基于集中与分布式引水相结合的城市湖泊水质改善方法

傅宗甫，俞国青

(河海大学水利水电工程学院，南京 210098)

湖泊为城市重要的水文景观和城市居民的休闲场所，随着城市人口的增加，污染负荷渐增，湖泊富营养化程度日趋严重[1-2]．为了改善城市湖泊水质，有关地方政府给予了高度重视，采取了各种治理措施[3-4].这些措施可归纳为截污、清淤和引清增加水动力3类．截污主要是切断污染源，清淤主要是清除已经污染的底泥，而引清主要是增加水动力、加快水体的自净能力[5-7]．3种治理措施中，通常截污为先，截污是治本．清淤需要运用适当的方法并进行监控，以免处置不当，引起二次内源污染．其他治理方法还包括生物学和化学方法[8-10]．前者目前还处在试验阶段，根据治理具体对象的特点因地而异，且尚需作较长期观察[11-12]．对于后者，例如化学杀藻法，有时见效虽快，但疗效维持时间较短且可能产生副作用．

引水增加水动力是一种见效较快的水环境治理方法，但需要持续或定期运用．当前城市湖泊的引水改善水质，多采用集中引排方法[5]．城市湖泊规模虽小，但通常呈半封闭型以及无天然河流径流补给状态，且湖岸曲折多弯，因此集中引排方法常存在一些死水区．死水区内的水体由于水动力不足(不能流动)，区域内的水体不能与引入的水体充分交换排出湖外而得不到有效更新，影响了湖泊引水改善水质的总体效果[13]．

笔者尝试采用集中引水结合分布式引水的方法，结合具体工程运用数学模型进行模拟分析，并与集中引排方法的水质改善效果进行了分析对比．结果表明，该集中引水与分布式引水相结合的方法可以使死水区内的污水与引入的新鲜水体充分交换，并且产生向湖泊出口的流动，使水体得到更新，可显著提高城市湖泊水质的改善效果．

1 分布式引水点位置、流量及参数确定

分布式引水通常作为较大流量集中引排时的附加措施，目的是减少或消除湖湾死水区，增加水体流动．对具体的湖泊，分析时通常采取以下步骤．

(1)根据当地的水源条件及水流进出湖泊的通道，选择合适的主要引排地点，选择的原则是尽可能使引排地点相隔较远，使引排主流穿越湖泊主要水体，尽量营造从进口到出口的单向流动形态，避免引排口间水流“短路”，并减小死水区．

(2)分析判断集中引排后可能出现的死水区的位置及其水体在景观水位以下的体积Vi，并按照设定的引排方式、更新周期，确定这些死水区的平均水力驻留时间 T[14]，初定分布式引水点位置，并初步估计分布式引水流量 Qdi＝Vi/T，平均水力驻留时间一般为1～2 d，本文的平均水力驻留时间T取1 d．

(3)运用数学模型，分别对集中引排和集中引排与分布式引水相结合的运行工况进行模拟计算，根据计算分析结果，必要时对初定的补水地点和初估的补水流量做相应调整．

分布式引水点的出水设施可采用明渠、潜堰或设有沿线出水狭槽、孔口或管嘴的水下管道．引入水在引水点的出水方向、出水长度和出水深度也是需要密切关注的问题．设置的原则是尽可能有效地消除死水区，增加死水区的水流动力，改善死水区水质，同时兼顾出水处附近的环境景观；出水流速及垂直面上出水方向的确定还应注意避免引起出水口附近的底泥上扬．

2 引排水操作模式

在对工程布置方案进行选择时，尚需考虑相应合理的引排水操作模式．引排换水更新湖内水体的一般程序可以是先引后排、先排后引或边引边排等．由于城市湖泊为城市景观水体，湖岸外地势平坦，不宜用先引后排方式．由于受到景观水位要求以及湖泊出口条件的限制，一般也不可能采用单一的先排后引方式．因此，考虑景观要求并为提高引排换水改善湖内水质的效果，可利用出口的控制设备进行控制，开始时先从出口排水，将湖水位预降一定深度，以预先排出部分湖内浊水；然后边引边排，并视湖内水质改善状况相机停止排水，再继续引水直至湖内恢复到正常水位．

引排水操作可采用分布式引水先于集中引水、先上游后下游、先半封闭水域后邻接湖湾区的顺序进行．为了提高换水效果，还应力图避免分布式引水点附近的水域在集中引水时形成明显的回流．

分布式引水点的位置、引水流量、出水参数以及引排操作程序的选择，其目标是努力营造更新湖泊水体的有利流动态势，增加水体动力，提高水质的改善效果．

3 数学模型

为了分析比较各种引排工程布置和引排操作条件下湖泊内水体的更新效果，选择较佳的工程布置方案和引排操作程序，可利用数学模型对相应的流场和浓度场进行数值模拟，并对相应的结果进行分析．城市湖泊水深较小，相对于水深，平面尺度较大，可用沿水深平均的二维数学模型，它们包括水动力数学模型和表征污染物输移的数学模型．

3.1 水动力学数学模型

连续性方程

动量方程

其中

式中：U、V分别为 x、y方向的水深平均流速；h为水深；νt为涡动黏性系数；zb为床面高程；ρa为空气密度；wa为风速；CD为风应力系数；τax、τay为作用于水面上的风应力在 x、y方向的分力；ρ为水密度；g为重力加速度；C 为谢才系数；τbx、τby为床面摩阻力在x、y方向的分力．

同时借助水质点的运移追踪，在引水开始时，于各分布式引水点附近湖湾内代表性位置处投放标记质点．根据计算进程，追踪这些质点，逐一记录它们随流移动的位置．对每一标记质点，连接其逐时移动的位置形成该标记质点的运动轨迹．据此可直观地考察这些标记质点的运移路径．当按相等时间间隔在其迹线上标注其逐时位置时，则可在此轨迹上直观地分辨这些质点何时到达何种位置，另外，还可根据迹线上标注点的疏密判断当地流速的快慢．

3.2 污染物输移数学模型

为了从总体上阐明换水的效果，需对湖中可溶性表征污染物在引排换水过程中的掺混稀释输移进行分析．

设原湖泊中可溶性表征污染物的浓度为 c0，引入水的水质表征浓度为 c1，引水后湖中水质表征浓度为 c，不计引排期间污染物的降解(即视为保守性物质)，并忽略在此期间湖周边地区污染物的输入，则直角坐标系中的输运方程为

式中 Dt为弥散系数，在没有率定的实测资料时，常用一些经验公式结合计算经验估算，取值范围为 0.12～3,m2/s，考虑到本模型网格尺度甚小，按经验估计并经试算，取弥散系数Dt＝1,m2/s．

运用式(8)并利用相应工况下流场数学模型逐时计算所得的流速，计算湖中水质表征浓度c随时间的变化．

将上述方程组变换为曲线正交坐标系下的形式，连同相应的边界条件和初始条件，运用有限体积法离散求解[15]，可得到湖内不同工程布置方案和引排操作条件下湖内水体的逐时流场和浓度场．

4 应用实例

图1为一城市湖泊平面图，湖面面积约82 hm2，景观水位 6.2,m 以下，水体体积 160×104,m3．该湖分南北两湖，其间由总宽 4,m 的无压箱涵连通，湖中有若干小岛．从图中可以看出，该湖湖岸边界复杂，存在多个湖湾．图中同时表示了主要引排水口、10个分布式引水点位置及出水方向．分布式引水采用水下管道附设出水短管的出水设施，出水深度为出水口附近在距湖底0.4～0.5倍当地水深的高度处，垂直面上出水，方向水平．

图1 城市湖泊平面示意Fig.1 Plane sketch of urban lake

应用本文建立的数学模型，对引排工程布置和引排操作条件下的湖内流场和浓度场进行了对比模拟，表 1为两种计算工况的引水流量组合．计算中假定引排开始前全湖水质表征浓度均匀，c0＝40,mg/L，引入水的水质表征浓度c1＝20,mg/L．

表1 计算引水流量组合Tab.1 Computational combinations of water diverting discharge

4.1 集中引排方案

图2为集中引排方案(从南湖进口集中引水6,m3/s时)的湖内流场．图3为集中引排水开始时投放于分布式引水点的标记质点在此过程中的运移轨迹．图4给出了自引排水开始后60,h湖内的水质浓度场．

从仅用集中引排水的流场、浓度场和标记质点在此过程中的运移轨迹可以发现，单从南湖进口集中引水时，计算的湖内流场显示，该湖的一些湖湾区基本上是死水区，水体停滞不动．而从该条件下的浓度场也可以看出，各湖湾区水质浓度仍然很高，例如补水点 6-1#附近的湖弯区，引排开始后 60,h的水质浓度仍达38.3,mg/L左右．

这些湖湾地区的浓度较引排开始时的浓度略微降低仅仅是由于扩散的作用．由图 3可见，在这些地区引排开始时投放的质点仍然停留在原地附近，表明这些区域实际上为死水区．因此，单靠湖泊进出口集中引水和排水并不能有效地更换湖湾区的水体，湖内水质改善的总体效果较差．

图2 集中引排水湖内流场示意Fig.2 Flow field of concentrated water diverting

图3 集中引排水标记质点运移轨迹Fig.3 Marked particle moving tracing of concentrated water diverting

图4 集中引排60 h后湖内水质浓度场Fig.4 Water concentration fields 60 h after concentrated water diverting

4.2 集中与分布式结合引排方案

图5是进口集中引水4.00,m3/s、分布式引水点总引水流量1.99,m3/s条件下，自引水开始后12,h的湖内流场．图6显示了引水开始时投放于引水点的标记质点在此过程中的运移轨迹．图7为初始48,h进口集中引水4.00,m3/s、分布式引水点总引水流量1.99,m3/s，而后 12,h各分布式引水点继续引水，但进口集中引水流量降至1.00,m3/s条件下，自引水开始经 60,h湖内的水质浓度场．

对湖湾区的水体更新而言，进行岸边分布式引水促使水流向湖湾外流动将是一种有效的方法，一般地，岸边分布式引水的作用是为了将原来此地的死水流动起来，将“脏水”挟带出去．从图 5的流场可见，集中引水与分布式引水结合以后，湖湾区内的水体向外流动．图 6中的结果表明，引水开始时投放于引水点的标记质点一直朝湖出口方向运动．表 2给出了集中引排和集中与分布式结合引排各引水点附近湖湾水质浓度比较．

从表 2、图 4和图 7的比较可知，采用集中与分布式引水相结合的方法对于提高全湖的水质改善效果作用明显，如引水点 6-1#附近的湖弯区，引排开始后 60,h的水质浓度由集中引排的 38.3,mg/L左右降至21.3,mg/L；而且在上述两种方案中，集中与分布式引水相结合的方法引入的水量约为集中引排方法引入水量的90%．

图5 集中加分布式引水湖内流场Fig.5 Flow field of concentrated and distributed water diverting

图6 集中加分布式引水标记质点运移轨迹Fig.6 Marked particle moving tracing of concentrated and distributed water diverting

图7 集中与分布式引水60 h后湖内水质浓度场Fig.7 Water concentration fields 60 h after concentrated Fig.7 and distributed water diverting

表2 集中引排和集中与分布式结合引排各引水点附近湖湾水质浓度Tab.2 Lake bay water concentration of concentrated Tab.2进 water diverting，concentrated and distributed Tab. 2 water diverting

5 结 论

(1) 为了改善城市湖泊的水质，除了截污、清淤等重要措施以外，引清促活是改善城市湖泊水质的一种见效较快的方法．

(2) 城市湖泊往往湖岸曲折多弯，集中引排方法常存在一些死水区，其中的水体缺乏水动力条件，水质得不到有效更新，影响了引水改善湖泊水质的总体效果．

(3) 集中引水与分布式引水相结合的方法可明显减小或消除湖湾的死水区，显著提高全湖水质改善效果．

(4) 采用集中引水与分布式引水相结合的方法，在选择较佳的工程布置方案和引排操作程序时，可运用数学模型分析及相应的技术经济进行比较．

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