城市湖泊群引水调度模式

0研究背景

武汉市拥有“百湖之市”的美誉，武汉市的东湖是中国最大的城中湖，但近年来城市湖泊的水污染问题日益突显。为改善不断恶化的城市湖泊水环境，武汉市政府正在实施“大东湖生态水网构建工程”，即通过污染控制、水网连通和生态修复三大工程综合治理湖泊［1］。已经实施的截污工程初见成效，但是截污工程的实施减少了入湖水量，因此在湖泊截污的同时，应考虑对湖泊进行生态补水。水网连通工程充分利用了大东湖紧邻长江的地理优势，将大东湖流域的六个湖泊(东湖、沙湖、严西湖、严东湖、北湖和杨春湖)与长江连通，以江水补给湖水，将“死水”变“活水”，形成江河湖港连为一体的大东湖生态水网。该工程也能为后续的生态修复工程创造良好的水环境条件，将长江自然优良的生态系统引入到大东湖区域的生态退化区，丰富生物多样性，加快实现湖泊的生态平衡。为了使水网连通工程的运行调度更加科学合理，本文以近期水网连通工程中的沙湖、东湖、严西湖和北湖组成的湖泊群为研究对象，对连通工程不同的引水调度模式进行动态模拟，分析与比较各种调度模式的引水效果，为连通工程的实施提供科学的决策依据。

1建立模型

1.1控制方程

东湖和沙湖常年水位19.5m，严西湖和北湖常年水位18.4m。以东湖为例，湖底的平均坡降约为5‰，开阔湖区的坡度更小，其垂直方向的尺度远小于水平方向上的尺度，是典型的宽浅型湖泊，垂向静压条件近似成立［2］，其它三个湖泊也均属宽浅湖泊。根据浅水湖泊水动力学理论［3］，湖流运动的控制方程组可用下列公式表示［4］:其中，h为水深;t为时间;u，v分别为沿x，y方向的流速分量;ρ为水体密度;Ah为水平紊动粘性系数;g为重力加速度;a为湖底高程;ω为地球自转角速度;φ为湖泊所处纬度;γα为风剪切应力系数;ρα为空气密度;w为离湖面10m处风速;?为风向与x方向的夹角;n为湖底糙率。二维水质输移方程为:式中，C为污染物浓度;Ex和Ey分别为横向和纵向扩散系数，且与Ah一样都由Smagorinsky亚网格尺度模型确定［5］;S为源(汇)项;F(C)为生化反映项。根据东湖水污染特点并结合资料情况，本文选取COD、TP和TN作为研究对象。COD在水体中的生化反应过程可简化为:F(C)=－K20•1.047T－20•C•h(5)式中，T为水温，是根据作者建立的水温与气温的线性回归关系［6］，将实测的气温代入回归方程计算得到;K20为温度在20℃时的自净衰减系数。TP、TN综合考虑底泥释放与沉降过程，即:F(TP)=Sp－KTP•C•h(6)式中，Sp为底泥释放磷速率;KTP为TP综合沉降系数;TN与TP类似，不再详述。

1.2隔堤概化

如图1所示，东湖被隔堤分成了6个相对封闭的子湖，而隔堤的宽度为10～20m，远小于东湖的空间尺度，给模型的建立和空间尺度的选取带来了困难。本文将这些隔堤概化为隔板，忽略其厚度。水流在薄板处的流动如式(7)所示，x，y方向上的隔板分别只对流速分量u，v起阻挡作用，而对与隔板平行方向上的流速分量不起作用。这样既能够体现隔堤对湖水运动的阻挡作用，又可以将东湖作为一个整体来进行研究。北湖中的隔板如图2所示。u•y=0，v•x=0(7)式中，x，y分别为隔板所处的方向;u，v分别为流速在x，y方向上的分量。

1.3模型求解

各湖泊离散成正交规则网格，大小为100m×100m，如图3所示。沙湖、东湖、严西湖和北湖分别划分成了306个、3008个、1024个和256个网格。模型采用有限差分进行求解，水质输移方程的离散采用守恒方程的显格式，对流项采用迎风格式，扩散项采用中心差分，时间步长取60s。由于工程尚未实施，缺乏连通港渠的详细资料，且考虑到港渠与湖泊群相比尺度较小，故建立模型暂未考虑连通港渠。计算中按照引水线路各个湖泊的上下游关系逐湖进行模拟。本文将长江水入湖口处所在的网格概化成源，对其采用流量边界条件。各湖出水口根据工程规划的出水口节制闸的水位流量关系曲线，通过设定水位控制其流量。

2模型验证

限于篇幅原因，本文只给出沙湖水质模型的率定和验证结果，其它湖泊的率定和验证方法与此相同。沙湖汇水面积24.8km2，是一个在闸、泵站调节作用下与长江保持连通的半封闭型湖泊。利用沙湖2008年湖心点的水质监测数据、湖泊地形数据、全年逐日入湖径流、泵站逐月排水总量、全年入湖污染物总量及相应的气象资料，对模型进行率定，再用2007年的相关数据对模型进行了验证，验证结果如表1所示，COD、TN、TP的相对误差范围分别为8%～25%、27%～34%、14%～32%，平均相对误差分别为15.21%、29.87%、25.49%。

3湖泊群引水调度模式研究

3.1引水调度模式设计

根据大东湖流域湖泊、渠系分布特点以及与长江的相邻关系，综合考虑控污、排水、湖泊现状水质等多种因素，本文提出了三种引水调度模式，在设计引水流量40m3/s的条件下，对这三种引水调度模式进行水动力水质数值模拟。各模式的引水线路如图1所示，表2为各模式进、出水口的流量，其中正号表示进水，负号表示出水。

3.2湖泊群水质模拟计算

1)水质模拟计算条件水网连通工程在汛期将采用自流引水的方式运行，因此可连续自流引水天数将受到引水口处长江水位的限制，在考虑三峡水库蓄水50年后的冲淤影响下［7］，对可引水流量和年入湖径流总量分别进行了频率计算，选择可引水量和入湖径流均接近设计值的年份作为设计典型年，经综合分析选定平水年代表年为1981年。该年只有7月份全月的长江水位可以满足工程设计的自流引水流量，为了进行多模式比选，本文选取7月作为水质模拟的计算时段。以各湖区近几年丰水期的平均水质为初始浓度(表3)，各湖区环湖入湖点源和面源为水质边界条件，选取湖区7月份的主导风向和平均风速作为背景风，模拟计算不同引水调度模式下，各湖区在连续引水31天后对水质指标COD、TP、TN的改善效果。连通工程在引水闸后均设置有絮凝沉淀池，对长江水质进一步净化，根据实验观测结果，确定长江引水水质为COD:5.58mg/L，TN:0.95mg/L，TP:0.06mg/L。2)水质模拟计算结果分析通过对上述三种引水调度模式的模拟结果进行统计分析，得到各湖泊(区)的改善效果，以及三种模式对四个湖泊的总体改善效果，如表4所示，水质改善效果是指引水后的水质浓度降低值与其初始值的比值。计算结果表明:模式一对东湖中的汤菱湖、官桥湖、团湖、后湖以及严西湖、北湖的改善效果优于模式二。模式二对沙湖、水果湖和郭郑湖的改善效果优于模式一。但模式二中后湖TN和TP指标存在变差的风险，这主要是由于水质较差的郭郑湖的水体进入水质相对较好的后湖所致，为避免湖区间污染物的迁移，在引水过程中，建议采取分步实施引水调度方案，即引水初期暂不连通东湖和严西湖，先实施东湖和沙湖引水调度，待东湖水质优于或接近严西湖时，再连通东湖和严西湖。模式三吸取了模式一和模式二的优点，对四个湖泊的总体改善效果优于模式一和模式二，尤其对TN和TP的改善效果较为明显。众多的湖泊富营养化研究结果表明，氮和磷是藻类生长所必须的营养元素，但同时也是藻类生长的限制性营养元素［8］。因此，模式三对氮、磷的改善效果有利于进一步降低湖泊富营养化水平，加快湖泊水生态系统的自我修复。