基于耦合模拟的生态需水量计算方法在城市湖泊中的应用

苏妍妹

【摘要】该基于耦合模拟的生态需水量计算方法，在水力学法的基础上，通过MIKE21水动力水质模拟软件模拟计算，引入了营养盐的对流扩散和植物、藻类的生长富集过程，模拟了湖泊水质污染、富营养化过程，科学合理地确定城市湖泊的生态需水量，保障城市河湖水系的生态环境用水，从而促进水资源的可持续发展。

【关键词】耦合模拟；生态需水；城市河湖

城市河湖水系是城市中水陆作用相互交织形成的具有多种功能和价值的生态系统，在城市发展过程中发挥着无可取代的作用。然而，随着城市化进程的加快，频繁的人类活动给城市河湖水系带来很大的挑战，城市河湖水系面临着严重的水资源短缺、水环境污染和水生态退化等问题，这些问题大大降低了城市河湖水系对城市经济和社会可持续发展的支持能力。在这种情况下，研究生态环境需水量成为一个迫切问题。

1、概述

目前国内外计算河流生态需水量的方法较多，研究理论和方法发展较快，从河流逐渐扩展到区域、湿地、湖泊和城市水系等，应用最为广泛计算方法包括：Tennant法、逐月频率法、7Q10法、水生物基流法、可变范围法、德克萨斯法（Texas）、年内展布计算法、河流基本生态环境需水量法等。

2、基于耦合模拟的生态需水量计算方法

城市湖泊承担着防汛、供水、调节城市生态平衡、美化城市风貌等重要职能，城市湖泊生态环境功能的正常发挥与其水体和湖滨带的健康状况密不可分。城市湖泊属于吞吐型湖泊（即有地面水流入，也有河流自湖中流出的湖泊），生态环境需水组成如图1所示。

2.1 补充蒸发渗漏需水量

根据测量资料，某城市湖泊水面面积10.33万m2，平均水深2.5m，水体规模25.83万m3。该地区多年平均蒸发量1200mm，多年平均降雨量627mm。湖泊是人工开挖形成，运行多年，湖底没有防渗，水体的渗漏量暂按水体规模的20%计。补充湖泊蒸发渗漏需水量为8.78万m3。

2.2 维持湖区水质需水量（耦合模拟）

2.2.1 湖泊水质模拟

1）参数的设置

采用MIKE21 水动力水质模拟软件，湖泊耦合模型主要考虑了降雨、蒸发及大气沉降的影响。模型中考虑的作用力条件包括水温、SS和光照强度。其中，水温、SS及光照强度参考相似湖泊成果。

2）模型的构建

根據项目区工程区实测地形数据以及岸线形态和水下地形，划分计算网格。模型网格的划分采用三角形非结构网格，浅水区形成的网格密度较大，以保证模型构建的精确性。

2.2.2 需水量的确定

根据《地表水资源质量评价技术规程》（SL395-2007），TN浓度大于1mg/L，TP浓度大于0.1mg/L，叶绿素浓度大于0.026mg/L时，可认为该水域处于中度富营养化状态，湖区水质处于风险状态，需要进行集中换水。

根据水质监测结果，上游来水水质为地表水Ⅲ类，考虑各类污染源输入的情况下，湖区水质各指标浓度的年际变化规律基本相同。在春季气温较低，藻类生长基本停滞，TN、TP浓度维持在较低水平。4月后，随着降雨的增多和雨量的增大，湖区营养盐浓度开始增大，藻类生长加快，6月和7月开始富集，导致营养盐浓度较快升高。10月气温开始下降，藻类死亡并沉积，湖区营养盐浓度开始下降，并恢复到正常水平。

为保障湖区水质，考虑两种情况：①保证湖区水质满足景观用水水质要求（最小生态需水量），②保障湖区水质在夏季恶劣情况下不超过地表水Ⅳ类、平时保持在Ⅲ～Ⅳ类水质水平（适宜生态需水量），来对湖区水体进行集中换水。最小生态需水量：建议采用4月-6月每月换水1次，7月-9月每月换水2次的方式来运行，全年共换水9次；适宜生态需水量：建议采用1月-3月换水一次、4月-8月每月换水二次共十次、9月换水三次、10月-12月换水一次的方式来运行，全年共换水15次。如遭遇持续恶劣高温天气，可考虑及时换水以保证湖区良好水质。

2.3 湖滨带生态环境需水量

湖滨带生态环境需水定额采用280m3/亩，湖滨带绿化面积约3.62万m2，需水量为1.52万m3/a。

2.4 湖泊生态环境需水总量

经计算分析，该城市湖泊生态需水量详见下表2。

3、结语

本次基于耦合模拟的生态需水量计算方法，对于城市湖泊采用建立模型进行水质模拟，根据模拟结果确定了两种生态需水量：最小生态环境需水量和适宜生态环境需水量，最小生态需水量满足湖泊水质满足景观水体水质要求，适宜生态环境需水量满足湖区水质在夏季恶劣情况下不超过地表水Ⅳ类、平时保持在Ⅲ～Ⅳ类水质水平。该生态需水量计算方法对于确定城市湖泊的引水规模，确保水体水环境质量具有重要意义。

参考文献：

[1]汤洁，佘孝云，林年丰，等.生态环境需水的理论和方法研究进展[J].地理科学，2005，25（3）：367-373.

[2]杨志峰，崔宝山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.