引调水改善玄武湖水质的水量优化方法

2021-08-14宋为威

水资源保护 2021年4期

逄敏，宋为威，钱程

(1.南方科技大学环境科学与工程学院,广东深圳 518001； 2.河海大学环境学院，江苏南京 210098)

我国是一个多湖泊国家，湖泊在社会经济发展中发挥着供水、灌溉及防洪等功能，但是由于我国城市化发展使得大中城市的农业逐步减少，三产逐步增加，部分湖泊的功能从供水型转向过水型。尤其是城市内湖，大量的生活污水由于市政污水管网建设的滞后使得部分城市内湖污染严重。调水引流是城市湖泊水生态修复的一项常态化工程，也是重污染负荷、自净能力差的浅水型湖泊水量水质改善的有效方法。目前全世界广泛实施调水工程，美国东水西调保障了加州等西部地区的工业用水和生活用水[1]；澳大利亚的雪山调水工程枢纽改善了内陆干旱缺水的状况[2]；埃及西水东送跨越亚非两洲缓解了粮食短缺问题[2]；秘鲁东水西调保障了东部沙漠地区水资源短缺问题[3]；俄罗斯伏尔加河运河为首都提供稳定的水源，缩短了航运距离[4]。中国的人口分布和地理差异使得我国因地制宜地实施了大量的调水工程，著名的有南水北调、引江济太、引哈济党及东深引水等。调水工程的实施，有效缓解了水资源分配不均与水生态环境恶化的紧张局势。

目前，我国大部分湖泊的水体污染均与人类影响下的氮磷营养盐输入有关，如太湖[5-6]、鄱阳湖[7]、洞庭湖[8]、阳澄湖[9]、滇池[10]等。大型浅水湖泊的污染源主要来自湖泊流域内未接入管网的生活污水引起的面源污染，太湖、巢湖、滇池的面源污染总氮分别占77%、53%、69.5%[11-13]。污染物的入湖可能会引起湖泊水质恶化和污染物底泥沉积[14]，也可能因为湖泊的自净能力强使得出湖水质优于入湖水质[15]。影响湖泊水质的参数主要有：引调水量、排放的污染物量、降解系数、扩散系数及温度[14]等，因时空差异，不同湖泊的主要影响因素各不相同[16-18]。

玄武湖位于南京市的主城区，是典型的被第三产业包围的城中湖，其污染来源主要是生活污水。从1997年开始实施生态补水以来，补水量逐年上涨至35万t/d，但是近年来玄武湖湖泊水质仍日益恶化。本文以玄武湖为例，通过实测资料的相关关系分析及模型方程的理论推导，结合水环境数学模型验证，研究生态补水与水质逆向发展的机制，以期为同类型的调水工程提供理论依据。

1 研究区域与方法

1.1 湖泊概况

玄武湖属典型城市浅水湖泊，面积为5.5 km2，其中水面面积3.7 km2。水面标高10 m时，平均水深1.14 m，库容429万m3;最高水位11.15 m，最低水位9.8 m，常年水位9.8～10.2 m。湖区5个洲(环洲、梁洲、樱洲、翠洲、菱洲)划分为4个湖区(东南湖、东北湖、西北湖、西南湖)。流域面积为 24 km2，流域内有红山街道、锁金村街道和玄武湖街道。玄武湖污染来源主要来自5条入湖河道沟渠：老季亭沟、香料厂沟、唐家山沟、紫金山沟、岗子村沟。2014年前玄武湖实施环湖合流制截污系统，5条主要沟渠的水能够晴天不入湖。2014年后，将唐家山沟末端作为补水7万t/d通道，唐家山沟上游污水随补水入湖。通过城北污水处理厂管网分布及地理影像图情况看，紫金山地区地表径流及汽车东站、蒋王庙社区生活污水在紫湖西桥位置混入唐家山沟，通过计算2017年玄武区自来水用水量，得到日常通过唐家山沟排入玄武湖污水约0.5万m3/d。其他4条沟渠在旱季污水接入管网，不排污入湖。根据周边区域自来水用量折算后的排污量、污水处理厂接管量计算得到周边的接管率约为85%。在降雨期间，降水量较大时污水溢出，5条沟渠污水入湖量约1.8万m3/d。玄武湖引补水能力为35万t/d(上元门自来水厂西厂8万t、上元门自来水厂东厂20万t、化纤厂自备水厂7万t)，通过环湖6个进水口及唐家山沟分别向湖区补水。通过4个闸(武庙闸、大树根闸、太平门闸、和平大沟闸)向城市内河水体进行补水，如图1所示。

图1 研究区域及补水路线

1.2 研究方法

a.收集2012—2017年玄武湖各个湖区水质监测点(图1)的逐月资料、补水水量及其他相关的气象水文资料。

b.运用Oringin软件对玄武湖的补水水量和水质实测数据进行相关性分析，初步判定玄武湖补水水量与水质相关关系。通过实测数据得到补水量Q和水体质量浓度ρ的一组数据对(Qi,ρi)(i=1,2,…,m)，其中Qi各不相同，用二次方程与已测数据相适应的解析表达式ρ=f(Q,z)反映Q与ρ之间的关系。

c.运用零维模型结合玄武湖实际情况进行参数定量化，找出玄武湖水质影响参数的量化关系。采用零维模型进行水质计算，考虑容积为V的完全混合系统，排污量为W，污染物初始质量浓度为ρ0，q为污染物排放量，流进系统的流量为Q0；流出系统的流量为Q0+q，如图3所示。

图2 零维模型示意图

d.通过湖库均匀混合模型进一步推导出玄武湖水质与水量直接的定量化关系。

e.运用二维水环境数学模型，进一步验证其规律，并得出最优补水方案。

2 结果与分析

2.1 补水量与水质指标的相关关系

对2014—2017年玄武湖补水量及水质资料进行分析，拟合补水量与水质指标的相关关系(图3)，枯水期TP、枯水期TN、丰水期TP、丰水期TN的决定系数R2分别为0.688、0.553、0.595和0.758。从相关关系可以看出，水体质量浓度随着水量的增加呈先减小后增加的趋势。在枯水期补水量约为 15万t/d时，水质最优；丰水期最优补水量约为 20万t/d，水质最优。根据对调水水质分析，其在调水期间内调水水质基本无变化，污染源在调水期间内基本无变化，引起水质随调水量变化的主要原因是调水量的变化。

(a) TP

2.2 水质与补水量理论公式推导

根据玄武湖污染源评价结果，设在丰水期入湖污染物(不含补水)相同，则降解量的计算公式为

Wk=KVρ=W+Q(ρ0-ρ)

(1)

式中Wk为降解量。令A=ρ-ρ0，则Wk=-AQ+W，通过实测数据拟合，得到降解量与补水量相关关系见图4。

(a) TP

根据2014—2017年玄武湖丰水期补水水质特征，补水中的TP质量浓度在0.027～0.2 mg/L 之间，补水中的TN质量浓度在1.41～2.77 mg/L之间。在水体质量浓度区间内构建丰水期玄武湖补水水质与补水流量的关系见图5。根据湖库均匀混合模型，推导得到丰水期和枯水期湖泊水质与补水量相关关系，见图6。根据理论分析可知，丰水期玄武湖的水体质量浓度随着补水流量的增加先转好后变差，水质最优时，TP、TN最优的补水流量为2.3 m3/s，最优补水量为20万t/d。枯水期玄武湖的水质随着补水流量的增加先转好后变差，但是水质最优时，TP、TN最优的补水流量为1.74 m3/s，最优补水量为15万t/d。该结论与实测数据拟合的结论一致。与此不同的是，太湖湖西区引水量越大，污染物入河量越大，湖西区水质越差[19]。美国Okeechobee湖调水量越小，外界进入湖泊的污染物量越小，湖泊污染物质量浓度大，主要原因是底泥的加速释放[20]。本研究结论与以往其他研究不同，将会对该类型湖泊的水污染防治提供新的研究思路。

(a) TP

2.3 水环境数学模型优化方案

基于二维水环境数学模型[21-24]，将玄武湖湖区划分为三、四边形混合网格，网格间距为300 m左右，根据玄武湖实际地形、地质及所处地域确定模型曼宁系数为32 m1/3/s、涡流参数为0.28，水动力边界和水质边界均为2017年基准年数据。根据模型计算[25-27]，玄武湖TP的降解系数为0.06～0.08 d-1，TN降解系数为0.02～0.035 d-1。分别对玄武湖的各个湖区的水质指标(TP、TN)进行率定验证，率定结果较好，该模型可用于玄武湖补水优化方案水质计算。模型网格和湖底地形见图7，率定验证结果见图8。

图7 玄武湖模型网格及地形高程

图8 玄武湖模型率定验证

通过现状评价及近期、远期规划，制定在不同补水量及截污情况下的方案(表1)。在枯水期，根据现状排污情况，通过实测资料和理论分析水质最优时的补水量为15万t/d，TP基本能够达标。在方案计算中，保证除唐家山沟之外的4条沟污水不入湖情况下，进一步削减紫金山片区40%的污水入湖，此时的水质最优时的补水量为12万t/d，水质进一步转好，TP基本能够稳定达标。在丰水期，现状排污情况下水质最优时的补水量为20万t/d。在计算方案中，近期进一步加强5条沟附近尤其是锁金村片区的雨污分流建设，从而削减40%的合流制污水进入玄武湖，此时水质最优时的补水量为 18万t/d。在远期，通过5条沟附近尤其是锁金村片区的深化雨污分流建设及紫金山片区管网建设，使得现状的80%污水不进入玄武湖，从而进一步提高玄武湖水质，此时的最优水质的补水量为 15万t/d。水环境数学模型计算的规律与理论公式推导规律一致，再次验证了理论推导的准确性。