滨江游乐场人工湖水体富营养化整治措施研究

邵咏絮， 逄 勇， 宋为威

(1.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 2.河海大学 环境学院， 江苏 南京 210098)

1 研究背景

湖泊、水库等封闭式水体的富营养化问题已逐渐成为一个全球性的水环境问题[1]。湖体富营养化将带来藻类的爆发，影响藻类生长不仅包括物理、化学和生物等外部因素，比如营养盐类、水温、阳光、透明度和 pH 值等，同时水体中的水动力条件也对富营养化有影响，比如流速[2]、流量[3]和水体扰动[4]等。湖泊富营养化防治历经了从营养盐的控制、直接进行除藻，再到对生物进行调控、实施生态工程及进行生态恢复等过程[5]。从20世纪60年代起，富营养化模型经历了单层、单室、单成分、零维模型到多层、多室、多成分、三维模型的技术发展[6]。同时，随着监测、计算等技术的发展，湖泊富营养化水质预测模型也得到较大发展，目前模拟河湖水动力过程的模型有很多，比如 MIKE、EFDC、QUAL2K及WASP等[7]。

本文以镇江市典型游乐场景观河流魔幻海洋世界为例，主要通过二维水动力/水生态模型，开展对镇江市魔幻海洋世界水动力、水质改善措施的研究。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域

镇江位于东经119°28′，北纬32°15′，属暖温带向北亚热带过渡的季风气候，属半湿润区，湿润温和，四季分明，雨量适中，多年平均降雨量为1 043.8 mm，年平均年蒸发量为925.4 mm，年内最大日蒸发量一般发生在7、8月，最小蒸发量一般发生在每年的1月份。历年来平均气温15.4℃，历史最高气温40.9℃，最低气温-12℃。日照比较充实，多年平均日照时数为2 073.8 h，年日照百分率为47～49%。根据统计资料，全年主导风向E、ENE、ESE(各9%)，多年夏季主导风向ESE(13%)，多年冬季主导风向ENE(9%)。镇江市盛行为东北到东偏南向风，其平均风速偏大，常年平均风速3.4 m/s。引江航道的COD、氨氮、TP、TN和叶绿素a(Chl-a)的浓度分别为3.03、 0.15、 0.039、1.182及0.016 mg/L。

镇江魔幻海洋世界项目所在地块，北为引航道西岸，南为原试办引河，东南侧为金山湖，地块三面环水，项目面积10×104m2。目前项目尚未建成，本文研究内容从规划角度出发，从建设合理性进行论证，对运营后的水质进行预测，以防止出现游乐场水质富营养化及水质满足娱乐用水要求，从而为镇江魔幻海洋世界项目的后期管理提供科学依据。研究区域周边水系和水利工程见图1，项目涉水区内水系、水利工程及土地利用情况见图2。

2.2 计算模型

(1)二维水动力、水质及富营养化模型。计算模型主要包括水动力二维模型、水质及富营养化模型计算。笛卡尔坐标系下的二维水动力控制方程是不可压流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程和动量方程[8]。水质模型是以质量平衡方程为基础的。由于三维水质输移方程包涵很多不可确定的参数，在现有条件下，模型的验证存在困难，考虑到资料及模型计算工作量等因素，采用垂向平均的二维水质模型[9-10]。在富营养化模型计算中，Chl-a的含量是水体富营养化评价的重要指标，主要会受到温度、光照、降水量、酸碱度和营养盐的影响，因而本文以Chl-a浓度作为评价指标，考察营养盐浓度对藻类生长的影响。

(2)模型水质及富营养化参数。光照强度与太阳辐射能量、日照时数、云量有关。日照时数选用邻近城市逐日实测值，结合相关经验公式，求得光照强度，作为模型计算值。水质参数见表1。

表1 水质主要模型参数取值表

根据规划，项目完成后只有游客在各旅游环节会产生一些面源污染。根据《旅游者排污行为与旅游区水环境干扰模式研究》，旅游季主要集中在5月到10月，大量旅游生活污水和种种废弃物不断通过各种途径进入研究区域水体中，该期间游人行为主要集中为观鱼喂鱼和水上娱乐项目(游船)等。计算得游乐场主要环节污染物浓度见表2。

表2 游乐场主要环节污染物浓度(mg/L)

2.3 地形概化

本文采用三、四边形混合网格将镇江市魔幻海洋世界划分了3 812个网格，网格间距为8～10 m左右[11-13]。假定初始时刻湖面是静止的，没有扰动，时间步长Δt=60 s。模型网格以及地形高程示意见图3。

2.4 方案设置

为保障涉水区水质及富营养化满足景观娱乐用水要求，提出两种引水方案控制涉水区水体富营养化，分别如下：

(1)自引方案：当长江水位高于金山湖开闸(机)水位0.3 m时，利用入口1、入口2与出口(位置及自引路线见图4)间的水位差，通过自流方式引水进入涉水区，改善涉水区水质及富营养化。

模型边界条件：初始水位为2.67 m，初始温度为28℃，初始流速为0。

(2)泵引方案：通过1#泵站引引江航道水进入涉水区，改善涉水区水体水质及富营养化状况，“三闸一涵”的位置见图2，规格参数见表3。

涉水区库容约35×104m3，1#水泵单台泵引水设计流量为1.85 m3/s，初步计算开双泵引水27 h即可换水一次，因泵引流量小，不会对水上船只运行等娱乐活动造成影响，所以可以持续泵引。为了保证水体被完全置换，拟定泵引持续时长为30 h。如果关闭1#闸，开启1#泵、2#闸、3#闸4#涵对整个涉水区泵引换水，则大部分水都将从2#闸流出，不能对摩崖区进行有效的换水，因此要对三闸一涵合理调配才能使水体得到彻底的更换；又因为水街区+中心景观湖区库容：摩崖区库容≈3∶1，所以设计泵引方式为第1天0点至22点(持续22 h)冲洗水街区和中心景观湖区，第1天22点至第2天6点(持续8 h)冲洗摩崖区。泵引期间“三闸一涵”及泵开关情况见表4。

镇江魔幻海洋世界受风场影响，但由于风速风向的变化范围较大，难以形成稳定流场，致使得到的湖流规律性不是很好。为了较好地反映风场对涉水区流场的影响，在模型模拟中采用3种频率较高的风速风向，风向分别为E、SE、S，风速均为3.4m/s，模拟这3种风向无引水条件下涉水区流场、水质及富营养化，由于涉水区面积小，引水流量较大，涉水区流场主要受到引水影响，风向对流场影响几乎可以忽略不计，所以仅模拟风频最大的东南风条件下泵引与自引涉水区流场、水质及富营养化。模型计算方案见表5。

表3 “三闸一涵”规格参数

表4 泵引期各时段“三闸一涵”及泵开关情况

表5 模型计算方案

3 结果与讨论

3.1 粒子追踪

结合粒子追踪，在河道入口2#处放置了4个粒子，每个粒子在流场中的运动轨迹及每隔5 h在流场的位置见图5。

分析3种风向下粒子追踪与停留时图可知：

(1)粒子在3种风向下的停留时间为东风>东南风>南风。其中粒子在东风下最大停留时间为125 h，在东南风下最大停留时间为115 h，在南风下最大停留时间为95 h。

(2)粒子在3种风向下均不通过摩崖区，几乎所有粒子都是通过中心景观湖区进入水街一区、二区再进入引江航道，仅在东风作用下有一粒子附着在涉水区东侧岸边。

(3)粒子在景观中心湖区均出现了往复的情况，但最终还是通过水街区流出。

3.2 水动力变化

3.2.1 无引水条件下涉水区流场计算分析 利用构建的镇江魔幻海洋世界水量数学模型，根据上述镇江魔幻海洋世界流场计算方案，计算得到无引水方案下不同风向条件下镇江魔幻海洋世界湖区流场见图6，不同风向条件下模型模拟10 d均能形成稳定流场。

由图6分析稳定后不引水镇江魔幻海洋世界的流场可知：

(1)3个风向条件下中心景观湖区流速均较小，沿岸水深较浅处受风速影响较大，在不同风向下呈现出稍大流速。

(2)3个风向条件下摩崖景区段流场流速很小，仅表面流随风向有轻微移动。

(3)在东风作用下，由于该风向与水街一、二、三期河道垂直，导致流速几乎为0，而在东南风及南风作用下水街一、二期流速变大。

3.2.2 泵引条件下涉水区流场计算分析 结合历年风场资料，取最常见的东南风模拟出泵引22、30 h后涉水区流场图，见图7～8。由图7～8可知：

(1)引水22 h，在中心景观湖西侧由于交界口涉水区骤然变宽，使得水流从运动波变为扩散波，沿着扩散波的方向，相应流量发生变化，流速减小。中心景观湖中区和东区由于水流逐渐稳定，流速也有所恢复。

(2)引水30 h，关闭2#闸，开3#闸和4#涵洞，冲洗摩崖区，摩崖区及出口区流速变大，河道水体很快得到交换，在涉水区东南部位河流转弯处及摩崖区中部，由于宽度比平均河道宽，速度相对减慢。2#闸由于关闭附近形成滞流区。

3.2.3 自引水条件下涉水区流场计算分析 结合历年风场资料，取最常见的东南风模拟出涉水区入口1、入口2与出口水位差(用Δh表示，下同)为0.3 m时流场图见图9。分析稳定后自引条件下的镇江魔幻海洋世界流场可知：

(1)摩崖区的流场在整个涉水区最大，其次是水街区，中心景观湖区流速较小，且部分地区流速小于0.01 m/s，存在滞流区。

(2)对于水街区，水流从河道入口1进入流场，大部分水流通过水街二区、一区进入景观中心湖区，少部分流经水街三区，可知水街二区、一区的流速大于三区。

3.3 水质及富营养化变化

3.3.1 无引水条件下涉水区水质及富营养化计算分析 不同风向条件下模型达到完全稳定状态后得到的涉水区Chl-a分布见图10,TN分布见图11，TP分布见图12，富营养评价综合得分见图13。

(1)3种风向下Chl-a、TN、TP浓度和富营养化综合得分分别为0.014、1.49、0.11 mg/L和58.0分。与流场相契合，3种常风风向无引水条件下，水街区、摩崖区以及与涵洞连接的出口区域的水体水质得不到有效地交换，水流滞留导致水体Chl-a、TN、TP含量均较高。

(2)东风无引水条件下，由于该风向与水街一、二、三期河道垂直，该区域水体Chl-a、TN、TP含量均比其他两个方向的大；东风、东南风条件下，中心湖区Chl-a、TN、TP含量较南风条件下好，前两个风向下中心湖区水体受2#闸门入流的影响较大，中心湖区水体水质一定程度上得到改善；而受出口入流的影响，南风作用下出口区水质较好的范围最大，其次为东南风，最后为东风。

3.3.2 泵引水条件下涉水区水质及富营养化计算分析 泵引水22 h后得到的涉水区Chl-a、TN、TP浓度及富营养化综合评分见图14，泵引水30 h后得到的涉水区Chl-a、TN、TP浓度及富营养化综合评分见图15。

由图14可知：除局部岸边滞留区，东部湖区水体整体得到明显改善，水街区和中心景观湖区的Chl-a、TN、TP均显著降低，分别为0.01、1.42、0.06 mg/L，富营养化综合评分为51.4分。富营养化得分明显降低，为轻度富营养化。

由图15可知：泵引水30 h，摩崖区水体水质得到明显改善，水街区和中心景观湖区的Chl-a、TN、TP均显著降低，分别为0.009、1.36、0.02 mg/L，富营养化综合评分为47.7分。说明引水对湖区水体水质改善效果明显。

3.3.3 自引水条件下涉水区水质及富营养化计算分析 自引条件下涉水区Chl-a、TN、TP浓度及富营养化综合评分图见图16，由图16可知：

(1)自引水对流场水质的改善十分迅速和明显，整个流场的水质与流场规律契合。Δh越大流速越大水质越好富营养化评价得分越低。

(2)对于整个涉水区，在自引期间，Chl-a、TN、TP浓度和富营养化综合得分分别为0.01、1.57、0.03 mg/L和49.8分。中心景观湖区和水街三区的水质相对较差，易发生富营养化。

图1研究区域周边水系和水利工程图图2项目涉水区内水系、水利工程及土地利用情况图

图3模型区域网格及地形高程示意图图4自引线路图

图5 不同风向下粒子追踪与停留时间图

图6 不同风向条件下无引水流速分布

图7泵引水22 h流场图图8泵引水30 h流场图图9自引条件下流场图

图10 不同风向条件下无引水Chl-a分布图

图11 不同风向条件下无引水TN分布图

图12 不同风向条件下无引水TP分布图

图13 不同风向条件下无引水富营养化综合得分图

图14 泵引水22 h后Chl-a、TN、TP和富营养化综合得分

图15 泵引水30 h后Chl-a、TN、TP和富营养化综合得分

4 结 论

(1)粒子在3种风向下的停留时间为东风>东南风>南风。其中粒子在东风下最大停留时间为125 h，在东南风下最大停留时间为115 h，在南风下最大停留时间为95 h。粒子在3种风向下均不通过摩崖区，几乎所有粒子都是通过中心景观湖区进入水街一区、二区再进入引江航道，仅在东风作用下有1粒子附着在涉水区东侧岸边。粒子在景观中心湖区均出现了往复的情况，但最终还是通过水街区流出。

(2)分析水动力、水质及富营养化表明：无引水时，3个风向条件下中心景观湖区流速均较小，沿岸水深较浅处受风速影响较大，在不同风向下呈现出稍大流速。泵引水时，连续泵引30 h的水质好于20 h。自引水时，引江河道与人工湖水位差Δh越大，人工湖水质越好。