生態清淤對滆湖水質影響的數值模擬

收稿日期：2023-11-28

作者簡介：王艷華（1986—），女，河北滄州人，碩士，工程師。研究方向：環境管理。

摘要：本研究以滆湖清淤為例，采用MIKE21軟件對清淤后滆湖不同區域水質變化進行情景模擬預測。結果表明，清淤的集中區域取水口附近水體中，氮磷削減明顯，豐水期削減率最高可達8.15%；部分清淤的北部區域豐水期削減率最高可達7.42%，未進行清淤的南部區域水體中氮磷幾乎沒有削減。

關鍵詞：滆湖；生態清淤；水質；MIKE21軟件；數值模擬

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.043

Numerical simulation of the impact of ecological dredging on the water quality of Gehu Lake

WANG Yanhua

（Changzhou Changwu Changrui Environmental Technology Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China）

Abstract： Taking the dredging of Gehu Lake as an example， this study uses MIKE21 software to simulate and predict the water quality changes in different areas of Gehu Lake after dredging. The results show that nitrogen and phosphorus are significantly reduced in the water near the water intake in the concentrated area of dredging， with a maximum reduction rate of 8.15% during the flood season; the maximum reduction rate during the wet season in the partially dredged northern region can reach 7.42%， while the nitrogen and phosphorus in the water in the southern region without dredging have hardly been reduced.

Keywords： Gehu Lake; ecological dredging; water quality; MIKE21 software; numerical simulation

滆湖位于常州市武進區西南部與宜興市東北部之間，為蘇南地區僅次于太湖的第二大淡水湖，是江蘇省六大湖泊之一。它是太湖流域湖西地區重要的行蓄洪湖泊，具有蓄洪、供水、生態等功能。2010年，常州市將滆湖作為應急備用水源地[1]。根據2008—2021年水質監測資料，滆湖中總氮（TN）、總磷（TP）濃度處于較高水平，全湖總氮單項水質類別為Ⅴ類至劣Ⅴ類[2]。滆湖作為太湖上游重要的行蓄洪湖泊，是新孟河“引江濟太”的重要通道，其水質極為重要。

滆湖的氮磷控制和治理對于削減太湖入湖污染負荷具有重要作用。底泥是氮、磷等營養鹽在水體中重要的蓄積場所，它與湖水相互作用，控制著湖體中氮磷的平衡[3]。底泥中氮磷含量較高，容易導致氮磷從底泥中釋放而擴散進入上覆水體，加劇湖泊的富營養化。常用的內源污染治理技術包括底泥清淤、引流沖污、水下森林、生物治理等[4]。生態清淤被廣泛應用于國內外的湖泊水庫治理中[5]。滆湖擬實施底泥疏浚工程，清淤深度為0.15～0.35 m，疏浚底泥234.3萬m3，疏浚位置位于取水口附近，疏浚面積為13.1 km2，清淤區域覆蓋取水口附近、滆湖北區部分區域。

1 模型建立

MIKE21軟件是一款水動力學軟件，廣泛用于湖泊、河流、河口等的水動力模擬研究[6]。該軟件內置水動力模塊和水質模塊。本研究采用MIKE21軟件，以水動力模型為基礎，模擬滆湖區域清淤后水污染物濃度的時空變化，分析生態清淤對不同區域水質的

影響。

1.1 基本方程

水質數學模型用于模擬評價區域水污染物濃度的時空變化。控制方程為垂線平均的二維對流分散方程，如式（1）所示。

（1）

式中：C為污染物濃度；t為時間坐標；u、v分別為縱向流速、橫向流速；x、y分別為x軸方向、

y軸方向的示值；Ex、Ey分別為x軸方向、y軸方向的紊動擴散系數；K為自凈系數；S為污染物源強。

1.2 計算范圍及網格劃分

滆湖網格剖分采用三角形網格，剖分后共得到

3 366個節點和6 264個三角形網格，對項目周邊范圍進行網格加密，加密網格尺寸約為非加密部分的十分之一。

2 模型參數選取及驗證

2.1 水動力模型驗證

根據2018年坊前水位站水位數據，對滆湖水動力模型進行率定，對坊前水位站水位實測值、計算值進行誤差分析。實測水位與計算水位絕對誤差小于0.05 m，湖底糙率取0.021～0.025。

2.2 水質模型驗證及參數選取

化學需氧量（COD）的水質綜合降解系數在0.06～0.17 d-1，氨氮（NH3-N）的水質綜合降解系數在0.08～0.19 d-1[7]，TP的水質綜合降解系數在0.06～0.12 d-1。根據2018年滆湖例行水質監測數據（滆湖北），對模型水質參數進行驗證，分別得到TN、TP、氨氮和COD的全年平均值相對誤差，本研究構建的模型能夠有效模擬滆湖水質變化。

3 預測情景

收集太湖流域坊前水位站2012年1月至2022年12月逐月水位數據，選取最枯月（2014年1月）作為計算典型年典型月。淺水湖泊的動力來源主要為風生流，風向設置為對取水口不利的東北風。初始水位采用典型月坊前水位站水位。滆湖水質控制的主要影響因子是COD、氨氮、TN和TP。工程實施前后，滆湖各區域水質因子計算結果對比如表1、表2和表3所示。

3.1 滆湖南各項指標改善情況

COD、氨氮、TN和TP在枯水期、豐水期的削減率不足1%，枯水期水質變差，TP濃度上升，高于清淤前的濃度。滆湖南水質計算結果對比如表1所示。

3.2 滆湖北各項指標改善情況

枯水期，COD削減效果最佳，削減率為2.08%，優于豐水期的1.54%；豐水期，氨氮削減效果最佳，削減率為7.42%，枯水期水質變差；豐水期，TN削減效果最佳，削減率為1.83%，枯水期水質變差，TN濃度升高；豐水期，TP削減效果最佳，削減率為4.11%，優于枯水期的0.69%。從全年水質改善情況來看，COD、氨氮、TN和TP削減率分別為1.85%、0.28%、-0.28%和1.15%，只有TN出現濃度上升，其余水質因子濃度均有所下降，水質總體變好。滆湖北水質計算結果對比如表2所示。

3.3 取水口的各項指標改善情況

枯水期，COD削減效果最佳，削減率為5.50%，優于豐水期的5.05%；豐水期，氨氮削減效果最佳，削減率為8.15%，優于枯水期的6.19%；枯水期，TN削減效果最佳，削減率為5.05%，優于豐水期的2.73%；枯水期，TP削減效果最佳，削減率為4.67%，豐水期水質出現惡化，TP濃度有所上升。從全年水質改善情況來看，COD、氨氮、TN和TP削減率分別為4.46%、6.19%、3.88%和2.33%。取水口水質計算結果對比如表3所示。

4 結論

滆湖清淤后，取水口水質改善較為明顯，COD、氨氮、TN、TP的全年削減率在2.33%～6.19%，滆湖北清淤后的水質有所改變，全年削減率在-0.28%～1.85%，滆湖南清淤后水質幾乎無變化。主要原因是清淤工程主要集中在取水口附近，部分位于滆湖北，滆湖南沒有進行清淤。從滆湖水質指標來看，只有COD的削減較為明顯，清淤后未出現指標變差的情況，可見生態清淤是去除內源性污染物的有效措施。底泥清除對滆湖中氮、磷營養鹽含量影響較大，本項目僅對取水口附近進行清淤，取水口附近水體中氮磷有明顯的削減，但是對未清淤的區域（滆湖南）幾乎無影響，因此對滆湖整個區域的改善效果不明顯。從滆湖北的清淤后預測結果可見，即使進行清淤，氮磷濃度并未出現降低趨勢，清淤可能會導致部分區域蓄積在底泥的營養鹽逐步釋放，從而抵消清淤帶來的負荷削減[8]，其隨著上覆水中營養鹽含量的上升而重復累積[9]，使得水中氮、磷濃度升高。根據滆湖近30年環境變化趨勢研究，其富營養化主要與農業面源污染、城鎮化、工業化相關[10]，因此滆湖的治理僅依靠生態清淤難以取得良好的效果，應當遵循“控源、削減、修復”的原則，減少農村生活污水入湖，將生態清淤與生態修復相結合，修復水生生態

系統。

參考文獻

1 紀海婷.常州市備用水源地水量保障與水質安全研究：以滆湖為例[J].資源節約與環保，2021（4）：13-15.

2 李博陽，徐浩陽，吳 定.湖泊底泥氮磷污染特征與環境風險評估：以湖北省枝江市楊家垱湖和陶家湖為例[J].安全與環境工程，2023（5）：235-246.

3 王 江.湖庫內源污染成因及常用治理技術[J].黑龍江環境通報，2021（3）：22-23.

4 楊杏君.生態清淤技術在滆湖治理中的應用[J].江蘇水利，2013（3）：30-33.

5 薄 濤，季 民.內源污染控制技術研究進展[J].生態環境學報，2017（3）：514-521.

6 李添雨，李振華，黃炳彬，等.基于MIKE21的沙河水庫水量水質響應模擬研究[J].環境科學學報，2021（1）：293-300.

7 羅慧萍，逄 勇，徐心彤.江蘇省水功能區納污能力及限排總量計算研究[J].環境工程學報，2015（4）：1559-1564.

8 程 揚，賴錫軍.生態清淤對于橋水庫水質影響的數值模擬[J].水資源與水工程學報，2019（3）：58-65.

9 狄貞珍，張 洪，單寶慶.太湖內源營養鹽負荷狀況及其對上覆水水質的影響[J].環境科學學報，2015（12）：3872-3882.

10 單玉書，沈愛春，劉 暢.太湖底泥清淤疏浚問題探討[J].中國水利，2018（23）：11-13.