白马湖水质现状评价及南闸取水口整治工程影响预测研究

2021-01-05郝晓娟王枣枣胡昌旭方建新

江西化工 2020年6期

郝晓娟田鑫王枣枣胡昌旭* 方建新

(1.南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，江苏南京 215000；2.淮安市白马湖投资发展有限公司，江苏淮安 223001)

1 研究背景

白马湖地处淮河流域下游，位于江苏境内的洪泽湖下游地区，是典型的内陆淡水中小型湖泊。从上世纪90年代初开始，白马湖湖滩围垦严重，生态环境遭到严重破坏，逐渐失去其原本的行洪蓄水、维持生态的功能[1]。白马湖是南水北调东线工程输水干线，同时白马湖南闸附近为备用水源地取水口，是淮安市的第二水源地，因此其水质直接关系到南水北调工程水质及淮安市的饮用水安全[2]。白马湖南闸水源地取水口周边整治工程主要包括一级保护区清淤工程和东闸口闸拆建及其他建筑物工程，这些工程是白马湖水源地达标建设的重要举措。目前对白马湖的研究大多集中于对其水质改善和生态环境治理的技术方案和治理效果[3，4]，而对于白马湖水质现状评价和整治工程影响的预测却少有研究。因此，研究其水质现状对于分析白马湖污染特征以及水环境的治理具有重要意义。

本研究利用白马湖2020年的水质监测数据，根据水质综合污染指数和湖泊富营养化评价标准对白马湖水质状况和富营养程度进行分析，同时构建水动力模型，为南闸水源地周边整治工程对湖泊水环境的影响进行预测，研究结果可以为白马湖水环境治理提供依据和技术支撑。

2 材料与方法

2.1 样品采集与数据收集

本研究于2020年5月6日-5月8日及5月16日-5月18日对白马湖南闸水源地进行采样，共设7个采样点，采样点位置如图1所示，监测指标包括水温、pH、SS、溶解氧、COD、BOD5、氨氮、总氮、总磷、石油类、叶绿素，同步监测透明度、流向、流量、河宽、水深、流速等水文参数。

图1 采样点位图

2.2 样品处理和分析

采样及分析方法：地表水环境质量现状监测按照《环境监测技术规范》和《水和废水监测分析方法》(第四版)的要求进行，具体见表1。

表1 地表水监测项目分析方法表

2.3 数据处理和分析

1、现状评价

使用单因子评价法对各点位的水质状况进行评价，根据水质类别来确定各点位的水环境质量状况。单因子污染指数的计算公式为：

Pij=Cij/Sij

式中：Pij为第i种污染物在第j点的标准指数；Cij为第i种污染物在第j点的监测平均浓度值，mg/L；Csj为第i种污染物的地表水水质标准值，mg/L。

综合污染指数的计算公式如下：

式中：P为综合污染指数；Pij为第i种污染物在第j点的标准指数；n为参加评价的污染物项目数。

根据淮安市白马湖南闸水源地取水口周边整治工程方案，在设计水文条件下，采用河道平面二维湖泊数学模型，计算分析疏浚工程对湖泊水位及流场的影响。

2、水体富营养化

根据《地表水环境质量评价办法》(试行)，选取透明度、CODMn、总磷、总氮、叶绿素a五项指标进行富营养化评价，其浓度为年均值，按如下公式计算白马湖综合营养指数：

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

各项参数的营养状态指数计算公式为：

(1)TLI(chla)=10×(2.5+1.086lnchla)

(2)TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

(3)TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

(4)TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

(5)TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)

式中：叶绿素chla单位为mg/m3，透明度SD单位为m；其它指标单位均为mg/L。

3、模型基本原理

(1)湖泊二维水动力控制方程

式中：

(2)平面二维湖泊数学模型的建立

根据白马湖水文水动力特征及污染物可能的最大影响范围，确定水环境影响预测范围为水源地一级保护区、二级保护区及准保护区，共计8km2的水域面积。水文要素预测采用三角形网格划分计算区域，平面共布置3573个节点，6389个网格单元。河段采用1：10000的水下地形等值线图，读取各个计算节点的河底高程。网格布置情况见图2。

图2 网格布置图

(3)验证资料

白马湖地形资料采用2020年3月实测1：10000地形。

白马湖水文资料采用2020年1月白马湖张大门断面监测点位水文测验资料。

(4)初始条件和边界条件

浅水湖泊水动力和水质的变化受边界条件影响强烈，初始条件对计算的影响有限。因此，设置白马湖初始水位5m。

非稳态模型受边界条件影响强烈，边界条件的准确程度将直接影响模拟结果的准确性，以收集到的白马湖周边主要河道(新河、运西河等)数据作为出入湖的边界条件。

3 结果与讨论

3.1 综合污染指数

选取了9项具有代表性的主要污染因子，pH(无量纲)、COD、BOD5、SS、氨氮、总氮、总磷、石油类、溶解氧，分别计算各个点位的标准指数及综合污染指数。如图2所示，从综合污染指数可以看出，水质最差点为W7，已在二级保护区范围之外，并且在水流的下游方向，水中污染物易于聚积而导致水质的降低。水质最好点为W1点，为白马湖备用水源地取水口，位于一级保护区范围内，说明了水源地水质较好。总磷是白马湖南闸水源地的首要污染物，污染分担率约20%，其次是总氮，其污染分担率约15%。

所有样品中总氮、总磷均有超标现象，总氮最大污染指数为2.90(位于二级保护区内)，总磷最大污染指数为2.47(位于准保护区内)，保护区内有两个断面悬浮物超标(分别为东闸口上游500m断面、白马湖出运西河口断面)。白马湖超标原因主要是：①周边存在大量作业渔船，大量养殖户施肥养鱼养蟹导致大量的含氮、磷物质，通过水体交换进入周边沟渠，最终进入白马湖；②湖底底泥沉积，富含有营养物质，形成湖区水体的内源污染；③保护区内住户较多以及周围农田大量使用氮、磷肥。

图3 污染指数图

3.2 水体富营养化状态

如图4所示，白马湖总体水质处于轻度富营养状态，其中位于白马湖备用水源地取水口的W1点的富营养程度最轻，其综合富营养指数仅55.91，而位于下游方向的W7点的综合富营养指数达到了60.81，为中度富营养状态。其中，COD、总氮、总磷的富营养指数较高，说明COD、总氮、总磷是造成白马湖水体富营养化的主要原因。因此，需要严格控制氮磷污染，降低白马湖水体中氮磷浓度，以控制其富营养化程度。

图4 综合富营养指数图

3.3 模型验证

(1)水位验证

2020年1月计算与实测水位见图5。计算与实测水位误差基本在10cm以内，满足规范要求，表明本文模型能够准确地模拟白马湖水位变化过程。

图5 实测水位于计算水位比较图

(2)流速验证

计算与实测流速过程见图6。计算与实测流速大小比较符合，计算流速误差基本在0.02m/s以内，计算与实测拟合较好。可见模型能够合理模拟白马湖水流流速变化过程。

图6 实测流速与计算流速比较图

采用实测水文及地形资料，分别对工程河段数学模型进行了较为系统的验证，包括水位、流速流向验证。通过率定参数，模型计算的水位、流速、流向与实测值较为相符，定量上也比较符合，数学模型的精度基本在规范要求范围内，表明模型能够较为合理地模拟工程湖泊水流运动规律。因此，本模型能够用于进一步开展湖泊水流特性研究及水质型工作。

3.4 模型结果分析

1、流速变化分析

疏浚工程对计算湖泊的整体流场影响不大，工程后流速的变化主要位于疏浚附近局部区域内，主要表现：一是由于疏浚区域河底高程降低，局部流速增大；二是由于疏浚后过水断面增加，断面整体流速减小。由流速变化等直线图可见，疏浚工程实施后，湖泊的流速变化如下所述：

(1)枯水期

枯水期疏浚后白马湖流速表现为有增有减，取水口及一级保护区附近由于湖底高程降低，大部分区域流速明显减小，流速减小幅度为0.0015～0.015m/s；局部区域流速增加，流速增幅为0.0015～0.0045m/s，且取水口及一级保护区北部流向发生变化，由疏浚前的由东向西变为由西向东，在风力及地形的作用下形成局部小环流。由于枯水期水位较低，隔堤和滚水堰将白马湖分为了西湖区和东湖区，二级保护区内隔堤以东区域流速表现为增加，流速增幅为0.0015～0.0045m/s；隔堤以西区域流速基本不发生变化，二级保护区内流向未发生变化。准保护区内流速基本保持不变，流向未发生变化。工程实施前后出入湖河流水流方向不变，出入湖河流水量不变，出入湖河流的水文情势基本不变。

(2)丰水期

丰水期疏浚后白马湖流速表现为有增有减，取水口及一级保护区附近由于湖底高程降低，大部分区域流速明显减小，流速减小幅度为0.001～0.006m/s；局部区域流速增加，流速增幅为0.001～0.003m/s，取水口及一级保护区内流向未发生变化。二级保护区内局部区域流速表现为增加，流速增幅为0.001～0.006m/s，局部区域流速表现为减小，流速减小幅度为0.001～0.008m/s，二级保护区内流向未发生变化。准保护区内流速基本保持不变，流向未发生变化。工程实施前后出入湖河流水流方向不变，出入湖河流水量不变，出入湖河流的水文情势基本不变。