博斯騰湖北岸水系連通對大湖區水環境影響分析

陳雪峰

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

博斯騰湖是我國最大的內陸淡水湖[1]，主要由開都河流域和孔雀河流域組合，總面積7.7×104km2[2]，是博斯騰湖流域人民生產生活的主要水源和生態屏障。為了有效改善博斯騰湖水環境面貌，增加入湖水量，現對北岸水系連通對博斯湖入湖水動力、水質影響情況進行探討。

1 存在問題

近50a來，隨著區域經濟社會發展進程中的水土資源高強度開發利用，入湖徑流的攔截，工業排污和農業污染的加劇，導致博斯騰湖水環境呈惡化趨勢，具體表現在以下幾個方面：①湖泊萎縮，水量減少；②水質咸化、礦化度上升；③水質惡化，富營養化加劇；④地表徑流減少，進入到水體中營養物和污染物的濃度增加；⑤水動力不足，水污染加劇等[3]。

2 北岸水系情況

博斯騰湖入湖河流主要有開都河、黃水溝、清水河等，多年平均入湖徑流量為26.8億m3，其中只有開都河直接流入博湖，為博湖的主要補給水源，占到了補給總量的84.7%。孔雀河是博斯騰湖唯一的出湖河流，平均每年流出量為12.5億m3。博斯騰湖北岸清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等支流，僅在洪水季節才有少量洪水匯入博斯騰湖。清水源發源于和靜縣合依都它烏山系冰川區，河長88.21km，多年平均徑流量1.1×108m3，是博斯騰湖第三大入湖河流。曲惠溝發源于哈依都他烏山系南麓，全長60km，多年平均徑流量0.17×108m3。烏什塔拉河發源于哈依都他烏山系南麓冰川區，全長80km，多年平均徑流量0.5×108m3。鑒于博斯騰湖水動力條件較差的情況，考慮連通北岸支流水系以改善博斯騰湖水動力和水環境條件。

3 研究方法與模型構建

3.1 研究方法

本次研究采用DHI開發的MIKE軟件構建博斯騰湖水動力-水質-水生態數學模型，模擬博斯騰湖北岸水系連通后湖區水流流場、污染物濃度場和水生態環境分布特征。模型的水動力-水質模塊控制方程如下[4]。

水流連續性方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

濃度對流擴散方程：

(3)

k-ε雙流體模型：

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

式中，ρ—水的密度；CS—水中聲的傳播速度；ui—xi方向的速度分量；Ωij—克氏張量；p—壓力；gi—重力矢量；vT—紊動黏性系數；δ—克羅奈克函數；k—紊動動能；ε—紊動動能的耗散率；C—濃度；DT與DC—相關的濃度擴散系數；t—時間；SS—各自的源匯項(每個方程的均不相同)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε、σT—特征值；β—容量擴張系數；φ—浮力標量。

3.2 模型構建

本次研究采用非結構三角形網格對博斯騰湖區域進行劃分。計算網格尺寸100～300m，每個網格平均64439m2，計算區域共13257個網格節點，25583個網格單元。對于博斯騰湖水位變化的動邊界，采用“干濕判別法”處理計算。根據數據資料完整度及博湖實際情況，選取COD和礦化度作為水質指標進行模擬計算。模型計算初始流速為0，初始濃度場為17個水質監測點數據插值得到，每次模擬計算時，計算時間提前3個月開始，使模型達到穩定的流場和濃度場。

3.3 模型參數率定與驗證

為驗證模型參數設置合理性及模型計算結果的準確性，需對模型相關參數進行率定，對模擬結果進行驗證。博斯騰湖現有17個水質監測點的長序列水質資料，本次選用2018年水質數據進行模型參數率定，選用2019年水位數據進行模型驗證。模型需要率定的水質參數主要為各水質指標擴散系數和降解系數等。率定驗證選用的水質評估指標為博斯騰湖大湖區水質超標的COD和博斯騰湖指標礦化度。

通過反復計算，率定得到博斯騰湖水生態動力學擴散系數D=0.05m2/s，K20COD=0.02，K20NH3-N=0.06，K20TN=0.008，K20TP=0.05.使用率定的模型參數計算2019年博斯騰湖水質過程并與檢測結果進行比較，17個國控監測點的水質模擬值與實測值比較結果表明，博斯騰湖水生態動力學模型可以較準確的反映博斯騰水動力和水質的變化過程，模擬結果可信。

3.4 模擬工況設定

博斯騰湖北岸清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等支流水系的水源，均為開都河，因此以黃水溝與開都河的徑流比例為參考，同時考慮開都河農業灌溉用水等因素，設置豐水年、平水年、枯水年3種北岸水系的流量條件模擬工況，模擬工況見表1，3條支流在豐、平、枯水文年入湖水量如圖1所示。

圖1 博斯騰湖北岸支流水系流量變化過程

表1 博斯騰湖北岸支流水系連通工況設定表

4 計算結果分析

4.1 北岸支流水系連通對博斯騰湖水動力條件的影響

利用模型分別模擬現狀條件下及不同補水量條件下的北岸支注水系連貫時博斯騰湖水動力變化情況，模擬結果顯示，北岸支流水系連通后，并未改變博斯騰湖主要的水動力特征，湖區仍呈現明顯的風生湖流特征，湖岸區域流速大，湖心區域流速小，僅北岸支流入湖處的流速明顯增大，統計北岸支流水系連通前后博斯騰湖水動力條件變化情況見表2，如圖2所示。

圖2 北岸支流水系連通前后博斯騰湖流速變化

表2 北岸支流水系連通前后博斯騰湖流速變化統計表 單位：cm/s

由表2和圖2可知，北岸支流水系連續后，博斯騰湖水動力條件有了一定的提升，流速較現狀條件增大。北岸支流水系在豐、平、枯3種來水工況下，博斯騰湖區平均流速由現狀的0.82cm/s分別升高為0.9、0.86和0.84cm/s。為更直觀的表示湖區流速變化，統計3種工況下補水前后湖區流速變化差值，可知，豐平枯3種補水工況下，湖區流速增大的面積分別占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%。

4.2 北岸支流水系連通對博斯騰湖水質的影響

利用模型分別模擬北岸支流水系連通后不同補水量時博斯騰湖水質變化情況可知，北岸支流水系連通后，并未改變博斯騰湖主要的水質分布特征，湖區大部分區域COD均超過20mg/L。統計北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化情況見表3，如圖3所示。

圖3 北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化

表3 北岸支流水系連通前后博斯騰湖COD濃度變化統計表

由表3和圖3可知，北岸支流水系連通后，博斯騰湖水質狀況有了一定的提升，湖區平均COD濃度較現狀條件略微降低。北岸支流水系在豐、平、枯3種來水工況下，博斯騰湖湖區平均COD濃度由現狀的22.1mg/L分別降低為20.5、20.8和21mg/L，更接近Ⅲ類水標準。

為更直觀的表示湖區水質變化情況，統計3種工況下補水后湖區COD濃度變化差值可知，豐平枯3種補水工況下，湖區COD濃度降低的面積分別占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%。

4.3 出入湖水量對博斯騰湖水環境的影響

統計2019—2021年博斯騰湖出入湖流量、水質和5個水功能區的COD濃度，如圖4所示。并使用pearson相關性分析法分析出入湖流量、水質與各水功能區COD濃度的相關性，見表4。

表4 近3a博斯騰湖出入湖海流量水質與湖區水質的相關性

從入湖水質來看，寶浪蘇木和黃水溝的入湖水體中COD濃度基本小于20mg/L，因此入湖河流對博斯騰湖水環境具有一定的提升作用。從入湖流量與博斯湖5個水功能區COD濃度的相關性來看，博斯騰湖的入湖流量與湖區內Ⅰ區和Ⅱ區的水環境質量無明顯相關性。黃水溝入湖水量只與Ⅳ區水環境質量有較弱正相關關系，入湖水量與Ⅲ區水環境產生影響，對Ⅴ區水環境影響較弱，Ⅰ區、Ⅲ區和Ⅳ區的水環境基本與入湖河流無關，造成這一現象的原因是由于博斯騰在風力作用下產生的風生環境結構所導致的。

綜上分析可知，入湖水量增加雖然有利于改善博斯騰湖水質，北岸水系連通使博斯騰湖水動力條件有了一定的提升，但由于湖區水流速緩慢，水動力特征仍呈現明顯的風生湖流特征。北岸三條河流的水量有限，大多只會在汛期流入博斯騰湖，僅在流入區西南角泵站處和北岸支流入湖處改善水質，使得COD濃度低于20mg/L，整體湖區水質分布特征并未發生變化。

5 結語

博斯騰湖的水環境惡化，直接威脅到沿湖群眾用水和區域生態環境安全。水環境的改變不僅取決于水量的增加還有水動力條件。基于博斯騰湖水環境存在的問題，經過水生態動力學模型構建和分析探討可知，北岸水系連通后，雖然在豐平枯3種來水工況下，使得博斯騰湖湖區平均流速由現狀的0.82cm/s分別升高為0.9、0.86和0.84cm/s，COD濃度由現狀的22.1mg/L分別降低為20.5、20.8和21mg/L，但由于水力不足，水量有限，北岸水系連通產生的流速增大和COD濃度降低的面積僅占博斯騰湖總面積的68%、65%和62%，對于整個湖區水環境來說作用力太小，要想改善博斯騰湖水環境現狀必須采取綜合的有效的治理措施，為類似湖泊水環境治理研究提供了借鑒。