基于水质目标的人工生态湖运行方式研究

宋文超，万 俊，符 强，侯晓辉，邢宝龙

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州450016；2.中牟县黄河河务局，河南中牟451450）

生态湖具有雨洪调蓄、景观补水、旅游观光等多种功能。生态湖调度运行即在一定时间内对湖内水体进行更新与替换，使其维持一定水位、水质达到某一标准。目前，关于水库调度运行方式的研究较多，但传统的生态湖调度方式多考虑水量要求，而忽视了水质目标。近年来，随着计算机技术的进步，数值模拟成为了研究生态湖调度运行方式的有效方法，魏珂等［1］根据洪湖多年引水水质构建了洪湖生态环境用水量模型；罗佳翠等［2］通过二维水环境模型进行了牛栏江引水效果预测，得到了滇池水质基本达标所需的调水量；哈佳等［3］利用MIKE21水动力模型和对流扩散模型系统模拟了人工湖不同点位水体交换完成时间，确定了引水流量、引水周期、湖区重污染潜在区域和富营养化高发区。

合理的调度运行方式对维持水体水动力条件以及换水周期，增强水体自净能力，加速水体中污染物降解，提高水体水环境质量，维持水体健康，满足生态和景观需求等具有重要意义。为了模拟人工生态湖建成后的水质状况，以郑州象湖为例，以城市水体水质保护为目标，对人工生态湖水体运行方式进行研究，旨在寻找符合水质要求的大面积水体运行方式，以满足城市水生态建设要求。

1 研究区概况

白沙园区位于河南省郑州市郑汴新区中西部，是郑州都市区重要拓宽空间和中原经济区核心增长重要组成部分。象湖生态工程是白沙园区生态水系工程的一个重要组成部分，位于郑开大道与贾鲁河交叉处，分布于郑开大道两侧，东至前程路，西至杨桥路，南至高庄、白坟两村，北至升平路、祭城路之间。象湖一期工程湖体水面面积37万m2，水体117万m3，包括水源工程、一期湖体开挖工程、防渗工程和退水工程。一期水源工程指引水工程，设计通过沿贾鲁河左岸新开挖渠道从杨桥干渠引黄河水入象湖，渠道长约390 m，设计引水流量为1 m3／s。一期工程位于贾鲁河、郑开大道以北区域，工程总开挖面积约为41.4万m2，开挖方量约为296.25万m3，一期工程建设完成蓄水后，总水面面积可达37万m2，其中浅水区、过渡区及深水区面积分别为4万、24万、9万m2。湖周护岸采用垂直挡墙式护岸和自然生态式护岸，水质控制目标为Ⅳ类。

2 数值模拟模型原理

2.1 水动力模型

象湖水体不存在明显分层现象，采用二维模型即可满足研究需要，经过模型比选，水动力模型采用MIKE21模型中的水动力模块。MIKE21模型中的水动力模块（HD模块）是其核心模块［4］，可以模拟因各种作用力而产生的水位及水流变化，并为水质变化、泥沙输移和溢油污染等其他模块提供必要的水动力学基础，可用于忽略分层的二维自由表面流的模拟［5-6］。基本控制方程：

式中：t为时间；η为水面相对于未扰动水面的高度；h为静止水深；u、v分别为流速在x、y方向上的分量；τsx、τsy分别为自由表面风在x、y方向上对水面的剪切应力；τbx、τby分别为在x、y方向上的底床摩擦应力项；Pa为当地大气压；ρ为水密度；ρ0为参考水密度；f＝2Ωsinφ为科氏力参数（其中Ω为地球自转角速率，Ω＝0.729×10-4s-1，φ 为地理纬度）；g 为重力加速度；f¯v、f¯u为地球自转引起的加速度；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力项；S 为源汇项；us、vs为源汇项水流流速［6］。

2.2 水质模型

水质模型采用ECOLab，ECOLab是MIKE系列模拟软件中的一个功能模块，可以模拟水生态系统中变量之间的转化过程和相互作用，同时可用于描述各种状态变量的沉降、悬浮、吸附和解吸等物理过程，可用于湖泊、河流、湿地水质模拟［7-8］。基本控制方程组：

式中：PC、PN、PP分别为浮游植物含碳量、浮游植物含氮量、浮游植物含磷量；CH为叶绿素含量；IN、IP分别为无机氮和无机磷含量；prpc为浮游植物的产碳量；prch为浮游植物光合作用生产的叶绿素量；unpn、uppp分别为浮游植物摄取氮和磷的量；grpc、grpn、grpp分别为浮游植物被浮游动物牧食后损失的碳、氮、磷的量；depc、depn、depp、dech分别为因浮游植物死亡而损失的碳、氮、磷和叶绿素的量；sepc、sepn、sepp、sech 分别为随浮游植物下沉损失的碳、氮、磷和叶绿素的量；redn、redp分别为水体中的碎屑矿化分解形成的无机氮和无机磷的量；rezn、rezp分别为水体中的浮游动物在呼吸作用的同时释放出的无机氮和无机磷量；depn2in和depp2ip分别为浮游植物死亡后释放的无机氮和无机磷的量；unbn和upbp分别为底栖植物摄取无机氮和无机磷的量；rebn、rebp分别为随底栖植物呼吸作用释放的无机氮和无机磷的量。

3 水动力水质模型建立

3.1 计算区域及网格

结合象湖一期工程规划设计地形资料，构建象湖二维水动力水质模型，模型范围东西向为1.2 km，南北向为0.6 km，湖区网格单元格边长约10 m，局部地形变化较大区域网格加密至5 m，模型网格节点总数1 087个，网格划分见图1。

图1 计算区域及网格划分

3.2 进出边界条件

水动力模型边界条件：湖区入口采用给定流量边界条件，出口采用给定水位边界条件；象湖水质模型考虑了自然风、降雨蒸发及大气沉降的影响，并根据不同的水质条件设置入流水质边界，其中引黄水补水水质条件采用经过沉淀池沉淀后的引黄水实测数据资料，见表1。

表1 引黄水经沉淀池沉淀后的水质指标

4 模拟结果分析

4.1 水动力模型分析

（1）流场分析。分析了不同入流方案对湖区流场的影响。方案一入流方向与贾鲁河纵向大致平行，往北略微偏向湖区；方案二入流方向与贾鲁河相交约30°，往南偏向贾鲁河。湖区流场见图2、图3。从图中可以看出，由于湖体进出口分布在湖区西部，因此湖区西部水体流动较为明显，而湖区东部水体流动较弱。在湖区西部，水流从入口进入湖体并扩散到周围区域，并逐步流向下游，最后从湖区出口流出湖体。方案一和方案二湖区水体流动的主要区别在湖区入口区域，方案一主流在北侧湖区，在南侧靠近贾鲁河处形成了回旋区，方案二主流在南侧靠近贾鲁河处，在湖区北侧形成了回旋区。

图2 方案一湖区流场

图3 方案二湖区流场

（2）换水周期分析。不同方案下湖区换水周期分布见图4、图5。从图中可以看出，湖区西部换水效果较好，而湖区东部水体流动较弱，换水周期较长。在湖区西部，主流区换水时间短，效果较好，回旋区换水时间相对较长。方案一西部湖区北侧换水效果较好，南侧换水周期相对较长；方案二西部湖区南侧换水效果较好，北侧换水周期较长。由不同进口水流入湖方向湖区换水率（见表2）可知，方案一湖区平均实际换水率较方案二的大，说明湖区进口水流入湖方向与贾鲁河纵向大致平行相较于与贾鲁河大角度相交更有利于湖区整体换水。

图4 方案一湖区换水周期分布

图5 方案二湖区换水周期分布

（3）水系补源方案分析。水系补源在方案一（入流方向与贾鲁河纵向大致平行）基础上采用如下方案：方案A，补水、退水同时进行，按1 m3／s流量进水，13.5 d换水一次；方案 B，换水时从正常蓄水位80.36 m先退水0.50 m，水位下降至79.86 m时，开始补水，补水流量为 1 m3／s，13.5 d 换水完毕。

表2 不同方案湖区换水率

自然风条件下，两种补源方案湖区换水周期分布见图6。从图中可以看出，两种补源方案湖区换水周期分布规律相近。经模型计算，自然风条件下，在1 m3／s的换水流量下，湖区西部换水周期小于22 d，湖区东部换水周期22～27 d，补水方案A湖区平均换水周期26 d，补水方案B湖区平均换水周期23 d。

图6 自然风条件下湖区换水周期分布

经计算，自然风条件下，采用补水退水同时进行的补源方案实际换水率为65.9%，采用先退水再补水的补源方案实际换水率为66.6%。自然风条件下，采用先退水再补水方式的湖区换水效果略优于补水退水同时进行方式的。

4.2 水质模型分析

（1）水华风险分析。MIKE ECO Lab软件的优势不仅仅在于可以模拟湖区营养盐浓度在水体中的分布情况，而且能够模拟湖区藻类在合适温度、光照等外界条件下的生长情况。因此通过ECO Lab水质模型模拟在高温、自然光照等条件及营养盐较充足情况下，湖区藻类生长与时间的响应关系，以此得到防止湖区出现水华风险的初步换水周期和换水量，为后续换水工况设置提供参考。

在 1 m3／s流量（即理论换水周期 13.5 d）连续入流条件下，气温、光照等自然条件良好及营养盐较充足时，评估藻类的生长变化。通过ECO Lab水质模型模拟得到湖区叶绿素浓度逐渐增大（见图7），经过18 d左右叶绿素浓度已达到0.030 mg／L，接近《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395—2007）湖泊营养状态评价标准及分级方法中叶绿素浓度大于0.026 mg／L的富营养状态，可以认为此时湖区有一定的水华风险。

图7 叶绿素浓度变化情况

通过以上模拟结果分析可知，在高温、营养盐负荷充足情况下，湖区在连续入流条件下保持时间不宜超过18 d，否则需要加大换水量或者减少入流污染负荷。

（2）生态湖水质年变化分析。模拟生态湖正式运行后不同补换水次数对湖区水质的影响。在正常运行时，根据黄河调水调沙时间，6月下旬至7月中旬停止引水，8月停止10 d引水的基本运行方式来设置工况，确保在合理换水周期下水质达标。换水方式采用在一个换水周期保持连续换水，模拟工况为在入流方向与贾鲁河纵向大致平行，先退水再补水的水系补源方案基础上换水3、4、6、7次4种。工况一换水3次，换水时间为6月上旬、7月下旬、8月中下旬；工况二换水4次，换水时间为6月上旬、7月下旬、8月中下旬、9月上旬；工况三换水6次，换水时间为6月上旬、7月下旬（2次，每次 5 d）、8月中下旬（2 次，每次 5 d）、9 月上旬；工况四换水7次，换水时间为6月上旬、7月下旬（2次，每次 5 d）、8月中旬（2次，每次 5 d）、8 月下旬、9月上旬。

在以上工况条件下模拟计算得到TN、TP、叶绿素浓度年变化情况，见图8～图10。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。5月后，藻类生长加快，湖区营养盐浓度较充足，6月和7月开始富集，导致营养盐浓度较快升高。在湖区增加换水补水次数的情况下，营养盐浓度开始下降，10月气温下降，藻类死亡沉积后开始恢复至正常水平。从全湖TN平均浓度来看，3次换水和4次换水时TN浓度在8月超过地表水Ⅳ类水质标准；6次换水和7次换水时TN浓度除7月满足地表水Ⅳ类水质标准外，其他时段均在Ⅲ类水质标准范围内。从全湖TP平均浓度来看，3次换水时在7月下旬后难以达到地表水Ⅳ类水质标准，4次换水时TP浓度在7月下旬至8月底超过地表水Ⅳ类水质标准，6次换水和7次换水能确保TP浓度在Ⅳ类水质标准范围内。

图8 TN浓度年变化曲线

图9 TP浓度年变化曲线

图10 叶绿素浓度年变化曲线

根据《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395—2007）中湖泊营养状态评价标准及分级方法，TN浓度大于 1 mg／L、TP 浓度大于 0.1 mg／L、叶绿素浓度大于0.026 mg／L时，可以认为水域处于中度富营养化状态，湖区水质处于风险状态。3次换水和4次换水时7月和8月为水华风险时段；由于气温较高，因此在营养盐充足情况下，6次换水和7次换水虽然TN、TP浓度减小，但是叶绿素浓度在7月底至8月初仍然较高，在高温天气条件下也具有一定的水华风险。

综上所述，从指标浓度的年变化曲线看，3次换水和4次换水TN和TP浓度在夏季会超过地表水Ⅳ类水质标准；6次换水和7次换水夏季TN、TP浓度在地表水Ⅳ类水质标准内；7次换水较6次换水对9月以后生态湖水质条件有所改善，但对水华风险的防控影响不大。

（3）生态湖水质优化措施模拟分析。根据上述模拟结果并考虑实际运行管理方式，采用夏季4次换水基础上削减来流污染物及人工湿地处理方式来保证湖区水质达标，并对此进行分析。夏季4次换水时间为7月中下旬2次，8月上中旬1次，8月下旬到9月中旬1次，春季及冬季视水质情况决定是否换水。水质改善措施主要采用地下水补水方式进行换水，或者在环湖滨带布置湿地对湖水进行处理。优化方案见表3。

表3 优化方案

TN、TP及叶绿素浓度年变化曲线见图11～图13。优化方案在整体上与原方案变化趋势相似。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；5月后，藻类生长加快，湖区营养盐浓度较高，6—7月营养盐开始富集，导致营养盐浓度较快升高；在湖区增加换水的情况下，营养盐浓度开始下降，至10月后开始恢复至正常水平。从7月下旬换水开始，由于来流浓度不同及生态优化措施的实施，各指标浓度开始分化。原方案各指标浓度最高，优化方案一水质最好，优化方案三次之。

图11 优化方案TN浓度年变化曲线

图12 优化方案TP浓度年变化曲线

通过对4种方案TN、TP及叶绿素全湖浓度的对比，如果采用4次换水方案，原方案只采用黄河水时TP指标超出了地表水Ⅳ类标准，在夏季无法保证生态湖湖区水质，需要另外补充水质较好的地下水或者对引黄水进行处理。从图11～图13可以看出，优化方案一、优化方案二及优化方案三均可以满足生态湖湖区水质要求。

图13 优化方案叶绿素浓度年变化曲线

为减少地下水使用量、降低运行成本并考虑生态措施，建议采用优化方案三，即引黄水加环湖湿地的生态运行方式。湿地处理水量9 400 m3／d，处理出水水质达到Ⅲ类水质标准下，经模型模拟可以保持湖区地表水Ⅳ类水质。根据《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005—2010），采用垂直潜流式人工湿地来保持湖区水质，水力负荷 1 m3／（m2∙d），停留时间 1 d，规划湿地面积需约0.080 km2。

根据有机负荷来核算湿地面积：

A ＝ Q（ln So-ln Sc） ／（KDn） （10）

式中：A 为湿地表面积，m2；Q 为进水流量，m3／d；So 为进水指标浓度，mg／L；Sc为出水指标浓度，mg／L；K 为反应速率系数，d-1，取 1.36；D 为湿地床深度，m，取 1.2 m；n为孔隙度，取30%。

计算得到湿地面积为0.048 km2。综合上述，采用环湖湿地生态运行方式，湿地面积为 0.048～0.080 km2。

5 结 论

湖区进口水流入湖方向与贾鲁河纵向大致平行时，湖区东部水体的换水周期较西部水体的换水周期长。 在理论换水周期13.5 d的换水流量（1 m3／s）下，湖区西部换水周期小于22 d，湖区东部换水周期为22～27 d。

湖区水质各指标浓度年际变化规律基本相同。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。5月后，藻类生长加快，湖区营养盐浓度增大，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，湖区营养盐浓度下降，并恢复至正常水平。

为保持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类水质水平，建议采用6月换水1次、7月换水2次、8月换水2次、9月换水1次的方式来运行。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环境。考虑实际运行管理方式，建议采用4次换水方式，通过建设垂直潜流式人工湿地来保持湖区水质持续稳定，湿地面积为0.048～0.080 km2。