附近水域COD濃度大幅降低，可以達到20 mg/L，接近地表水III標準。對比方案1—5，無論從新河引水還是從松西河引水，湖泊COD濃度場分布區(qū)別不大。由于蒿子港入湖水質(zhì)較差，COD濃度高達35.37 mg/L，因此在蒿子港入湖口附近湖區(qū)出現(xiàn)COD濃度偏高的現(xiàn)象。

從圖5可以看出，方案0小南海湖不引水時小南海湖心COD濃度整體呈上升趨勢，最高可達37.3 mg/L，小南海湖實施引水方案1—5時小南海湖心COD濃度整體呈下降趨勢；無論從松西河引水還是從新河引水，方案1—5對湖泊水質(zhì)改善的效果基本相同，引水后期小南海湖心COD濃度維持在29 mg/L左右；但是各補水方案對小南海湖心COD的削減作用均存在一定的滯后性，在補水工程實施超過7個月后，小南海湖心COD濃度較不補水時明顯下降。

3.2.35個補水方案TN濃度模擬

為了分析不同補水方案對其濃度的影響，進行了5種方案下不同引水流量的TN的濃度對比分析，湖泊濃度場分布見圖6，小南海湖心污染物濃度變化過程見圖7。

從圖6中可以看出，方案0為現(xiàn)狀條件下湖泊TN濃度，湖區(qū)大部分區(qū)域維持在2.5 mg/L以上，南部湖區(qū)TN濃度為2.3 mg/L；方案1、2松西河引水量占比較高時，整個湖區(qū)TN濃度保持在2.1 mg/L左右，相比方案0有所下降；方案3、4、5新河引水量占比增加時，整個湖區(qū)TN濃度降至1.9 mg/L左右，相比方案0、1、2下降較明顯，主要是因為新河TN濃度較松西河低；整體而言，實施補水工程后，湖泊TN濃度下降較明顯，說明補水工程有助于小南海湖水質(zhì)改善。

從圖7可以看出，方案0小南海湖不引水時小南海湖心TN濃度整體呈上升趨勢，最高值接近2.8 mg/L，5個引水方案在補水工程實施1個月后，小南海湖心TN濃度開始下降，補水時間超過8個月后，小南海湖心TN濃度略有上升，但是較方案0濃度相差較大，方案1單獨從松西河引水時小南海湖心TN濃度較方案5單獨從新河引水時高，方案2、3、4逐漸增加新河引水量時，小南海湖心TN濃度逐漸下降，方案5條件下小南海湖心TN濃度最低，對湖泊TN改善效果最佳。

4 結(jié)論

以水污染較為嚴重的松滋市小南海湖作為研究對象，利用MIKE 21軟件建立了二維水動力水質(zhì)模型，對該模型進行了參數(shù)率定，得到了小南海湖水質(zhì)遷移擴散模型的各項參數(shù)，為城市淺水湖泊水質(zhì)變化研究提供了一定參考；該模型與實地調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)擬合情況較好，有一定的借鑒意義，可以較好地反應水體流動情況和水體中污染物的分布情況，為污染物的治理提供一定的依據(jù)。同時以小南海湖心為控制點，以COD、TN為例，重點分析了小南海湖5個補水方案對湖泊的水質(zhì)改善效果，形成以下結(jié)論。

a) 小南海湖截斷倒虹管來水后，入湖水量每年減少1 523萬m3，湖泊水位下降0.7 m，嚴重影響湖泊生態(tài)環(huán)境，必須同步實施補水方案，用以保證湖泊蓄水量，維持湖泊生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

b) 實施補水措施后湖泊清水補給增加，有利于湖泊污染物的稀釋和降解，從而有效改善湖泊水環(huán)境。引水8個月后，小南海湖心COD、TN濃度下降較明顯，湖泊水質(zhì)情況得到顯著改善，隨著引水時間的增長，改善幅度逐漸增加。

c) 5個引水方案的綜合比較結(jié)果可以看出，方案1—5，無論從松西河引水還是從新河引水，最終小南海湖心COD濃度穩(wěn)定在29 mg/L左右，改善效果基本相同；方案1—2松西河引水量占比較大時，小南海湖心TN濃度降至2.1 mg/L，方案3—5新河引水量占比增加后，小南海湖心TN濃度顯著降低，其中方案5效果最明顯，TN濃度降至1.9 mg/L，因此建議采用方案5從新河引水補給小南海湖。

d) 小南海湖的水質(zhì)管理目標為IV類水，通過工程截污、清水補給的措施湖泊水質(zhì)得到一定的改善，COD濃度基本達到地表水IV水標準(30 mg/L)，但是TN超過地表水IV水標準(1.5 mg/L)，另外還存在蒿子港入湖水質(zhì)差、湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、底泥污染等問題，因此還需要輔以其他措施來治理湖泊污染，最終實現(xiàn)小南海湖水清岸綠、健康宜居的良好生態(tài)環(huán)境。