厦门筼筜湖东水西调工程引水规模的优选

王欢 陈江海 孙敏华 肖紫薇

摘要 [目的]优化选择厦门筼筜湖东水西调工程引水规模。[方法]基于引清活水改善水环境工程中普遍存在的引水规模与水环境改善效果之间的相关规律，提出采用拐点理论与数值模拟相结合的方法，从水环境改善角度判别东水西调工程引水的适宜规模。[结果]东水西调工程引水的适宜规模为25 m3/s。[结论]该研究结果为东水西调工程在节约经济投入的同时实现环境效益最优化提供了理论依据。

关键词 筼筜湖；引清活水；数值模拟；拐点理论

中图分类号 S27文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）15-0169-03

Abstract [Objective] The aim was to optimize the selection of the diversion scale of the East-to-West Water Transfer Project.[Method] A method combining the inflection point theory with numerical simulation was proposed based on the correlation between water diversion scale and effect of improving water environment. From the viewpoint of improvement of water environment， the appropriate scale for diversion of the East-to-West Water Transfer Project was studied.[Result] The appropriate scale for diversion of the East-to-West Water Transfer Project was 25 m3/s. [Conclusion] The conclusions of the study provide the basis of optimizing the environmental benefits while saving economic input for the East-to-West Water Transfer Project.

Key words Yundang Lake；Clean water diversion；Numerical simulation；Inflection point theory

随着经济社会的飞速发展，城市湖泊大多面临着水环境恶化、水生态系统破坏的严峻形势。究其原因，一方面是城市湖泊自身相对封闭、水流缓慢、水体交换率低的水动力特性所致，另一方面则是人类活动产生的大量污染物所致[1]。引清活水体现了以水治水的思想，其作用不仅仅在于稀释和置换污水，同时还具有激活水体、提高自净能力、恢复水系连通和改善生境等优点[2]。目前，做好外源及内源污染治理的同时开展引清活水，已成为城市湖泊水环境改善的重要手段，在国内外有较多的研究和实践，如引江济太工程[3]、大东湖水网连通工程[4]、牛栏江-滇池补水工程[5]、西湖引水工程[6]、引江济巢工程[7]等。然而，目前研究大多关注引清活水工程对水环境的改善效果，关于科学合理确定引水适宜规模，实现节约经济投入和环境效益最优化方面的研究较少。

厦门筼筜湖是厦门岛内最大的人工湖泊，存在水动力条件差、水质恶化的城市湖泊通病。东水西调工程拟从五缘湾引优质海水入筼筜湖，改善筼筜湖上游湖区水动力条件，进一步全面提升筼筜湖水质。笔者以筼筜湖东水西调工程为研究对象，采用一种拐点理论与数值模拟相结合的方法，从水环境改善角度判别了东水西调工程引水的适宜规模，以期为东水西调工程实现环境效益最优、经济合理提供依据，也为类似城市湖泊引清活水改善水环境工程的科学制定提供思路。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

厦门筼筜湖位于厦门岛西部，濒临西海域，东西长约6.0 km，南北宽0.2～1.2 km，水域面积约1.4 km2，流域面积约37.1 km2。湖区以湖滨中路、湖滨东路、莲岳路为界，分为外湖、内湖，以及干渠、松柏湖、地湖、天湖等上游湖区。

厦门市政府于1988年开始从截污、清淤、引清活水3个方面整治筼筜湖。引清活水方面，目前已建成纳潮导流、西水东调两大引清活水工程。纳潮导流工程利用筼筜湖毗邻西海域的优势，通过西堤闸（4孔闸门，单孔净宽3.5 m，1孔纳潮，3孔排水）纳潮入湖，并修筑导流堤把海水自西向東引至湖东桥下，与原湖水混合后再向西南流经内湖、外湖，最终经西堤闸及第1排涝泵站排出，纳潮换水量每天最大可达145.0万m3；西水东调工程在湖中路湖滨北2号泵站南侧建设一座规模为2.5 m3/s的海水提升泵站，沿着湖滨北路、仙岳路，分别在天湖、地湖、松柏湖、干渠的5处放水，实现筼筜湖上游湖区的水体交换。筼筜湖现有引清活水工程布置见图1。

由于筼筜湖湖道狭长，水深较浅，潮水上溯困难，利用潮位和湖水位差，将西海域的海水经导流渠引入筼筜湖，仅对筼筜湖内外湖的水体水质起到一定改善作用；西水东调工程将导流渠中的海水输送至筼筜湖上游，但由于海水提升泵站规模仅为2.5 m3/s，水体交换水量很小，上游湖区几乎是一潭死水，夏天依旧严重发臭。目前，筼筜湖干渠、松柏湖、地湖、天湖水体发黑发臭的问题仍然比较严重。

东水西调工程基于筼筜湖现有引清活水工程进一步提出：在厦门岛东部五缘湾内湾顶新建1座海水压力泵站，通过压力管道从五缘湾引水入筼筜湖上游的天湖内，途径地湖、松柏湖、干渠、内外湖，最终排入西海域。以期提高筼筜湖上游湖区水动力性能，增加水体自净能力，进一步改善水环境，同时搞活五缘湾内湾水体。东水西调工程示意见图2。

1.2 研究方法

1.2.1 拐点法。

在利用水利工程引清调水改善水环境过程中，存在引水规模越大，水环境改善效果越好，但单位引水规模增量带来的水环境改善幅度越小的普遍规律，反映到引水规模与水环境指标的相关曲线上，即曲线存在明显的拐点区，在拐点区域范围内确定引水规模，可避免由于引水规模过大造成投资浪费，以及由于引水规模过小导致水环境改善效果不佳的情况，从而有效发挥工程效益[8]。

拐点理论在该研究中应用的具体方法：①选取东水西调工程引水流量规模以及筼筜湖主要污染指标无机氮作为相互联系的2个变量；②通过数值模拟，计算不同引水流量规模下对应的筼筜湖无机氮浓度；③绘制引水流量规模与无机氮浓度的相关曲线图；④分析相关曲线图，目估判别拐点范围，在拐点范围内最终确定适宜引水规模。

1.2.2 数值模拟法。

为了科学获得东水西调工程引水流量规模与筼筜湖无机氮浓度相关曲线，进一步运用MIKE21FM模型軟件建立筼筜湖二维水动力水质数学模型，进行数值模拟计算。

1.2.2.1 模型建立与参数验证。

采用非结构三角网格对筼筜湖进行网格剖分，能较好地拟合筼筜湖复杂的边界，控制网格边长在10 m左右，共划分27 986个计算网格，15 352个计算节点。在网格剖分的基础上，导入筼筜湖实测湖底地形高程数据，采用自然邻域法进行插值，得到筼筜湖地形文件。筼筜湖计算网格见图3，水下地形见图4。

以2015年8月筼筜湖海水提升泵站处水位实测数据以及湖区14个水质监测点位无机氮实测数据作为验证数据，进行模型水动力、水质验证，水位、水质监测点分布见图5。计算结果表明，水位模拟值与实测值平均误差为14.3%（图6）；无机氮模拟值与实测值平均误差为13.3%（图7）。模型误差在可接受范围内，说明该模型可用于模拟筼筜湖水动力水质变化过程。

1.2.2.2 模拟工况与计算条件。

根据初步经济技术可行性分析，设定东水西调引水流量规模分别为5、10、15、20、25、30 m3/s，据此形成6组模拟工况，并以东水西调引水流量为0 m3/s的筼筜湖现状运行工况作为对照工况。工况模拟计算条件如下：

①计算时段。

根据筼筜湖水质监测资料，雨季8月湖区平均水质最差，且以降雨期间水质恶化最严重。故选取2015年8月作为工况模拟计算时段，并选取8月24日典型雨天（雨量56.8 mm）的计算结果进行分析。

②水动力开边界条件。

根据西堤闸和第1排涝泵站2015年8月实际引排调度记录设置边界流量。

③水质开边界条件。

根据2015年8月实测水质数据，西海域来水无机氮浓度设为0.83 mg/L，东水西调来水（五缘湾内湾）无机氮设为1.04 mg/L。

④污染源条件。

筼筜湖周边共有27条排洪沟可能对湖区产生污染输入，在模型中将各排洪沟概化为点源，根据排洪沟截流倍数及其收水范围内不同降雨条件下产污量核算情况确定点源输入条件。

2 结果与分析

选取筼筜内外湖7个特征点、干渠2个特征点、松柏湖5个特征点、地湖1个特征点、天湖1个特征点，特征点位置分布见图8，提取不同引水流量规模工况下特征点的无机氮浓度计算值，绘制引水流量规模与无机氮浓度的相关曲线（图9、图10）。

由图9可知，东水西调工程引五缘湾水入筼筜湖后，筼筜湖上游湖区（天湖、地湖、松柏湖、干渠）水质改善效果显著，各特征点无机氮浓度随引水流量规模的增加而减小，曲线呈单调递减趋势，有较为明显的拐点区域。经目估判别，总体上当东水西调引水流量规模达到15～25 m3/s，上游湖区无机氮浓度下降趋势明显减缓，25 m3/s以上逐步趋于稳定，即总体拐点区域为15～25 m3/s。其中，天湖在引水规模增加到5 m3/s之后，无机氮稳定在1.0 mg/L左右；地湖在引水规模增加到15 m3/s之后，无机氮稳定在2.5 mg/L左右；松柏湖在引水规模增加到20 m3/s之后，无机氮稳定在2.0～3.5 mg/L，但由于S2号点位于支汊中，其水质基本无变化；干渠在引水规模增加到25 m3/s之后，无机氮稳定在3.0 mg/L左右。

由图10可知，对于筼筜内外湖而言，东水西调引水规模从5 m3/s增加到30 m3/s，各特征点水质变化很小，引水流量规模与无机氮浓度曲线无明显变化趋势及拐点区域，说明东水西调工程对内外湖基本无水质改善作用，在引水规模优选过程中不将其作为参考。

结合拐点区域目估结果分析，并考虑筼筜湖上游湖区水环境质量全面提升的需求，东水西调引水流量规模宜设定为25 m3/s，低于25 m3/s难以保证干渠实现水质改善效果的最大化，高于25 m3/s则会导致水质改善效率较差。

3 结论与讨论

东水西调工程对筼筜内外湖水质提升作用较小，对筼筜湖上游湖区水质改善效果显著。上游湖区引水流量规模与无机氮浓度相关曲线存在明显拐点区域，拐点区引水流量规模为15～25 m3/s。考虑筼筜湖上游湖区水环境质量全面提升的需求，东水西调引水流量规模宜设定为25 m3/s。

筼筜湖上游湖区边界曲折、支汊较多，东水西调工程来水在天湖单点集中释放会导致部分区域水体难以得到有效置换，在优选和确定引水流量适宜规模的基础上，应进一步开展分布式引水优化布点的研究。

参考文献

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[2] 薛欢.城市湖泊引清调水数值模拟与调度模式研究[D].南京：河海大学，2007.

[3] 田向荣，马巍，廖文根，等.调水对梅梁湖、五里湖水环境影响研究[J].人民长江，2007，38（2）：69-72.

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