大型城市內(nèi)湖水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)值模擬及環(huán)境治理方案效果評估

張文杰，盧昱含

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430071）

近年來,隨著城市化的高速發(fā)展,城市內(nèi)湖容納了過多的周邊居民生活污水和工業(yè)廢水,污染嚴(yán)重,水質(zhì)逐漸惡化。為改善城市內(nèi)湖泊水質(zhì)狀況,國內(nèi)外提出多種控制水體污染的措施,包括控源截污和生態(tài)補(bǔ)水等,并利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究分析。如賈瑞鵬等利用MIKE 21建立萬寶湖二維模型模擬了其水動(dòng)力條件和水質(zhì)變化過程；逄敏等利用MIKE11建立水環(huán)境數(shù)學(xué)模型, 模擬了不同污水接管率、排污量削減率和調(diào)水方案下秦淮河水質(zhì)的改善情況；Li和Jiang等模擬分析了從長江引水到太湖后的污染物濃度變化,表明大型湖泊調(diào)水工程可改善水質(zhì)。本研究選取大型城市內(nèi)湖武漢市湯遜湖,應(yīng)用MIKE21建立湖泊二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,對近期和遠(yuǎn)期不同控源截污和生態(tài)補(bǔ)水方案下水動(dòng)力水質(zhì)改善情況進(jìn)行模擬,為湯遜湖水環(huán)境綜合治理提供決策依據(jù)[1-4]。

1 研究區(qū)域概況

湯遜湖位于武漢市東南部,是亞洲最大的城中湖,湯遜湖流域面積240.48 km2,水域面積47.62 km2,湖泊岸線長度122.8 km,平均水深1.85 m,屬于典型的淺水湖泊（見圖1）。根據(jù)湖泊形態(tài)特征以及排水匯水特點(diǎn),可將湯遜湖分為8 個(gè)子湖,分布為外湯主湖、沙咀湖、大橋湖、麻雀湖、內(nèi)湯主湖、紅旗湖、楊橋湖和中洲湖。湯遜湖主要分布于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)關(guān)東街、武漢市洪山區(qū)洪山街與武漢市江夏區(qū)廟山街。由于湯遜湖周邊有三個(gè)工業(yè)園區(qū),人口密度較大,城市管網(wǎng)分布密集,生活污染、面源污染以及點(diǎn)源污染為湯遜湖的主要污染貢獻(xiàn)來源。萬寶湖面積小、湖底平坦、流速較小且受風(fēng)的影響較大,水動(dòng)力條件較差,加之湖泊內(nèi)部聯(lián)系不暢,水體隔斷,水動(dòng)力條件較差,因此形成了很嚴(yán)重的污染問題[5-7]。根據(jù)湖北省環(huán)保廳重點(diǎn)湖泊監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫,湯遜湖在2016年～2017年水質(zhì)為V～劣V類,超標(biāo)因子主要為TP、COD、NH3-N等,湖泊水質(zhì)狀況不容樂觀。

圖1 湯遜湖地理位置示意圖

2 模型建立

2.1 模型描述

MIKE 21水動(dòng)力模塊（HD）的控制方程包括二維方向的連續(xù)方程和動(dòng)量方程,可通過對不可壓流的平均方程進(jìn)行沿水深積分得到[8]。MIKE21對流擴(kuò)散模塊（Transport Module）,基于污染物在垂向上是混合均勻的,即污染物的質(zhì)量濃度只有水平面上發(fā)生變化這一假定,在已有的水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上,利用二維對流擴(kuò)散方程[9],模擬水體中污染物輸移和擴(kuò)散過程。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

式中：t為時(shí)間,s；x,y分別為笛卡爾坐標(biāo),m；h為總水深,m；u和v分別為水深平均的值,m/s；S為點(diǎn)源的排放量,kg；ρ為水的密度,kg/m3；f=2Ωsin,表示Coriolis因子（Ω為地球自轉(zhuǎn)的角速度,為地理緯度）；g為重力加速度,m/s2；為水位,m；Sxx,Sxv和Svv為radiation應(yīng)力張量,Pa；Tsx, Tsy分別為水面風(fēng)應(yīng)力張量,Pa；Tbx, Tby分別為河床床面應(yīng)力張量,Pa；Pa為大氣壓,Pa；ρ0為水的相對密度,kg/m3；（Us,Vs）為外界排放到環(huán)境水體的速率,m/s；橫向應(yīng)力Txx, Txy, Tyy包括黏滯阻力、紊流摩擦阻力和差動(dòng)平流摩擦阻力,Pa。

二維對流擴(kuò)散方程：

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)2019年7月實(shí)測1∶2000的地形和水深資料建立湯遜湖區(qū)域模型網(wǎng)格。模擬選取的單元網(wǎng)格劃分方式為三角形網(wǎng)格,相較于四邊形網(wǎng)格,三角形網(wǎng)格劃分區(qū)域更加細(xì)致穩(wěn)定。本次將湯遜湖共劃分為1346個(gè)單元網(wǎng)格。湯遜湖水下地形和網(wǎng)格見圖2和圖3。

圖2 湯遜湖計(jì)算網(wǎng)格

圖3 湯遜湖水下地形圖

2.3 邊界條件

水動(dòng)力模型：（1）邊界條件：2018年1月1日至2018年12月31日湯遜湖各主要支流、排口、出口斷面的實(shí)測水文過程以及區(qū)域氣象資料。（2）初始條件：選取2018年1月1日的水動(dòng)力學(xué)實(shí)測資料。

水質(zhì)模型：（1）邊界條件：主要是研究區(qū)域內(nèi)主要排口、非點(diǎn)源、底泥以及主要支流的污染物排放量。（2）初始條件：選取2018年1月1日的:污染物指標(biāo)實(shí)測資料。

2.4 模型參數(shù)率定和驗(yàn)證

根據(jù)湯遜湖2018年1月～12月12處采樣點(diǎn)的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù),對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證,模擬誤差在允許范圍之內(nèi),可見建立的水動(dòng)力水質(zhì)模型能夠反映湖泊水動(dòng)力過程以及污染物遷移過程,結(jié)果具有可靠性,可進(jìn)行多情景模擬。各參數(shù)率定成果見表1。

表1 參數(shù)率定結(jié)果

3 湯遜湖水質(zhì)改善多情景模擬

3.1 計(jì)算方案

城鎮(zhèn)化快速發(fā)展導(dǎo)致土地資源過度開發(fā)和河湖水系圍墾,使得湯遜湖部分湖區(qū)成為死湖,水體交換率低,流動(dòng)性差,水環(huán)境狀況不斷惡化,各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)不到要求,水污染防治迫在眉睫。參照湯遜湖流域引水方案[10],以及湯遜湖污染削減前景,以2018年為現(xiàn)狀年,設(shè)置為0-0工況。工況1-0設(shè)定為在現(xiàn)狀條件下,2021年實(shí)施污染源削減；工況1-1是在工況1-0條件上,增加引水調(diào)度,具體引水方案為通過東壩港從梁子湖引水入湯遜湖,流量設(shè)為10 m3/s；工況1-2引水規(guī)模提高至40 m3/s。工況2-0 設(shè)定為在現(xiàn)狀條件下,2025年實(shí)施污染源削減；工況2-1 是在工況2-0 條件上,增加引水調(diào)度,具體引水方案為通過東壩港從梁子湖引水入湯遜湖,流量設(shè)為10 m3/s；工況2-2 引水規(guī)模提高至40 m3/s。各工況設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算方案設(shè)置

3.2 效果分析

采用驗(yàn)證的二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬計(jì)算湯遜湖實(shí)施控源截污以及生態(tài)補(bǔ)水后的流場分布和水質(zhì)變化過程,分析湯遜湖的水動(dòng)力水質(zhì)改善效果。

3.2.1 水動(dòng)力改善效果

各工況條件下湯遜湖平均流速及其變化情況見表3和表4。

表3 各工況條件下湯遜湖平均流速

表4 各工況下湯遜湖平均流速變化情況

從整體來看,實(shí)施引水工程下的各工況（1-1、1-2、2-1、2-2）對平均流速改善效果較為明顯。現(xiàn)狀水平年情景下,湯遜湖平均流速為0.00061 m/s,在引水規(guī)模為10 m3/s時(shí),平均流速為0.00070 m/s,升幅14.2%；在引水規(guī)模為40 m3/s時(shí),平均流速為0.00098 m/s～0.00102 m/s,升幅60.6%～67.1%。從各子湖來看,以引水路線流經(jīng)區(qū)域內(nèi)湯和外湯的改善效果最佳。

3.2.2 水質(zhì)改善效果分析

經(jīng)過統(tǒng)計(jì),各計(jì)算方案全年平均水質(zhì)及其改善情況,見圖4。由圖可見,湯遜湖現(xiàn)狀水平年的平均水質(zhì)為劣V類；近期2021 年,各工況條件下（1-0、1-1、1-2）湯遜湖水質(zhì)TN、TP仍為劣V類；遠(yuǎn)期2025 年,各工況條件下（2-0、2-1、2-2）,TN、TP改善效果有限,僅工況2-2全年4項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)V類。對比各個(gè)工況水質(zhì)平均改善率可以看出,工況2-2對COD、NH3-N、TN、TP等4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均改善率最高,分別為34.7%、49.7%、57.8%、66.0%。可見污染源削減措施配合工程調(diào)水引流,才能最大限度改善水質(zhì)狀況。

圖4 各計(jì)算方案全年平均水質(zhì)及其改善情況

對比工況0-0、1-0、2-0,在實(shí)施了污染源削減后,湯遜湖平均水質(zhì)濃度有所降低,其中TN、TP改善作用有限,仍為劣V類。尤其是湯遜湖西南、東北等處邊界受污染源排污影響,水質(zhì)狀況沒有明顯改善。比工況1-0、1-1、1-2以及工況2-0、2-1、2-2,即引水量分別為0、10 m3/s、40 m3/s時(shí),隨著引水規(guī)模的增大,水質(zhì)改善率也逐漸增加,但增幅呈下降趨勢。這是由于引水水體流經(jīng)區(qū)域污染物擴(kuò)散速度加快,使得COD、NH3-N、TN和TP濃度均有一定程度的降低,但在遠(yuǎn)離引水口和出水口的湖體邊界區(qū)域,引水水體難以到達(dá),水質(zhì)改善效果較差。建議考慮適當(dāng)增加布設(shè)進(jìn)水口和出水口,加快湖區(qū)水體流動(dòng),減少滯水區(qū)域面積,以增強(qiáng)污染物的稀釋、擴(kuò)散和降解效果,更好地改善湯遜湖的水質(zhì),同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)湖泊自凈能力。

4 結(jié)語

通過實(shí)施控源截污與生態(tài)補(bǔ)水聯(lián)合治理措施, 可確保湯遜湖湖體水質(zhì)達(dá)標(biāo)。近期通過控源截污削減各類污染物50.96%～77.62%, 控制生態(tài)補(bǔ)水流量40 m3/s可使水質(zhì)達(dá)標(biāo)；遠(yuǎn)期污染物削減率提高至67.77%～78.61%,只需補(bǔ)水10 m3/s,即可使湯遜湖水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)補(bǔ)水能夠迅速改善湖體水質(zhì),但補(bǔ)水治標(biāo)而截污才是治本,生態(tài)補(bǔ)水可作為提高水質(zhì)的輔助性措施,重點(diǎn)應(yīng)該進(jìn)行湖泊周邊的控源截污綜合治理,加快污水管網(wǎng)建設(shè)。