生態補水對孝婦河濕地水華的預防效果模擬

賈瑞鵬,李桂秋,竇 明,*,王 偲,李 佳( 鄭州大學水利與交通學院,河南 鄭州 45000； 鄭州大學生態與環境學院,河南 鄭州 45000；.江蘇省水文水資源勘測局南通分局,江蘇 南通 6000)

城市水系的建設有助于改善城市景觀,提升城市形象[1].天然河道在閘門、水壩、泵站等工程的控制下,相互串聯彼此交通,形成復雜的城市水網(系).城市水網建設可有效增加城市水面面積,蓄積大量水資源,改善了城市局部生態景觀[2-3].但是,由于城市水系受人為干擾因素較大,水量和水位不僅受天然來水的影響,還與人為調節密切相關,水體水質受上游來水和自身環境容量變化等多重因素也發生較大變化,與天然河道或湖泊的流場及污染物變化規律具有較大的差異性[4-6].一方面,由于閘、壩、堰等的建設,使原有河道水流變緩,水面面積增大,污染物大面積蓄積,在春夏之季很容易形成大面積的水污染事件,甚至爆發水華[7-8];另一方面,城市水系建設為了增加整體水體景觀效果,增加了許多輔助工程,如在河岸種植植物,建設河道綠坡;濱岸帶種植水草、建設濱河濕地;水面種植浮游植物、建設生態浮島;在水里養殖魚類、底棲生物,增加生物多樣性[9].這些措施實際上人為的改造了自然景觀,改變了天然河道的生境.城市湖泊水體出現各種水環境問題,富營養化問題最為突出.通過跨流域調水[10]或利用當地其他水源(如城市再生水)[11]對河流進行生態補水被認為是緩解或解決以上問題的最快捷和最有效手段[12].

生態補水是通過工程措施從流域外短期引入水質較好的水體緩解水資源短缺和進行生態修復,是維持和改善區域水環境質量的重要途徑[13-14].科學合理的生態補水時長和補水流量對水環境改善效果至關重要.在自然狀態下湖泊和河流具有復雜的形狀和邊界,關于污染物在天然水體中的運移規律及水環境狀態變化復雜,許多問題迄今尚未得到妥善解決[15].常用的研究方法包括經驗公式法[16]、數值模擬法[17]、物理模型法等[18].此類研究數據需求量大,數據獲取困難,需要大量人力物力支持,受多種因素制約.虛擬仿真技術的出現為此類問題找到了解決辦法,現階段可以采用成熟的仿真程序或集成軟件對特定條件下的水環境變化狀況進行模擬分析,大大提高了研究效率.水環境數值模擬模型可以準確地模擬水域流場和水質的變化,已成為主流的研究手段[19].水環境數值模擬多基于現狀條件,但是實際研究過程需要靈活考慮工程位置、補水措施等.

孝婦河濕地水域景觀于2018年建成,屬于新建項目,食物鏈不完善、生態功能脆弱,建成運行以來始終存在水質問題,尤其富營養化問題突出.多次的水質監測顯示該水域出水水質狀況不容樂觀.此外,該水域位于新城水庫上游,而新城水庫是引黃供水工程和南水北調東線工程的調蓄水庫,水域出水水質將會對新城水庫產生一定影響.作為調蓄水庫和飲用水源地,保障其用水安全非常重要.為改善水域富營養化現狀,消除該水域現狀水環境對城市景觀的影響,保障出水對下游水源地用水安全,需對該水域進行有效的調控以改善其水質.本研究采用數值模擬方式模擬水質指標分布及變化情況,根據補水流量大小、補水口位置設置8 種生態補水場景,對不同補水工況下污染物指標進行模擬.采用富營養化指數(TLI)、葉綠素濃度(C)、水華面積(S)、滯留時間(T)、水華危害指數(H)5 個指標對生態補水的水華預防效果進行綜合評判,揭示水環境演變及水質改善的響應機制.系統分析了多種生態補水措施及其實施效果,并提出解釋生態補水對水華預防效果的水華危害指數.研究方法和相關結論可為城市水域生態補水提供合理的思路和解決方案,為孝婦河水環境治理和生態保護提供理論支撐.

1 研究區和數據來源

1.1 研究區

孝婦河濕地位于山東省淄博市境內,屬湖濱濕地,117°57′～117°59′E,36°40′～36°50′N 之間,正常水位為102.5m,水域面積1.67km2.該水域在天然河道的基礎上實施了河道拓寬、河岸加固、閘壩控制等工程措施人工修建而成,是山東省淄博市重要的城市景觀湖泊.水域沿岸工業發達,人口密集,水量水質變化受人為干擾因素控制較大,現狀維持著500 萬m3的蓄水量(2020年).湖區受納水體主要來自主河道上游和支流范陽河的補給,來水量較小且主要來水水源為污水處理廠尾水.在湖區布設監測點28 個,根據水域內閘壩工程、水系形態和研究需求將研究區從下游至上游劃分為A、B、C、D、E5 個子區域,現有補水點2 個,橡膠壩2 處(圖1).

圖1 研究區概化圖Fig.1 Study area of the Xiaofu river

1.2 數據源

本研究選取的孝婦河水文站及相應的水質監測斷面數據來自淄博市水文信息監測分析系統和中國水文信息網(https://xxfb.mwr.cn/sq_dxsk.html).水文站及水質斷面位置見圖1.水質數據來源于2018 至2020年山東九一生物科技公司現場采樣月數據和孝婦河環境監測站自動監測數據及相關調度監測數據.研究區地形數據來自《淄博市孝婦河黃土崖段綜合整治工程》.

2 模型原理

本研究采用MIKE21 對水環境變化條件進行模擬.該模型為模塊化模型,不同模塊可以與MIKE21HD 集成計算,實現將各水生生態系統轉化為可靠的數值模擬并用于精確的預報.水質變化和富營養化過程受水動力條件驅動,分別使用水動力(HD)模塊模擬水流變化,使用水質生態(EcoLab)模塊來實現對主要城區河段污染物分布狀況的模擬,使用富營養化(EU)模塊模擬藻類變化情況.

2.1 水環境模型方程

2.1.1 水動力模型 根據水量平衡和能量守恒原理,建立二維湖泊水動力學模型.

①水流連續方程:

②X 方向動量方程:

③Y 方向動量方程:

式中:h(x,y,t)為水深,m;d(x,y,t)為時間變化水深,m;ξ(x,y,t)為自由水面水位,m;p(x,y,t),q(x,y,t)為x,y 方向的流量密度,m3/(s?m);g 為重力加速度,m2/s;C(x,y)為謝才阻力系數,m1/2/s;f:風摩擦系數;V,Vx,Vy(x,y,t)為風速及x,y 方向的風速分量,m/s;?(x,y)為Coriol 系數,?(x,y)=2ωsinψ;ω 為地球自轉角速度;ψ 為計算點所處的緯度;ρw為水的密度,kg/m3;P0(x,y,t)為大氣壓強,kg/(m·s2);x,y 為空間坐標,m;t 為時間,s;τxx,τxy,τyy為切應力[20].

2.1.2 水質控制方程 本研究水質指標主要考慮了化學需氧量(CODCr)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)5 個指標.其遷移轉化過程可用方程(4)進行描述[21]:

式中:c 表示Ecolab 狀態變量的濃度,mg/L;u,v,w 分別表示對流項的流速分量,m/s;Dx,Dy,Dz分別表示擴散項的擴散系數,無量綱;Sc表示源匯項,g/(m3·d);Pc代表Ecolab 的生化反應,g/(m3·d).計算公式如下:

式中:Cs表示標量變量濃度,mg/L;Dh表示水平擴散系數,無量綱;t 代表時間,d;kp表示標量降解系數,d-1.

2.1.3 富營養化過程描述 富營養化模塊(EU)用來描述水中營養物循環,浮游植物和浮游動物的生長過程以及根系植被和大型藻類生長和分布等.在模擬過程中,以葉綠素a 濃度代表實際生物量,其限制條件均采用MIKE 模型內置富營養化模塊(EU)進行模擬.

藻類生物量與其生長代謝捕食關系等相關,公式(6).

式中:B 為藻類生物量,g/m3;t 為時間,d;P 為藻類生長速度,d-1;B 為藻類新陳代謝速率,d-1;R 為藻類被捕食速率,d-1.

藻類生長受營養鹽水平、光照強度、溫度等條件限制[22],公式(7).

式中:f1(N)、f2(I)、f3(T)、f4(S)分別表示營養鹽、光照、溫度、鹽度限制條件影響.

2.2 模型評價

2.2.1 模擬誤差分析 選用相對誤差δ和決定性系數R2兩個指標進行模型評價[23-24].其中,R2的取值范圍是[0,1],R2越接近1,模型計算越準確.計算方法如下:

2.2.2 水華預防效果評估 通過生態補水措施改善湖泊水功能條件,進而影響水體富營養化狀態.由于水華發生是多因子共同作用的結果,綜合營養狀態指數法,只能對水域營養狀態進行評價,無法客觀展示水華的發生及其危害.因此,本研究通過對生態補水后葉綠素a 及水體主要營養鹽峰值濃度、爆發水華水域面積及藻類生物團滯留時間等指標綜合分析,對不同生態補水條件下富營養化湖泊水華預防效果進行評價.富營養化狀態采用綜合營養狀態指數(TLI)法[25]得出;葉綠素a 濃度通過模型模擬得出;水華滯留時間、爆發水華水域面積通過識別高濃度葉綠素計算得出.采用水華危害指數H 對水華預防效果進行評估.在最佳狀態下,理想水體應達到富營養化水平低(TLI=minTLI),葉綠素濃度小(C=minC),水華滯留時長短(T=minT),水華發生面積小(S=minS).最小的水華危害指數表示該生態補水方案下的水華預防效果最好.

3 模型構建及驗證

3.1 網格處理

網格質量是決定模型質量的重要參數之一.選擇三角非結構化網格劃分方法進行仿真.本次模擬區域孝婦河濕地水域全長7.3km,水面面積1.67km2,水面寬度55～260m,主河道兩側存在1 個支流水系,水面寬45m,邊界形態復雜.采用無結構的任意四邊形網格較好的貼合了自然邊界.網格尺度變幅范圍為10m×18m～40m×40m.模型共布置網格單元1035個,節點數為661 個.一般認為非結構化網格的最小角度不小于30°,網格質量較好.根據LOP 網格優化理論,利用網格調試工具對不符合計算幾何準則且運行時間較長的網格進行局部算法修改.以提高模型的準確性.經過網格處理和空間插值后,生成計算網格(圖2).

圖2 研究區網格及地形插值Fig.2 Study area grid and terrain interpolation

3.2 邊界條件

一般認為上游邊界采用流量輸入數據,下游邊界采用水位輸入數據,模型更穩定收斂.參照2020年孝婦湖實測水位及流量過程,模型驗證時選擇上游干流和支流范陽河入湖流量為上游邊界,下游邊界為孝婦湖出口閘處實測水位.

3.3 參數設置

根據本次實驗監測數據,在實測數據中與水動力相關的參數是水深、流量和流速,因此,水動力學模型選擇孝婦河水深、流量進行參數率定和模型驗證.根據水動力學模型,對模擬結果影響較大的參數主要有糙率、干濕水深和風阻系數.在參數取值調整過程中,以湖泊中各點監測數據為依據,選取不同的糙率、干濕水深,來擬合湖泊水深.經調試,當湖底糙率為0.31,干濕水深(分別為0.01,0.05m 時,水動力模擬結果較好.

在模型率定的基礎上,進一步對模型的率定精度進行評定.水動力模型參數驗證:經分析,模擬值與實測值最大相對誤差為9.71%,最小相對誤差為3.68%,平均相對誤差為6.87%,模型模擬精度較高.水質模型的狀態變量選擇為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN).核定后相關參數如表1所示.

表1 模型主要參數Table 1 Model parameter settings

3.4 模型驗證

3.4.1 水動力模型驗證 分別從空間尺度和時間尺度對水位、流量進行模擬值與實測值的對比分析.時間尺度上選取生態補水實施前2018年的出口監測點S1 和入口監測點S26 流量模擬值與實測值進行分析,結果如圖3;空間尺度上選取18 個主要監測點位數據,按上下游排列順序進行模型驗證.模擬流量、水深結果與實測結果對比如圖4所示.模擬水位、流量總體趨勢與實測值基本一致,各點位模擬值與實測值相對誤差維持在10%以內,具有較高的可靠性.

圖3 出入口流量模擬與實測值對比Fig.3 Comparison of simulated and measured values of entrance/exit flow

圖4 水深及流量模擬與實測值對比Fig.4 Comparison of simulated and measured water depth and discharge values

3.4.2 水質模型驗證 將2018年孝婦河濕地公園中心監站模擬結果與實測結果進行對比分析,評價水質模型的準確性,驗證模型的可行性.各水質指標月度模擬數據與實測數據對比見圖5.

圖5 水質指標模擬值與實測值對比Fig.5 Comparison of simulated and measured water quality indicators

從圖5 可以看出,本文所構建模型模擬值能較好的擬合于實測值.對于機器學習模擬誤差,有研究表明誤差值范圍在 5%～15%被認為是可接受的[26].由于水環境數值模擬受多重因素影響,水質模型的誤差可信區間較大,一般研究認為當模擬誤差小于40%,平均誤差小于20%,即認為該模型可靠[27].本研究模擬平均誤差為 13.22%.各污染物變量的相對誤差如圖6所示,總體誤差較小,最大模擬誤差為 40%.COD 的平均模擬誤差為11.52%;NH3-N 的平均模擬誤差為14.33%;TP 的平均模擬誤差為13.07%;TN 的平均模擬誤差為13.95%.

圖6 水質驗證相對誤差Fig.6 Relative error of water quality verification

采用決定系數R2以進一步評估模型質量.通常模型決定系數大于0.8 擬合度達標[28-29],4 項水質指標的決定系數均大于0.8.因此,該模擬水質模型具有較高的可靠性.決定系數R2和平均相對誤差計算結果如表2所示.

表2 水質模型模擬效果評價Table2 Evaluation result of water environment model effect

4 結果與分析

4.1 生態補水情景設定

幾種污染物都有不同程度的聚集分布或部分水域污染物濃度較高的情況出現,考慮到孝婦河濕地水域除中部范陽河匯入少量來水之外再無其他水源或污染物進入,主要原因是在水流平緩的水域,污染團隨水流或風力作用在水域內漂移,在水流不暢的區域出現聚集分布.從污染團的分布狀況來看,高濃度的污染物分布區一般位于彎道、岸邊或河道較窄的區域.本次模擬與優化重點考慮特征點的水質指標考核和水力影響范圍的大小,由于孝婦河濕地水域的主要問題是水體富營養化引起的藻類繁殖,進而影響水體透明度.所以水質模擬主要通過控制水藻的大面積繁殖為目的,首先是給出的方案可以減弱主要影響因子的作用,其次是加強水流的流動能力讓濕地水域的水動起來.生態補水措施主要依靠目前孝婦河生態補水指標進行有效分配,控制補水水量進行模擬.孝婦河濕地現有補水指標年1050 萬m3,最大補水流量為200m3/s.補水水源為黃河水和南水北調水,設定補水水質為Ⅲ類水.補水方案設計以水質考核為目標,暫未考慮經濟運行成本,分別考慮補水點,補水量和補水時間,并結合實際操作的可行性進行,考核指標選取補水影響范圍和特征點水質達標情況.單次補水最大水量以進出口設計指標為依據,補水時間考慮管理中心實際運行時間和水華防控需求.補水方案設計8 種補水措施,補水點分為上游和下游(總干進水閘處),補水量按設定值規定,補水方式選擇分次補水,逐次將設定水量補完,補水時間選擇4月和5月,模型中給定補水時間為4月中旬一次,5月中旬一次.不同補水措施的實施方案如表3.

表3 不同補水措施的實施方案Table 3 Implementation scheme of different water supplement measures

4.2 生態補水模擬效果分析

從表4模擬結果可以看出,8種補水方案下,不同補水方案對孝婦河水域影響范圍不同,當補水量較小時,補水措施所產生的水動力波動范圍較小,補水量較大時產生的水動力波動較大.在對水質的影響方面,上游補水的影響更加顯著,可以影響到補水點以下大部分區域和補水點以上少部分區域,補水所產生的效果隨著離補水點距離而逐漸減弱,如果上下游同時補水可以產生覆蓋全部水域的影響.補水措施不僅可以補充干凈水源對濕地內部污染物濃度進行稀釋,還可以產生一定的水面波動,對藻類大面積生長繁殖產生不利條件.表4 中水動力影響范圍一列列出了不同措施有影響下的水動力影響范圍,其中陰影部分面積表示當補水措施實施后的水面波動的最大范圍的面積,為了顯示補水措施的影響效果,用S 表示水面波動的面積,用L 表示水面波動的最大距離,用ν 表示水面波動的平均速度,具體面積和速度的大小見表4.

表4 不同補水措施的實施效果Table 4 Implementation effect of different water supplement measures

從模擬結果可以看出,8 種補水方案下,方案上下游同時補水的效果最好,上游補水的效果較下游補水效果好.當上下游同時補水時,補水產生的水面波動可以影響到幾乎整個水域可.由圖7 可以看出生態補水措施實施后,COD 濃度的變化范圍為20.0～25.6mg/L,相比孝婦河初始COD 濃度略有減小,水質整體濃度在Ⅲ類水到Ⅳ類水之間,C 區范陽河入口下游COD 濃度偏高;葉綠素a 濃度的變化范圍為10.04～24.39mg/L,相比孝婦河初始葉綠素濃度大幅減少,水質整體濃度可以達到Ⅱ類水標準,B 區和D 區靠近右岸處濃度偏高;總磷濃度變化范圍為0.140～0.196mg/L,相比孝婦河初始總磷濃度變化不大,水質整體濃度可以達到Ⅲ類水標準,D 區中心處處濃度偏高;總氮濃度的變化范圍為6.75～8.85mg/L,相比孝婦河初始總氮濃度變化略有減少,水質整體濃度高于Ⅴ類水標準,整體水域均不達標,是需要控制的主要指標.

圖7 最優補水措施實施后污染物分布狀況Fig.7 Distribution of water quality indicators under optimal conditions

4.3 水華預防效果評估

對不同生態補水條件下富營養化湖泊水華預防效果進行評價(圖8).在不同的調水方案下,綜合營養狀態指數最小的是方案B6,葉綠素a 濃度峰值最小的是方案B8,水華面積最小的方案B8,水華滯留時間最短的是方案B6.綜合核算得到水華危害指數依次為:H(B8)H(B2)>H(B3);③同等補水條件下,多點位補水效果更佳,上游補水對富營養化的削減作用更明顯.Q(B2)= Q(B5)= Q(B8),H(B5)>H(B2)>H(B8).因此,對于此類湖泊若采用生態補水對水華過程進行防治,短時多點的補水措施是有必要的.

圖8 不同調水方案下水華預防效果Fig.8 Effectiveness index of water wattage prevention under different water transfer schemes

5 結論

5.1 構建基于MIKE21 模型的城市景觀湖水環境模型并耦合富營養化模塊.對模擬網格進行LOP 優化,對模型參數進行篩選,使模型水動力模擬誤差維持在10%以內,水質模擬誤差在15%以內.該模型精度較高,具有一定的型適用性和擬合度.

5.2 采用水環境數值模擬和水華危害指數綜合評價,對8種情景的補水效果進行評估.結果表明,水華危害指數依次為:H(B8)

5.3 水華發生是多種因子相互作用的結果,其過程較為復雜,水體富營養化綜合指數法只能作為描述水體營養狀態的指標.本研究提出的水華危害指數,可以通過分析水華發生過程中營養物質、水動力條件、藻類生物量的變化等給出合理解釋,并評估生態補水對水華的預防效果.