基于耦合模擬的生態需水量計算方法在城市湖泊中的應用

蘇妍妹

【摘要】該基于耦合模擬的生態需水量計算方法，在水力學法的基礎上，通過MIKE21水動力水質模擬軟件模擬計算，引入了營養鹽的對流擴散和植物、藻類的生長富集過程，模擬了湖泊水質污染、富營養化過程，科學合理地確定城市湖泊的生態需水量，保障城市河湖水系的生態環境用水，從而促進水資源的可持續發展。

【關鍵詞】耦合模擬；生態需水；城市河湖

城市河湖水系是城市中水陸作用相互交織形成的具有多種功能和價值的生態系統，在城市發展過程中發揮著無可取代的作用。然而，隨著城市化進程的加快，頻繁的人類活動給城市河湖水系帶來很大的挑戰，城市河湖水系面臨著嚴重的水資源短缺、水環境污染和水生態退化等問題，這些問題大大降低了城市河湖水系對城市經濟和社會可持續發展的支持能力。在這種情況下，研究生態環境需水量成為一個迫切問題。

1、概述

目前國內外計算河流生態需水量的方法較多，研究理論和方法發展較快，從河流逐漸擴展到區域、濕地、湖泊和城市水系等，應用最為廣泛計算方法包括：Tennant法、逐月頻率法、7Q10法、水生物基流法、可變范圍法、德克薩斯法（Texas）、年內展布計算法、河流基本生態環境需水量法等。

2、基于耦合模擬的生態需水量計算方法

城市湖泊承擔著防汛、供水、調節城市生態平衡、美化城市風貌等重要職能，城市湖泊生態環境功能的正常發揮與其水體和湖濱帶的健康狀況密不可分。城市湖泊屬于吞吐型湖泊（即有地面水流入，也有河流自湖中流出的湖泊），生態環境需水組成如圖1所示。

2.1 補充蒸發滲漏需水量

根據測量資料，某城市湖泊水面面積10.33萬m2，平均水深2.5m，水體規模25.83萬m3。該地區多年平均蒸發量1200mm，多年平均降雨量627mm。湖泊是人工開挖形成，運行多年，湖底沒有防滲，水體的滲漏量暫按水體規模的20%計。補充湖泊蒸發滲漏需水量為8.78萬m3。

2.2 維持湖區水質需水量（耦合模擬）

2.2.1 湖泊水質模擬

1）參數的設置

采用MIKE21 水動力水質模擬軟件，湖泊耦合模型主要考慮了降雨、蒸發及大氣沉降的影響。模型中考慮的作用力條件包括水溫、SS和光照強度。其中，水溫、SS及光照強度參考相似湖泊成果。

2）模型的構建

根據項目區工程區實測地形數據以及岸線形態和水下地形，劃分計算網格。模型網格的劃分采用三角形非結構網格，淺水區形成的網格密度較大，以保證模型構建的精確性。

2.2.2 需水量的確定

根據《地表水資源質量評價技術規程》（SL395-2007），TN濃度大于1mg/L，TP濃度大于0.1mg/L，葉綠素濃度大于0.026mg/L時，可認為該水域處于中度富營養化狀態，湖區水質處于風險狀態，需要進行集中換水。

根據水質監測結果，上游來水水質為地表水Ⅲ類，考慮各類污染源輸入的情況下，湖區水質各指標濃度的年際變化規律基本相同。在春季氣溫較低，藻類生長基本停滯，TN、TP濃度維持在較低水平。4月后，隨著降雨的增多和雨量的增大，湖區營養鹽濃度開始增大，藻類生長加快，6月和7月開始富集，導致營養鹽濃度較快升高。10月氣溫開始下降，藻類死亡并沉積，湖區營養鹽濃度開始下降，并恢復到正常水平。

為保障湖區水質，考慮兩種情況：①保證湖區水質滿足景觀用水水質要求（最小生態需水量），②保障湖區水質在夏季惡劣情況下不超過地表水Ⅳ類、平時保持在Ⅲ～Ⅳ類水質水平（適宜生態需水量），來對湖區水體進行集中換水。最小生態需水量：建議采用4月-6月每月換水1次，7月-9月每月換水2次的方式來運行，全年共換水9次；適宜生態需水量：建議采用1月-3月換水一次、4月-8月每月換水二次共十次、9月換水三次、10月-12月換水一次的方式來運行，全年共換水15次。如遭遇持續惡劣高溫天氣，可考慮及時換水以保證湖區良好水質。

2.3 湖濱帶生態環境需水量

湖濱帶生態環境需水定額采用280m3/畝，湖濱帶綠化面積約3.62萬m2，需水量為1.52萬m3/a。

2.4 湖泊生態環境需水總量

經計算分析，該城市湖泊生態需水量詳見下表2。

3、結語

本次基于耦合模擬的生態需水量計算方法，對于城市湖泊采用建立模型進行水質模擬，根據模擬結果確定了兩種生態需水量：最小生態環境需水量和適宜生態環境需水量，最小生態需水量滿足湖泊水質滿足景觀水體水質要求，適宜生態環境需水量滿足湖區水質在夏季惡劣情況下不超過地表水Ⅳ類、平時保持在Ⅲ～Ⅳ類水質水平。該生態需水量計算方法對于確定城市湖泊的引水規模，確保水體水環境質量具有重要意義。

參考文獻：

[1]湯潔，佘孝云，林年豐，等.生態環境需水的理論和方法研究進展[J].地理科學，2005，25（3）：367-373.

[2]楊志峰，崔寶山，劉靜玲，等.生態環境需水量理論、方法與實踐[M].北京：科學出版社，2003.