退圩还湖对固城湖水环境改善影响研究

尤佳艺，逄 勇，孙娇娇

(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，南京 210098；2. 河海大学环境学院，南京 210098)

引 言

固城湖，是长江支流水阳江下游一座天然蓄滞山洪的调节湖泊，位于南京市高淳区中南部，是高淳区最重要的集中式饮用水源地[1-2]。

固城湖围垦历史久远，上个世纪80年代前，保证粮食供给是当时社会最迫切需求之一，固城湖周边围圩造田较多。固城湖1949年前面积约78km2，经过建国后的湖滩围垦，今湖面缩小至31.99km2，湖面蓄水能力降低、水体流动减弱，区域水质也有恶化趋势[3]。为提高区域防洪能力，改善湖泊水质、水生态，满足区域供水和灌溉要求，促进地区可持续发展，实施退圩还湖十分必要[4]。

水质模型旨在研究污染物在水中迁移转换规律以及各种因素的作用关系，经过几十年不断研究探索，水质模拟从静态过度到动态，从零维模型发展至多维模型，模型纳入的参数也在不断增加，模型的适用范围也从单一水体演变为某一流域的综合模拟[5]。目前运用较为广泛的水质模拟软件有威廉玛丽大学维吉尼亚海洋科学研究所开发的EFDC、美国环境保护总局开发的WASP模型、丹麦水力研究所开发的MIKE系列模型等等。随着水质模型深入发展，与许多新兴技术的结合，例如云计算、人工智能算法的应用将会大幅度提升模型的计算效率和精度，在与物联网、“互联网+ ”、云技术的碰撞下，未来能够实现数字预警、识别黑臭水体、考察海域污染，凸显实时性、动态性、高速度、尺度广等优势[6]。

本文以固城湖为研究对象，利用MIKE21建立固城湖二维非稳态模型，预测其北部部分圩区退圩后，固城湖湖区产生的水质变化，为退圩还湖改善湖泊水环境提供依据。

1 研究区域概况

固城湖北临石臼湖，东抵太湖湖西地区， 西面是水阳江流域的平原、圩区，南接水阳江流域所属的皖南山区。固城湖为草型浅水湖泊，由于多年围垦，湖泊形态已发生很大变化，由心形湖泊隔离成两个湖区，分别为大湖区和小湖区，大湖区面积约为小湖区的8～10倍[7]。固城湖位置如图1所示。

上个世纪80年代前，保证粮食供给是当时社会最迫切需求之一，加之当时人们对湖泊功能认识不够全面，忽视了湖泊在自然生态系统中的作用，固城湖开发利用的主要方式是围圩造田。固城湖周边主要圩区有永胜圩、永联圩、跃进圩、永兆圩、浮山圩、花联圩等[8]，如图2所示。

图1 固城湖区位图Fig.1 Location of Gucheng Lake

图2 固城湖周边圩区示意图Fig.2 The polder area around Gucheng Lake

根据实际情况，考虑到退圩还湖工程的成本和工程可操作性，选取湖区北部永联圩和永兆圩作为退圩对象，恢复水面6.41km2，固城湖水面面积由现状的31.99km2增加至38.4km2，退圩范围如图3所示。退圩区域为大闸蟹、鱼类养殖塘及塘梗，对其实施清淤，清淤控制底高程为大湖区湖底高程。

图3 退圩还湖区范围Fig.3 The area of returning the polder to the lake

2 研究方法

为了分析固城湖退圩还湖前后湖区总体水质变化，本次研究分别构建固城湖现状与退圩还湖后的二维非稳态水环境数学模型进行水质模拟计算。

2.1 水动力模型基本方程

基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Novier-Stokes方程，并服从于Bonssinesq假定和静水压力的假设[9]。 二维非恒定浅水方程组为：

(1)

(2)

(3)

式中： t为时间；x，y为横纵坐标； h=η+d为总水深=水位+静水深；u，v分别为x，y方向上的速度分量；f是哥氏力系数， ρ为水的密度；S为源项；Sxx、Sxy、Syy为辐射应力分量。

2.2 水质模型基本方程

水质模型方程是以质量平衡方程为基础的，采用垂向平均的二维水质模型，二维水质输移方程为：

(4)

式中：Ci—污染物浓度；u、v—x、y方向上的流速分量；Ex、Ey—x、y向上的扩散系数；Ki—污染物降解系数；Si—污染物底泥释放项。

2.3 模型构建

固城湖为草型浅水湖泊，湖泊水域面积约31.99km2，分为大湖区和小湖区(西北角)，大湖区的湖底高程在5.30～6.30m之间，小湖区湖底高程在5.90～6.20m之间，非汛期正常蓄水位为9.5m[10-11]。主要出入湖河道有漆桥河、石固河、官溪河、胥河等。

在固城湖模型构建中水动力及水质模块考虑了以下特征：①固城湖地形较为平坦，平均水深约为3.5 m，湖流不存在十分复杂的水动力特征；②浅水特性导致水动力、水质指标在垂向近似均匀，垂向不分层，即以垂向平均值表达；③研究区域风向呈明显季风型，模型风场按照多年统计资料，设冬春为东北风，平均风速3.1m/s，夏秋为东南风，平均风速2.7m/s；④构建水质模型时利用胡开明等[12]做的同类型湖泊底泥再悬浮实验研究成果，模块设置底泥TN释放系数为0.25g/(m2·d)，底泥TP释放系数为0.1g/(m2·d)。

根据卫星图提取的固城湖地形、固城湖高淳站(1950～2017年)水位资料以及退圩范围控制底高程和水位，模拟现状及退圩后湖底地形并进行湖泊三角网格划分如图4及图5所示。

图4 现状湖底地形及网格划分Fig.4 Current situation of lake bottom topography and grid division

图5 退圩后湖底地形及网格划分Fig.5 Lake bottom topography and grid division after returning polders to lake

2.4 模型参数确定

根据南京市环境监测站提供的固城湖2017年全年逐月水质监测资料，固城湖的3个常规水质监测点位如图6所示，分别为①大湖区湖心、②小湖区湖心、③取水口。本研究选取①、②点位进行水动力、水质模型参数率定。

2.4.1 水动力模型参数率定

由于固城湖湖区内无水文水位监测站，因此选取大湖区湖心和小湖区湖心点位在丰平枯不同条件下的3天实测水位(分别为7月3日～5日、11月4日～6日、1月9日～11日)进行水动力参数率定。率定得到模型水平涡粘系数Cs取值0.27；湖底糙率用曼宁数表示，大、小湖区湖底糙率存在差异，率定得到小湖区湖底糙率为0.022，大湖区糙率取值为0.018；随着季节变化的风向、风速影响，率定得到风拖曳系数冬春季节(1～5月、12月)为0.001 6，夏秋季节(6～11月)为0.001 2。大湖区和小湖区水位计算值与实测值绝对误差均小于10 cm，如表1所示，水位模型计算值与实测值吻合较好，由此可见，该模型参数选取合理，可以用于模拟并描述固城湖湖体水动力的变化过程。

图6 固城湖水文水质实测点位置Fig.6 Location of hydrological and water quality observation points in gucheng Lake

表1 水位率定验证结果Tab.1 Verification results of water level calibration (cm)

2.4.2 水质模型参数确定

2.4.2.1 水质参数率定

2017年大湖区湖心和小湖区湖心水质(CODCr、TN和TP)计算值和实测值对比如图7、图8所示，水质模型率定得到小湖区CODCr降解系数7～11月为0.07 d-1,11～12和1～6月为0.05 d-1，TN降解系数7～11月为0.03d-1,11～12、1～6月为0.018 d-1，TP降解系数7～11月为0.025 d-1,11～12、1～6月为0.02 d-1；大湖区CODCr降解系数7～11月为0.07 d-1,11～12、1～6月为0.05 d-1，TN降解系数7～11月为0.04d-1,11～12、1～6月为0.03 d-1，TP降解系数7～11月为0.035 d-1,11～12、1～6月为0.02 d-1。两个率定点水质计算值与实测值的相对误差均在15%以内，且趋势较为一致，由此可见，该模型水质参数取值合理。

图7 大湖区湖心水质计算值与实测值对比Fig.7 Comparison of calculated and measured values of lake water quality in center of big lake

图8 小湖区湖心水质计算值与实测值对比Fig.8 Comparison of calculated and measured values of lake water quality in center of small lake

2.4.2.2 水质参数验证

为了对模型水质参数取值的合理性进行验证，提取模型取水口点位水质计算值与实测值进行对比，得到如图9所示的计算值与实测值对比图，计算得到取水口点位水质(COD、TN、TP)计算值与实测值得平均相对误差分别9.7%、6.8%、13.7%。

固城湖水质模型经率定及验证后，率定和验证点位的水质相对误差均在15%以内，在模型误差合理范围内，因此该模型可以用于固城湖水质的模拟与预测。

图9 取水口水质计算值与实测值对比Fig.9 Comparison of calculated and measured values of lake water quality in water intake

3 结果与分析

利用建立的固城湖退圩还湖前后水环境数学模型，分别计算丰平枯三种不同水量条件下固城湖退圩前后的COD、TN、TP水质浓度，选取图6中固城湖3个代表性点位进行退圩还湖前后水质计算结果对比，分析退圩还湖工程对固城湖水质影响，对比结果如图10～图12所示。

图10 大湖区湖心点位退圩前后水质浓度对比图Fig.10 Contrast of water quality concentration in center of big lake before and after returning polders

图11 小湖区湖心点位退圩前后水质浓度对比图Fig.11 Contrast of water quality concentration in center of small lake before and after returning polders

图12 取水口点位退圩前后水质浓度对比图Fig.12 Contrast of water quality concentration in water intake before and after returning polders

由图10～图12退圩前后水质计算结果对比表明，固城湖退圩后相比于退圩前，湖区3个代表性点位的COD、TN、TP水质浓度均改善，改善率结果见表2。

表2 退圩还湖后固城湖水质浓度改善率Tab.2 Improvement rate of water quality concentration in Gucheng Lake after returning polders to Lake (%)

退圩还湖工程拆除了湖区北岸原圩区的蟹塘、鱼塘及塘梗，湖区自由水面面积增加，原圩区养殖塘污染源消失，根据模型预测水质结果，湖区3个代表点位的水质因子在丰平枯时期均有不同程度的改善，其中取水口氮磷平均水质浓度改善可达7.3%和16.1%。固城湖退圩还湖工程对湖区整体水质改善及供水安全存在正效应影响。

4 结 语

本文通过构建固城湖退圩还湖前后的水环境数学模型，在丰平枯不同水量条件下计算及预测退圩前后固城湖湖区水质，选取固城湖三个代表性点位的水质计算结果进行分析得到以下结论：固城湖北岸水产养殖圩区退圩6.41km2后，原圩区变为自由水面不再产生养殖污染，湖泊面积增加，湖区水质整体改善，预测水质因子COD、TN、TP总体分别改善了6.8% 、5.2%、10.0%，退圩还湖工程对湖区水质改善存在正效应影响。