濱江游樂場人工湖水體富營養化整治措施研究

邵詠絮， 逄 勇， 宋為威

(1.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 環境學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

湖泊、水庫等封閉式水體的富營養化問題已逐漸成為一個全球性的水環境問題[1]。湖體富營養化將帶來藻類的爆發，影響藻類生長不僅包括物理、化學和生物等外部因素，比如營養鹽類、水溫、陽光、透明度和 pH 值等，同時水體中的水動力條件也對富營養化有影響，比如流速[2]、流量[3]和水體擾動[4]等。湖泊富營養化防治歷經了從營養鹽的控制、直接進行除藻，再到對生物進行調控、實施生態工程及進行生態恢復等過程[5]。從20世紀60年代起，富營養化模型經歷了單層、單室、單成分、零維模型到多層、多室、多成分、三維模型的技術發展[6]。同時，隨著監測、計算等技術的發展，湖泊富營養化水質預測模型也得到較大發展，目前模擬河湖水動力過程的模型有很多，比如 MIKE、EFDC、QUAL2K及WASP等[7]。

本文以鎮江市典型游樂場景觀河流魔幻海洋世界為例，主要通過二維水動力/水生態模型，開展對鎮江市魔幻海洋世界水動力、水質改善措施的研究。

2 研究區域與方法

2.1 研究區域

鎮江位于東經119°28′，北緯32°15′，屬暖溫帶向北亞熱帶過渡的季風氣候，屬半濕潤區，濕潤溫和，四季分明，雨量適中，多年平均降雨量為1 043.8 mm，年平均年蒸發量為925.4 mm，年內最大日蒸發量一般發生在7、8月，最小蒸發量一般發生在每年的1月份。歷年來平均氣溫15.4℃，歷史最高氣溫40.9℃，最低氣溫-12℃。日照比較充實，多年平均日照時數為2 073.8 h，年日照百分率為47～49%。根據統計資料，全年主導風向E、ENE、ESE(各9%)，多年夏季主導風向ESE(13%)，多年冬季主導風向ENE(9%)。鎮江市盛行為東北到東偏南向風，其平均風速偏大，常年平均風速3.4 m/s。引江航道的COD、氨氮、TP、TN和葉綠素a(Chl-a)的濃度分別為3.03、 0.15、 0.039、1.182及0.016 mg/L。

鎮江魔幻海洋世界項目所在地塊，北為引航道西岸，南為原試辦引河，東南側為金山湖，地塊三面環水，項目面積10×104m2。目前項目尚未建成，本文研究內容從規劃角度出發，從建設合理性進行論證，對運營后的水質進行預測，以防止出現游樂場水質富營養化及水質滿足娛樂用水要求，從而為鎮江魔幻海洋世界項目的后期管理提供科學依據。研究區域周邊水系和水利工程見圖1，項目涉水區內水系、水利工程及土地利用情況見圖2。

2.2 計算模型

(1)二維水動力、水質及富營養化模型。計算模型主要包括水動力二維模型、水質及富營養化模型計算。笛卡爾坐標系下的二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續方程和動量方程[8]。水質模型是以質量平衡方程為基礎的。由于三維水質輸移方程包涵很多不可確定的參數，在現有條件下，模型的驗證存在困難，考慮到資料及模型計算工作量等因素，采用垂向平均的二維水質模型[9-10]。在富營養化模型計算中，Chl-a的含量是水體富營養化評價的重要指標，主要會受到溫度、光照、降水量、酸堿度和營養鹽的影響，因而本文以Chl-a濃度作為評價指標，考察營養鹽濃度對藻類生長的影響。

(2)模型水質及富營養化參數。光照強度與太陽輻射能量、日照時數、云量有關。日照時數選用鄰近城市逐日實測值，結合相關經驗公式，求得光照強度，作為模型計算值。水質參數見表1。

表1 水質主要模型參數取值表

根據規劃，項目完成后只有游客在各旅游環節會產生一些面源污染。根據《旅游者排污行為與旅游區水環境干擾模式研究》，旅游季主要集中在5月到10月，大量旅游生活污水和種種廢棄物不斷通過各種途徑進入研究區域水體中，該期間游人行為主要集中為觀魚喂魚和水上娛樂項目(游船)等。計算得游樂場主要環節污染物濃度見表2。

表2 游樂場主要環節污染物濃度(mg/L)

2.3 地形概化

本文采用三、四邊形混合網格將鎮江市魔幻海洋世界劃分了3 812個網格，網格間距為8～10 m左右[11-13]。假定初始時刻湖面是靜止的，沒有擾動，時間步長Δt=60 s。模型網格以及地形高程示意見圖3。

2.4 方案設置

為保障涉水區水質及富營養化滿足景觀娛樂用水要求，提出兩種引水方案控制涉水區水體富營養化，分別如下：

(1)自引方案：當長江水位高于金山湖開閘(機)水位0.3 m時，利用入口1、入口2與出口(位置及自引路線見圖4)間的水位差，通過自流方式引水進入涉水區，改善涉水區水質及富營養化。

模型邊界條件：初始水位為2.67 m，初始溫度為28℃，初始流速為0。

(2)泵引方案：通過1#泵站引引江航道水進入涉水區，改善涉水區水體水質及富營養化狀況，“三閘一涵”的位置見圖2，規格參數見表3。

涉水區庫容約35×104m3，1#水泵單臺泵引水設計流量為1.85 m3/s，初步計算開雙泵引水27 h即可換水一次，因泵引流量小，不會對水上船只運行等娛樂活動造成影響，所以可以持續泵引。為了保證水體被完全置換，擬定泵引持續時長為30 h。如果關閉1#閘，開啟1#泵、2#閘、3#閘4#涵對整個涉水區泵引換水，則大部分水都將從2#閘流出，不能對摩崖區進行有效的換水，因此要對三閘一涵合理調配才能使水體得到徹底的更換；又因為水街區+中心景觀湖區庫容：摩崖區庫容≈3∶1，所以設計泵引方式為第1天0點至22點(持續22 h)沖洗水街區和中心景觀湖區，第1天22點至第2天6點(持續8 h)沖洗摩崖區。泵引期間“三閘一涵”及泵開關情況見表4。

鎮江魔幻海洋世界受風場影響，但由于風速風向的變化范圍較大，難以形成穩定流場，致使得到的湖流規律性不是很好。為了較好地反映風場對涉水區流場的影響，在模型模擬中采用3種頻率較高的風速風向，風向分別為E、SE、S，風速均為3.4m/s，模擬這3種風向無引水條件下涉水區流場、水質及富營養化，由于涉水區面積小，引水流量較大，涉水區流場主要受到引水影響，風向對流場影響幾乎可以忽略不計，所以僅模擬風頻最大的東南風條件下泵引與自引涉水區流場、水質及富營養化。模型計算方案見表5。

表3 “三閘一涵”規格參數

表4 泵引期各時段“三閘一涵”及泵開關情況

表5 模型計算方案

3 結果與討論

3.1 粒子追蹤

結合粒子追蹤，在河道入口2#處放置了4個粒子，每個粒子在流場中的運動軌跡及每隔5 h在流場的位置見圖5。

分析3種風向下粒子追蹤與停留時圖可知：

(1)粒子在3種風向下的停留時間為東風>東南風>南風。其中粒子在東風下最大停留時間為125 h，在東南風下最大停留時間為115 h，在南風下最大停留時間為95 h。

(2)粒子在3種風向下均不通過摩崖區，幾乎所有粒子都是通過中心景觀湖區進入水街一區、二區再進入引江航道，僅在東風作用下有一粒子附著在涉水區東側岸邊。

(3)粒子在景觀中心湖區均出現了往復的情況，但最終還是通過水街區流出。

3.2 水動力變化

3.2.1 無引水條件下涉水區流場計算分析 利用構建的鎮江魔幻海洋世界水量數學模型，根據上述鎮江魔幻海洋世界流場計算方案，計算得到無引水方案下不同風向條件下鎮江魔幻海洋世界湖區流場見圖6，不同風向條件下模型模擬10 d均能形成穩定流場。

由圖6分析穩定后不引水鎮江魔幻海洋世界的流場可知：

(1)3個風向條件下中心景觀湖區流速均較小，沿岸水深較淺處受風速影響較大，在不同風向下呈現出稍大流速。

(2)3個風向條件下摩崖景區段流場流速很小，僅表面流隨風向有輕微移動。

(3)在東風作用下，由于該風向與水街一、二、三期河道垂直，導致流速幾乎為0，而在東南風及南風作用下水街一、二期流速變大。

3.2.2 泵引條件下涉水區流場計算分析 結合歷年風場資料，取最常見的東南風模擬出泵引22、30 h后涉水區流場圖，見圖7～8。由圖7～8可知：

(1)引水22 h，在中心景觀湖西側由于交界口涉水區驟然變寬，使得水流從運動波變為擴散波，沿著擴散波的方向，相應流量發生變化，流速減小。中心景觀湖中區和東區由于水流逐漸穩定，流速也有所恢復。

(2)引水30 h，關閉2#閘，開3#閘和4#涵洞，沖洗摩崖區，摩崖區及出口區流速變大，河道水體很快得到交換，在涉水區東南部位河流轉彎處及摩崖區中部，由于寬度比平均河道寬，速度相對減慢。2#閘由于關閉附近形成滯流區。

3.2.3 自引水條件下涉水區流場計算分析 結合歷年風場資料，取最常見的東南風模擬出涉水區入口1、入口2與出口水位差(用Δh表示，下同)為0.3 m時流場圖見圖9。分析穩定后自引條件下的鎮江魔幻海洋世界流場可知：

(1)摩崖區的流場在整個涉水區最大，其次是水街區，中心景觀湖區流速較小，且部分地區流速小于0.01 m/s，存在滯流區。

(2)對于水街區，水流從河道入口1進入流場，大部分水流通過水街二區、一區進入景觀中心湖區，少部分流經水街三區，可知水街二區、一區的流速大于三區。

3.3 水質及富營養化變化

3.3.1 無引水條件下涉水區水質及富營養化計算分析 不同風向條件下模型達到完全穩定狀態后得到的涉水區Chl-a分布見圖10,TN分布見圖11，TP分布見圖12，富營養評價綜合得分見圖13。

(1)3種風向下Chl-a、TN、TP濃度和富營養化綜合得分分別為0.014、1.49、0.11 mg/L和58.0分。與流場相契合，3種常風風向無引水條件下，水街區、摩崖區以及與涵洞連接的出口區域的水體水質得不到有效地交換，水流滯留導致水體Chl-a、TN、TP含量均較高。

(2)東風無引水條件下，由于該風向與水街一、二、三期河道垂直，該區域水體Chl-a、TN、TP含量均比其他兩個方向的大；東風、東南風條件下，中心湖區Chl-a、TN、TP含量較南風條件下好，前兩個風向下中心湖區水體受2#閘門入流的影響較大，中心湖區水體水質一定程度上得到改善；而受出口入流的影響，南風作用下出口區水質較好的范圍最大，其次為東南風，最后為東風。

3.3.2 泵引水條件下涉水區水質及富營養化計算分析 泵引水22 h后得到的涉水區Chl-a、TN、TP濃度及富營養化綜合評分見圖14，泵引水30 h后得到的涉水區Chl-a、TN、TP濃度及富營養化綜合評分見圖15。

由圖14可知：除局部岸邊滯留區，東部湖區水體整體得到明顯改善，水街區和中心景觀湖區的Chl-a、TN、TP均顯著降低，分別為0.01、1.42、0.06 mg/L，富營養化綜合評分為51.4分。富營養化得分明顯降低，為輕度富營養化。

由圖15可知：泵引水30 h，摩崖區水體水質得到明顯改善，水街區和中心景觀湖區的Chl-a、TN、TP均顯著降低，分別為0.009、1.36、0.02 mg/L，富營養化綜合評分為47.7分。說明引水對湖區水體水質改善效果明顯。

3.3.3 自引水條件下涉水區水質及富營養化計算分析 自引條件下涉水區Chl-a、TN、TP濃度及富營養化綜合評分圖見圖16，由圖16可知：

(1)自引水對流場水質的改善十分迅速和明顯，整個流場的水質與流場規律契合。Δh越大流速越大水質越好富營養化評價得分越低。

(2)對于整個涉水區，在自引期間，Chl-a、TN、TP濃度和富營養化綜合得分分別為0.01、1.57、0.03 mg/L和49.8分。中心景觀湖區和水街三區的水質相對較差，易發生富營養化。

圖1研究區域周邊水系和水利工程圖圖2項目涉水區內水系、水利工程及土地利用情況圖

圖3模型區域網格及地形高程示意圖圖4自引線路圖

圖5 不同風向下粒子追蹤與停留時間圖

圖6 不同風向條件下無引水流速分布

圖7泵引水22 h流場圖圖8泵引水30 h流場圖圖9自引條件下流場圖

圖10 不同風向條件下無引水Chl-a分布圖

圖11 不同風向條件下無引水TN分布圖

圖12 不同風向條件下無引水TP分布圖

圖13 不同風向條件下無引水富營養化綜合得分圖

圖14 泵引水22 h后Chl-a、TN、TP和富營養化綜合得分

圖15 泵引水30 h后Chl-a、TN、TP和富營養化綜合得分

4 結 論

(1)粒子在3種風向下的停留時間為東風>東南風>南風。其中粒子在東風下最大停留時間為125 h，在東南風下最大停留時間為115 h，在南風下最大停留時間為95 h。粒子在3種風向下均不通過摩崖區，幾乎所有粒子都是通過中心景觀湖區進入水街一區、二區再進入引江航道，僅在東風作用下有1粒子附著在涉水區東側岸邊。粒子在景觀中心湖區均出現了往復的情況，但最終還是通過水街區流出。

(2)分析水動力、水質及富營養化表明：無引水時，3個風向條件下中心景觀湖區流速均較小，沿岸水深較淺處受風速影響較大，在不同風向下呈現出稍大流速。泵引水時，連續泵引30 h的水質好于20 h。自引水時，引江河道與人工湖水位差Δh越大，人工湖水質越好。