引調水改善玄武湖水質的水量優化方法

逄 敏，宋為威，錢 程

(1.南方科技大學環境科學與工程學院,廣東 深圳 518001； 2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

我國是一個多湖泊國家，湖泊在社會經濟發展中發揮著供水、灌溉及防洪等功能，但是由于我國城市化發展使得大中城市的農業逐步減少，三產逐步增加，部分湖泊的功能從供水型轉向過水型。尤其是城市內湖，大量的生活污水由于市政污水管網建設的滯后使得部分城市內湖污染嚴重。調水引流是城市湖泊水生態修復的一項常態化工程，也是重污染負荷、自凈能力差的淺水型湖泊水量水質改善的有效方法。目前全世界廣泛實施調水工程，美國東水西調保障了加州等西部地區的工業用水和生活用水[1]；澳大利亞的雪山調水工程樞紐改善了內陸干旱缺水的狀況[2]；埃及西水東送跨越亞非兩洲緩解了糧食短缺問題[2]；秘魯東水西調保障了東部沙漠地區水資源短缺問題[3]；俄羅斯伏爾加河運河為首都提供穩定的水源，縮短了航運距離[4]。中國的人口分布和地理差異使得我國因地制宜地實施了大量的調水工程，著名的有南水北調、引江濟太、引哈濟黨及東深引水等。調水工程的實施，有效緩解了水資源分配不均與水生態環境惡化的緊張局勢。

目前，我國大部分湖泊的水體污染均與人類影響下的氮磷營養鹽輸入有關，如太湖[5-6]、鄱陽湖[7]、洞庭湖[8]、陽澄湖[9]、滇池[10]等。大型淺水湖泊的污染源主要來自湖泊流域內未接入管網的生活污水引起的面源污染，太湖、巢湖、滇池的面源污染總氮分別占77%、53%、69.5%[11-13]。污染物的入湖可能會引起湖泊水質惡化和污染物底泥沉積[14]，也可能因為湖泊的自凈能力強使得出湖水質優于入湖水質[15]。影響湖泊水質的參數主要有：引調水量、排放的污染物量、降解系數、擴散系數及溫度[14]等，因時空差異，不同湖泊的主要影響因素各不相同[16-18]。

玄武湖位于南京市的主城區，是典型的被第三產業包圍的城中湖，其污染來源主要是生活污水。從1997年開始實施生態補水以來，補水量逐年上漲至35萬t/d，但是近年來玄武湖湖泊水質仍日益惡化。本文以玄武湖為例，通過實測資料的相關關系分析及模型方程的理論推導，結合水環境數學模型驗證，研究生態補水與水質逆向發展的機制，以期為同類型的調水工程提供理論依據。

1 研究區域與方法

1.1 湖泊概況

玄武湖屬典型城市淺水湖泊，面積為5.5 km2，其中水面面積3.7 km2。水面標高10 m時，平均水深1.14 m，庫容429萬m3;最高水位11.15 m，最低水位9.8 m，常年水位9.8～10.2 m。湖區5個洲(環洲、梁洲、櫻洲、翠洲、菱洲)劃分為4個湖區(東南湖、東北湖、西北湖、西南湖)。流域面積為 24 km2，流域內有紅山街道、鎖金村街道和玄武湖街道。玄武湖污染來源主要來自5條入湖河道溝渠：老季亭溝、香料廠溝、唐家山溝、紫金山溝、崗子村溝。2014年前玄武湖實施環湖合流制截污系統，5條主要溝渠的水能夠晴天不入湖。2014年后，將唐家山溝末端作為補水7萬t/d通道，唐家山溝上游污水隨補水入湖。通過城北污水處理廠管網分布及地理影像圖情況看，紫金山地區地表徑流及汽車東站、蔣王廟社區生活污水在紫湖西橋位置混入唐家山溝，通過計算2017年玄武區自來水用水量，得到日常通過唐家山溝排入玄武湖污水約0.5萬m3/d。其他4條溝渠在旱季污水接入管網，不排污入湖。根據周邊區域自來水用量折算后的排污量、污水處理廠接管量計算得到周邊的接管率約為85%。在降雨期間，降水量較大時污水溢出，5條溝渠污水入湖量約1.8萬m3/d。玄武湖引補水能力為35萬t/d(上元門自來水廠西廠8萬t、上元門自來水廠東廠20萬t、化纖廠自備水廠7萬t)，通過環湖6個進水口及唐家山溝分別向湖區補水。通過4個閘(武廟閘、大樹根閘、太平門閘、和平大溝閘)向城市內河水體進行補水，如圖1所示。

圖1 研究區域及補水路線

1.2 研究方法

a.收集2012—2017年玄武湖各個湖區水質監測點(圖1)的逐月資料、補水水量及其他相關的氣象水文資料。

b.運用Oringin軟件對玄武湖的補水水量和水質實測數據進行相關性分析，初步判定玄武湖補水水量與水質相關關系。通過實測數據得到補水量Q和水體質量濃度ρ的一組數據對(Qi,ρi)(i=1,2,…,m)，其中Qi各不相同，用二次方程與已測數據相適應的解析表達式ρ=f(Q,z)反映Q與ρ之間的關系。

c.運用零維模型結合玄武湖實際情況進行參數定量化，找出玄武湖水質影響參數的量化關系。采用零維模型進行水質計算，考慮容積為V的完全混合系統，排污量為W，污染物初始質量濃度為ρ0，q為污染物排放量，流進系統的流量為Q0；流出系統的流量為Q0+q，如圖3所示。

圖2 零維模型示意圖

d.通過湖庫均勻混合模型進一步推導出玄武湖水質與水量直接的定量化關系。

e.運用二維水環境數學模型，進一步驗證其規律，并得出最優補水方案。

2 結果與分析

2.1 補水量與水質指標的相關關系

對2014—2017年玄武湖補水量及水質資料進行分析，擬合補水量與水質指標的相關關系(圖3)，枯水期TP、枯水期TN、豐水期TP、豐水期TN的決定系數R2分別為0.688、0.553、0.595和0.758。從相關關系可以看出，水體質量濃度隨著水量的增加呈先減小后增加的趨勢。在枯水期補水量約為 15萬t/d時，水質最優；豐水期最優補水量約為 20萬t/d，水質最優。根據對調水水質分析，其在調水期間內調水水質基本無變化，污染源在調水期間內基本無變化，引起水質隨調水量變化的主要原因是調水量的變化。

(a) TP

2.2 水質與補水量理論公式推導

根據玄武湖污染源評價結果，設在豐水期入湖污染物(不含補水)相同，則降解量的計算公式為

Wk=KVρ=W+Q(ρ0-ρ)

(1)

式中Wk為降解量。令A=ρ-ρ0，則Wk=-AQ+W，通過實測數據擬合，得到降解量與補水量相關關系見圖4。

(a) TP

根據2014—2017年玄武湖豐水期補水水質特征，補水中的TP質量濃度在0.027～0.2 mg/L 之間，補水中的TN質量濃度在1.41～2.77 mg/L之間。在水體質量濃度區間內構建豐水期玄武湖補水水質與補水流量的關系見圖5。根據湖庫均勻混合模型，推導得到豐水期和枯水期湖泊水質與補水量相關關系，見圖6。根據理論分析可知，豐水期玄武湖的水體質量濃度隨著補水流量的增加先轉好后變差，水質最優時，TP、TN最優的補水流量為2.3 m3/s，最優補水量為20萬t/d。枯水期玄武湖的水質隨著補水流量的增加先轉好后變差，但是水質最優時，TP、TN最優的補水流量為1.74 m3/s，最優補水量為15萬t/d。該結論與實測數據擬合的結論一致。與此不同的是，太湖湖西區引水量越大，污染物入河量越大，湖西區水質越差[19]。美國Okeechobee湖調水量越小，外界進入湖泊的污染物量越小，湖泊污染物質量濃度大，主要原因是底泥的加速釋放[20]。本研究結論與以往其他研究不同，將會對該類型湖泊的水污染防治提供新的研究思路。

(a) TP

(a) TP

2.3 水環境數學模型優化方案

基于二維水環境數學模型[21-24]，將玄武湖湖區劃分為三、四邊形混合網格，網格間距為300 m左右，根據玄武湖實際地形、地質及所處地域確定模型曼寧系數為32 m1/3/s、渦流參數為0.28，水動力邊界和水質邊界均為2017年基準年數據。根據模型計算[25-27]，玄武湖TP的降解系數為0.06～0.08 d-1，TN降解系數為0.02～0.035 d-1。分別對玄武湖的各個湖區的水質指標(TP、TN)進行率定驗證，率定結果較好，該模型可用于玄武湖補水優化方案水質計算。模型網格和湖底地形見圖7，率定驗證結果見圖8。

圖7 玄武湖模型網格及地形高程

圖8 玄武湖模型率定驗證

通過現狀評價及近期、遠期規劃，制定在不同補水量及截污情況下的方案(表1)。在枯水期，根據現狀排污情況，通過實測資料和理論分析水質最優時的補水量為15萬t/d，TP基本能夠達標。在方案計算中，保證除唐家山溝之外的4條溝污水不入湖情況下，進一步削減紫金山片區40%的污水入湖，此時的水質最優時的補水量為12萬t/d，水質進一步轉好，TP基本能夠穩定達標。在豐水期，現狀排污情況下水質最優時的補水量為20萬t/d。在計算方案中，近期進一步加強5條溝附近尤其是鎖金村片區的雨污分流建設，從而削減40%的合流制污水進入玄武湖，此時水質最優時的補水量為 18萬t/d。在遠期，通過5條溝附近尤其是鎖金村片區的深化雨污分流建設及紫金山片區管網建設，使得現狀的80%污水不進入玄武湖，從而進一步提高玄武湖水質，此時的最優水質的補水量為 15萬t/d。水環境數學模型計算的規律與理論公式推導規律一致，再次驗證了理論推導的準確性。

表1 玄武湖補水方案對比結果

3 結 語

本文以典型城市過水型湖泊玄武湖為例，針對城市內湖水環境問題，通過實測數據擬合和經驗公式推導相互驗證污染物演變規律，揭示了城市內湖水污染控制的關鍵因素，運用數學模型預測的方法確定了合理性治理方案。隨著我國城市化進程的加快水環境問題日漸復雜，本文為城市內湖水污染治理提供了科學指導。