洪澤湖水質模型應用設想

張靖雨 姜永生 操家順

洪澤湖水質模型應用設想

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1 概述

開辟馮鐵營引河等工程措施是浮山以下段行洪區調整的重要內容之一，馮鐵營引河開挖對洪澤湖的水質及周邊環境將產生一定影響，為此需要對馮鐵營引河建設對洪澤湖水質的影響進行模擬分析。洪澤湖水環境影響研究主要通過建立輸入—響應模型，參照典型年洪水和來水水質，分析馮鐵營引河開挖后的調度運行對洪澤湖湖區的水質影響范圍和程度，研究淮河干流不同來水水量水質條件下馮鐵營引河的啟用時機和水環境保護調度運用方案。

1.1 洪澤湖概況

洪澤湖為淮河流域最大的湖泊型水庫，也是中國五大淡水湖中的第四大淡水湖泊。西納長淮，南注長江，東臨黃海，北連沂沭，湖面分屬江蘇省淮陰市的盱眙、洪澤、淮陰3縣和宿遷市的泗陽、泗洪2縣。洪澤湖屬淺水湖泊，湖盆呈淺碟形，湖底十分平坦，湖區地形總趨勢為西高東低，湖底為現代河湖沉積物所覆蓋。

注入洪澤湖的主要河流有淮河、新汴河、懷洪新河等，分布于洪澤湖的西岸。出湖河道主要是東岸的三河（入江水道工程）、淮河入海水道、二河（下游為淮沭新河）和蘇北灌溉總渠，其中三河是最大的出湖河道。大部分區域的耗氧有機污染狀況稍好，而湖泊的富營養狀況不容樂觀。

根據江蘇統計年鑒（2006）數據顯示，截至2005年底，涉湖的淮、宿兩市總人口1052.31萬，土地面積18627km2，地區生產總值937.74億元。農林牧漁業從業總人口220.27萬，總產值401.77億元，占地區生產總值的42.8%；漁業生產總值58.62億元，占農林牧漁業總產值14.6%。

1.2 馮鐵營引河概況

隨著經濟發展、人口增加、城市化進程的加快，淮河流域防洪安全要求不斷提高。從2003年、2007年洪水的情況看，淮河中游仍存在著行蓄洪區難以及時啟用、廣大平原洼地排水出路不暢、澇災嚴重等問題。水利部將淮河干流行蓄洪區調整作為治淮19項骨干工程重要組成部分。而開辟馮鐵營引河等工程措施是浮山以下段行洪區調整的主要工程內容之一。

馮鐵營引河的開挖將影響洪澤湖周邊的排澇，對洪澤湖的流場流態以及生態環境都將產生一定影響，并有可能導致淮河中上游污水直接進入洪澤湖中心湖區。由于淮河干流歷史上發生過污染事故，因此需要結合來水水質水量研究工程運行對洪澤湖區水質的影響。

1.3 水質模型簡介

水質模型的發展從時間上經歷了以下三個階段：1925年至20世紀70年代中期，主要開發了比較簡單的生化需氧量和溶解氧（BOD-DO）的雙線性系統模型；20世紀70年代初期到80年代中期，水質模型發展為六個線性系統，以多維模擬、形態模擬、多介質模擬、動態模擬等為特征的多種模型研究都有了迅速發展。20世紀80年代中期至今，水質模型研究進入到深化、完善與廣泛應用的階段。

水質模型目前的研究方向是與全球經濟的快速增長、環境問題的日益突出以及不斷更新的科技變革密不可分的。

2 洪澤湖湖區水質模擬的必要性

一維模型對于湖泊及水庫來說是反映垂向梯度的。基于洪澤湖湖區情況，簡單地將湖泊劃分成完全均勻混合的垂向水平層將給水質模擬帶來較大誤差。而要準確模擬又長又深的洪澤湖中的水質情況，縱向和垂向的水質梯度同等重要。同時一維水質模型不考慮污染物與河水的混合過程而假設在排污口斷面處瞬時充分混合均勻，只適用于預測符合一維動力學降解規律的污染物如BOD、COD、有機毒物和重金屬等單項指標的污染物，適用于充分混合段。而對于湖泊這種無法忽視混合過程的情況，必須采用二維模型進行預測。

常用的水質模型軟件有很多，包括Streeter-Phelps模型、QUAL模型、WASP模型以及Mike模型體系等。WASP模型具備了可視化的Windows操作界面，計算簡便速度快，且可模擬水體中絕大多數污染物，同時WASP軟件能夠方便地和多種水力學程序如EFDC、DYNHYD5等對接，具有高效的富營養化和有機污染物處理模塊，其計算結果與實測結果可直接進行曲線比較。因此對于洪澤湖水質模擬考慮應用WASP軟件來進行。

3 水質模擬

通過對淮河干流和洪澤湖湖區的歷史水文、水質、湖底地形等基本資料進行處理，分析研究范圍內污染源、水量和水質變化規律。選擇適合的水質指標后，建立相應水質指標的多元耦合氧平衡方程。水質模型以湖泊水動力學模型為基礎，通過WASP與EFDC水動力模塊耦合建立洪澤湖湖區二維水質模型。

WASP模型水質模塊的基本方程式質量守恒方程：

式中 C為水質指標濃度；Ux、Uy、Uz為流速；Ex、Ey、Ez為河流的縱向、橫向和垂向擴散系數；SL為污染源負荷；SB為邊界負荷；SK為動力轉換項。

湖泊水質模型概化采用正方形網格，采用有限差分的數值格式求解模型方程，利用實驗室化驗值估算法對重點參數進行率定，擬選擇一個典型年的水污染事故數據對水質模型進行模擬驗證，Nash確定性系數R2為似然判據，驗證采用目標函數為效率系數。最后采用擾動分析法對優化參數進行靈敏性分析。

建立洪澤湖湖區水質模型對洪澤湖湖區水質進行模擬，同時對模型參數的靈敏性分析后能夠準確評估各參數的不確定性對模型運行結果的影響大小，在水質預測中可重點提高對模型結果影響程度大的參數的準確度。

4 展望

通過本次研究工作，預期成果為一套模擬較為精確、性能較為穩定的洪澤湖水質二維模型，篩選出幾個對模型結果影響最大的水質參數指標，例如污染物在水體和底泥中的遷移、轉化和衰減參數以及橫向轉移擴散速率等參數，為以后洪澤湖的水質預測研究提供參考，也為進一步研究不同水質水量條件下馮鐵營引河的啟用時機和相應的水環境保護調度方案，為浮山以下段行洪區調整和建設的前期工作提供技術支撐

1.河海大學環境學院 210098 2.淮河流域水資源保護局 233001）