洪泽湖水质模型应用设想

张靖雨 姜永生 操家顺

洪泽湖水质模型应用设想

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1 概述

开辟冯铁营引河等工程措施是浮山以下段行洪区调整的重要内容之一，冯铁营引河开挖对洪泽湖的水质及周边环境将产生一定影响，为此需要对冯铁营引河建设对洪泽湖水质的影响进行模拟分析。洪泽湖水环境影响研究主要通过建立输入—响应模型，参照典型年洪水和来水水质，分析冯铁营引河开挖后的调度运行对洪泽湖湖区的水质影响范围和程度，研究淮河干流不同来水水量水质条件下冯铁营引河的启用时机和水环境保护调度运用方案。

1.1 洪泽湖概况

洪泽湖为淮河流域最大的湖泊型水库，也是中国五大淡水湖中的第四大淡水湖泊。西纳长淮，南注长江，东临黄海，北连沂沭，湖面分属江苏省淮阴市的盱眙、洪泽、淮阴3县和宿迁市的泗阳、泗洪2县。洪泽湖属浅水湖泊，湖盆呈浅碟形，湖底十分平坦，湖区地形总趋势为西高东低，湖底为现代河湖沉积物所覆盖。

注入洪泽湖的主要河流有淮河、新汴河、怀洪新河等，分布于洪泽湖的西岸。出湖河道主要是东岸的三河（入江水道工程）、淮河入海水道、二河（下游为淮沭新河）和苏北灌溉总渠，其中三河是最大的出湖河道。大部分区域的耗氧有机污染状况稍好，而湖泊的富营养状况不容乐观。

根据江苏统计年鉴（2006）数据显示，截至2005年底，涉湖的淮、宿两市总人口1052.31万，土地面积18627km2，地区生产总值937.74亿元。农林牧渔业从业总人口220.27万，总产值401.77亿元，占地区生产总值的42.8%；渔业生产总值58.62亿元，占农林牧渔业总产值14.6%。

1.2 冯铁营引河概况

随着经济发展、人口增加、城市化进程的加快，淮河流域防洪安全要求不断提高。从2003年、2007年洪水的情况看，淮河中游仍存在着行蓄洪区难以及时启用、广大平原洼地排水出路不畅、涝灾严重等问题。水利部将淮河干流行蓄洪区调整作为治淮19项骨干工程重要组成部分。而开辟冯铁营引河等工程措施是浮山以下段行洪区调整的主要工程内容之一。

冯铁营引河的开挖将影响洪泽湖周边的排涝，对洪泽湖的流场流态以及生态环境都将产生一定影响，并有可能导致淮河中上游污水直接进入洪泽湖中心湖区。由于淮河干流历史上发生过污染事故，因此需要结合来水水质水量研究工程运行对洪泽湖区水质的影响。

1.3 水质模型简介

水质模型的发展从时间上经历了以下三个阶段：1925年至20世纪70年代中期，主要开发了比较简单的生化需氧量和溶解氧（BOD-DO）的双线性系统模型；20世纪70年代初期到80年代中期，水质模型发展为六个线性系统，以多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等为特征的多种模型研究都有了迅速发展。20世纪80年代中期至今，水质模型研究进入到深化、完善与广泛应用的阶段。

水质模型目前的研究方向是与全球经济的快速增长、环境问题的日益突出以及不断更新的科技变革密不可分的。

2 洪泽湖湖区水质模拟的必要性

一维模型对于湖泊及水库来说是反映垂向梯度的。基于洪泽湖湖区情况，简单地将湖泊划分成完全均匀混合的垂向水平层将给水质模拟带来较大误差。而要准确模拟又长又深的洪泽湖中的水质情况，纵向和垂向的水质梯度同等重要。同时一维水质模型不考虑污染物与河水的混合过程而假设在排污口断面处瞬时充分混合均匀，只适用于预测符合一维动力学降解规律的污染物如BOD、COD、有机毒物和重金属等单项指标的污染物，适用于充分混合段。而对于湖泊这种无法忽视混合过程的情况，必须采用二维模型进行预测。

常用的水质模型软件有很多，包括Streeter-Phelps模型、QUAL模型、WASP模型以及Mike模型体系等。WASP模型具备了可视化的Windows操作界面，计算简便速度快，且可模拟水体中绝大多数污染物，同时WASP软件能够方便地和多种水力学程序如EFDC、DYNHYD5等对接，具有高效的富营养化和有机污染物处理模块，其计算结果与实测结果可直接进行曲线比较。因此对于洪泽湖水质模拟考虑应用WASP软件来进行。

3 水质模拟

通过对淮河干流和洪泽湖湖区的历史水文、水质、湖底地形等基本资料进行处理，分析研究范围内污染源、水量和水质变化规律。选择适合的水质指标后，建立相应水质指标的多元耦合氧平衡方程。水质模型以湖泊水动力学模型为基础，通过WASP与EFDC水动力模块耦合建立洪泽湖湖区二维水质模型。

WASP模型水质模块的基本方程式质量守恒方程：

式中 C为水质指标浓度；Ux、Uy、Uz为流速；Ex、Ey、Ez为河流的纵向、横向和垂向扩散系数；SL为污染源负荷；SB为边界负荷；SK为动力转换项。

湖泊水质模型概化采用正方形网格，采用有限差分的数值格式求解模型方程，利用实验室化验值估算法对重点参数进行率定，拟选择一个典型年的水污染事故数据对水质模型进行模拟验证，Nash确定性系数R2为似然判据，验证采用目标函数为效率系数。最后采用扰动分析法对优化参数进行灵敏性分析。

建立洪泽湖湖区水质模型对洪泽湖湖区水质进行模拟，同时对模型参数的灵敏性分析后能够准确评估各参数的不确定性对模型运行结果的影响大小，在水质预测中可重点提高对模型结果影响程度大的参数的准确度。

4 展望

通过本次研究工作，预期成果为一套模拟较为精确、性能较为稳定的洪泽湖水质二维模型，筛选出几个对模型结果影响最大的水质参数指标，例如污染物在水体和底泥中的迁移、转化和衰减参数以及横向转移扩散速率等参数，为以后洪泽湖的水质预测研究提供参考，也为进一步研究不同水质水量条件下冯铁营引河的启用时机和相应的水环境保护调度方案，为浮山以下段行洪区调整和建设的前期工作提供技术支撑

1.河海大学环境学院 210098 2.淮河流域水资源保护局 233001）