白馬湖水質現狀評價及南閘取水口整治工程影響預測研究

郝曉娟 田 鑫 王棗棗 胡昌旭* 方建新

(1.南京大學環境規劃設計研究院集團股份公司，江蘇 南京 215000；2.淮安市白馬湖投資發展有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 研究背景

白馬湖地處淮河流域下游，位于江蘇境內的洪澤湖下游地區，是典型的內陸淡水中小型湖泊。從上世紀90年代初開始，白馬湖湖灘圍墾嚴重，生態環境遭到嚴重破壞，逐漸失去其原本的行洪蓄水、維持生態的功能[1]。白馬湖是南水北調東線工程輸水干線，同時白馬湖南閘附近為備用水源地取水口，是淮安市的第二水源地，因此其水質直接關系到南水北調工程水質及淮安市的飲用水安全[2]。白馬湖南閘水源地取水口周邊整治工程主要包括一級保護區清淤工程和東閘口閘拆建及其他建筑物工程，這些工程是白馬湖水源地達標建設的重要舉措。目前對白馬湖的研究大多集中于對其水質改善和生態環境治理的技術方案和治理效果[3，4]，而對于白馬湖水質現狀評價和整治工程影響的預測卻少有研究。因此，研究其水質現狀對于分析白馬湖污染特征以及水環境的治理具有重要意義。

本研究利用白馬湖2020年的水質監測數據，根據水質綜合污染指數和湖泊富營養化評價標準對白馬湖水質狀況和富營養程度進行分析，同時構建水動力模型，為南閘水源地周邊整治工程對湖泊水環境的影響進行預測，研究結果可以為白馬湖水環境治理提供依據和技術支撐。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與數據收集

本研究于2020年5月6日-5月8日及5月16日-5月18日對白馬湖南閘水源地進行采樣，共設7個采樣點，采樣點位置如圖1所示，監測指標包括水溫、pH、SS、溶解氧、COD、BOD5、氨氮、總氮、總磷、石油類、葉綠素，同步監測透明度、流向、流量、河寬、水深、流速等水文參數。

圖1 采樣點位圖

2.2 樣品處理和分析

采樣及分析方法：地表水環境質量現狀監測按照《環境監測技術規范》和《水和廢水監測分析方法》(第四版)的要求進行，具體見表1。

表1 地表水監測項目分析方法表

2.3 數據處理和分析

1、現狀評價

使用單因子評價法對各點位的水質狀況進行評價，根據水質類別來確定各點位的水環境質量狀況。單因子污染指數的計算公式為：

Pij=Cij/Sij

式中：Pij為第i種污染物在第j點的標準指數；Cij為第i種污染物在第j點的監測平均濃度值，mg/L；Csj為第i種污染物的地表水水質標準值，mg/L。

綜合污染指數的計算公式如下：

式中：P為綜合污染指數；Pij為第i種污染物在第j點的標準指數；n為參加評價的污染物項目數。

根據淮安市白馬湖南閘水源地取水口周邊整治工程方案，在設計水文條件下，采用河道平面二維湖泊數學模型，計算分析疏浚工程對湖泊水位及流場的影響。

2、水體富營養化

根據《地表水環境質量評價辦法》(試行)，選取透明度、CODMn、總磷、總氮、葉綠素a五項指標進行富營養化評價，其濃度為年均值，按如下公式計算白馬湖綜合營養指數：

式中：TLI(∑)為綜合營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數。

以chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為：

各項參數的營養狀態指數計算公式為：

(1)TLI(chla)=10×(2.5+1.086lnchla)

(2)TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

(3)TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

(4)TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

(5)TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)

式中：葉綠素chla單位為mg/m3，透明度SD單位為m；其它指標單位均為mg/L。

3、模型基本原理

(1)湖泊二維水動力控制方程

式中：

(2)平面二維湖泊數學模型的建立

根據白馬湖水文水動力特征及污染物可能的最大影響范圍，確定水環境影響預測范圍為水源地一級保護區、二級保護區及準保護區，共計8km2的水域面積。水文要素預測采用三角形網格劃分計算區域，平面共布置3573個節點，6389個網格單元。河段采用1：10000的水下地形等值線圖，讀取各個計算節點的河底高程。網格布置情況見圖2。

圖2 網格布置圖

(3)驗證資料

白馬湖地形資料采用2020年3月實測1：10000地形。

白馬湖水文資料采用2020年1月白馬湖張大門斷面監測點位水文測驗資料。

(4)初始條件和邊界條件

淺水湖泊水動力和水質的變化受邊界條件影響強烈，初始條件對計算的影響有限。因此，設置白馬湖初始水位5m。

非穩態模型受邊界條件影響強烈，邊界條件的準確程度將直接影響模擬結果的準確性，以收集到的白馬湖周邊主要河道(新河、運西河等)數據作為出入湖的邊界條件。

3 結果與討論

3.1 綜合污染指數

選取了9項具有代表性的主要污染因子，pH(無量綱)、COD、BOD5、SS、氨氮、總氮、總磷、石油類、溶解氧，分別計算各個點位的標準指數及綜合污染指數。如圖2所示，從綜合污染指數可以看出，水質最差點為W7，已在二級保護區范圍之外，并且在水流的下游方向，水中污染物易于聚積而導致水質的降低。水質最好點為W1點，為白馬湖備用水源地取水口，位于一級保護區范圍內，說明了水源地水質較好?？偭资前遵R湖南閘水源地的首要污染物，污染分擔率約20%，其次是總氮，其污染分擔率約15%。

所有樣品中總氮、總磷均有超標現象，總氮最大污染指數為2.90(位于二級保護區內)，總磷最大污染指數為2.47(位于準保護區內)，保護區內有兩個斷面懸浮物超標(分別為東閘口上游500m斷面、白馬湖出運西河口斷面)。白馬湖超標原因主要是：①周邊存在大量作業漁船，大量養殖戶施肥養魚養蟹導致大量的含氮、磷物質，通過水體交換進入周邊溝渠，最終進入白馬湖；②湖底底泥沉積，富含有營養物質，形成湖區水體的內源污染；③保護區內住戶較多以及周圍農田大量使用氮、磷肥。

圖3 污染指數圖

3.2 水體富營養化狀態

如圖4所示，白馬湖總體水質處于輕度富營養狀態，其中位于白馬湖備用水源地取水口的W1點的富營養程度最輕，其綜合富營養指數僅55.91，而位于下游方向的W7點的綜合富營養指數達到了60.81，為中度富營養狀態。其中，COD、總氮、總磷的富營養指數較高，說明COD、總氮、總磷是造成白馬湖水體富營養化的主要原因。因此，需要嚴格控制氮磷污染，降低白馬湖水體中氮磷濃度，以控制其富營養化程度。

圖4 綜合富營養指數圖

3.3 模型驗證

(1)水位驗證

2020年1月計算與實測水位見圖5。計算與實測水位誤差基本在10cm以內，滿足規范要求，表明本文模型能夠準確地模擬白馬湖水位變化過程。

圖5 實測水位于計算水位比較圖

(2)流速驗證

計算與實測流速過程見圖6。計算與實測流速大小比較符合，計算流速誤差基本在0.02m/s以內，計算與實測擬合較好?？梢娔Ｐ湍軌蚝侠砟M白馬湖水流流速變化過程。

圖6 實測流速與計算流速比較圖

采用實測水文及地形資料，分別對工程河段數學模型進行了較為系統的驗證，包括水位、流速流向驗證。通過率定參數，模型計算的水位、流速、流向與實測值較為相符，定量上也比較符合，數學模型的精度基本在規范要求范圍內，表明模型能夠較為合理地模擬工程湖泊水流運動規律。因此，本模型能夠用于進一步開展湖泊水流特性研究及水質型工作。

3.4 模型結果分析

1、流速變化分析

疏浚工程對計算湖泊的整體流場影響不大，工程后流速的變化主要位于疏浚附近局部區域內，主要表現：一是由于疏浚區域河底高程降低，局部流速增大；二是由于疏浚后過水斷面增加，斷面整體流速減小。由流速變化等直線圖可見，疏浚工程實施后，湖泊的流速變化如下所述：

(1)枯水期

枯水期疏浚后白馬湖流速表現為有增有減，取水口及一級保護區附近由于湖底高程降低，大部分區域流速明顯減小，流速減小幅度為0.0015～0.015m/s；局部區域流速增加，流速增幅為0.0015～0.0045m/s，且取水口及一級保護區北部流向發生變化，由疏浚前的由東向西變為由西向東，在風力及地形的作用下形成局部小環流。由于枯水期水位較低，隔堤和滾水堰將白馬湖分為了西湖區和東湖區，二級保護區內隔堤以東區域流速表現為增加，流速增幅為0.0015～0.0045m/s；隔堤以西區域流速基本不發生變化，二級保護區內流向未發生變化。準保護區內流速基本保持不變，流向未發生變化。工程實施前后出入湖河流水流方向不變，出入湖河流水量不變，出入湖河流的水文情勢基本不變。

(2)豐水期

豐水期疏浚后白馬湖流速表現為有增有減，取水口及一級保護區附近由于湖底高程降低，大部分區域流速明顯減小，流速減小幅度為0.001～0.006m/s；局部區域流速增加，流速增幅為0.001～0.003m/s，取水口及一級保護區內流向未發生變化。二級保護區內局部區域流速表現為增加，流速增幅為0.001～0.006m/s，局部區域流速表現為減小，流速減小幅度為0.001～0.008m/s，二級保護區內流向未發生變化。準保護區內流速基本保持不變，流向未發生變化。工程實施前后出入湖河流水流方向不變，出入湖河流水量不變，出入湖河流的水文情勢基本不變。

圖7 枯水期流場圖(a疏浚前；b疏浚后；c流速變化等值線圖)

圖8 豐水期流場圖(a疏浚前；b疏浚后；c流速變化等值線圖)

工程實施后取水口流速變化較小，基本不會影響取水口的正常取水。

2、水位變化分析

通過分析湖泊各區域工程前后水位變化來說明工程實施對湖泊水位場的影響。疏浚工程實施后水位變化如下：

(1)枯水期

疏浚后取水口及一級保護區內平均水位表現為降低，水位降低幅度約為0.0084m；二級保護區平均水位表現為降低，水位降低幅度為0.0057m；準保護區水位表現為升高，水位增幅度為0.0014m。

(2)豐水期

疏浚后取水口及一級保護區內平均水位表現為降低，水位降低幅度約為0.0017m；二級保護區平均水位表現為降低，水位降低幅度為0.0083m；準保護區水位表現為升高，水位增幅度為0.0074m。

工程后取水口水位變化較小，基本不會影響取水口的正常取水。

4 結論

(1)白馬湖南閘水源地取水口附近水質優于其他位置，白馬湖現狀主要超標污染物是總磷和總氮。

(2)白馬湖總體水質處于輕度富營養狀態，COD、總氮、總磷是造成白馬湖水體富營養化的主要原因。

(3)構建工程對白馬湖南閘水源地取水口水文條件影響的水動力數學模型，總體而言模擬效果良好，且計算結果可視化效果好。

(4)工程實施后取水口在枯水期和豐水期的流速和水位變化均較小，基本不會影響取水口的正常取水。

綜上所述，白馬湖南閘水源地取水口水質較好，本次白馬湖南閘水源地周邊整治工程對取水口影響較小。此次研究是對水動力模型的在周邊整治工程對湖泊水環境影響的成功應用，可以為工程方案的制訂提供技術支持。