大型城市内湖水动力水质数值模拟及环境治理方案效果评估

张文杰，卢昱含

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司,湖北 武汉 430071）

近年来,随着城市化的高速发展,城市内湖容纳了过多的周边居民生活污水和工业废水,污染严重,水质逐渐恶化。为改善城市内湖泊水质状况,国内外提出多种控制水体污染的措施,包括控源截污和生态补水等,并利用数值模拟技术进行相关研究分析。如贾瑞鹏等利用MIKE 21建立万宝湖二维模型模拟了其水动力条件和水质变化过程；逄敏等利用MIKE11建立水环境数学模型, 模拟了不同污水接管率、排污量削减率和调水方案下秦淮河水质的改善情况；Li和Jiang等模拟分析了从长江引水到太湖后的污染物浓度变化,表明大型湖泊调水工程可改善水质。本研究选取大型城市内湖武汉市汤逊湖,应用MIKE21建立湖泊二维水动力水质耦合模型,对近期和远期不同控源截污和生态补水方案下水动力水质改善情况进行模拟,为汤逊湖水环境综合治理提供决策依据[1-4]。

1 研究区域概况

汤逊湖位于武汉市东南部,是亚洲最大的城中湖,汤逊湖流域面积240.48 km2,水域面积47.62 km2,湖泊岸线长度122.8 km,平均水深1.85 m,属于典型的浅水湖泊（见图1）。根据湖泊形态特征以及排水汇水特点,可将汤逊湖分为8 个子湖,分布为外汤主湖、沙咀湖、大桥湖、麻雀湖、内汤主湖、红旗湖、杨桥湖和中洲湖。汤逊湖主要分布于武汉市东湖新技术开发区关东街、武汉市洪山区洪山街与武汉市江夏区庙山街。由于汤逊湖周边有三个工业园区,人口密度较大,城市管网分布密集,生活污染、面源污染以及点源污染为汤逊湖的主要污染贡献来源。万宝湖面积小、湖底平坦、流速较小且受风的影响较大,水动力条件较差,加之湖泊内部联系不畅,水体隔断,水动力条件较差,因此形成了很严重的污染问题[5-7]。根据湖北省环保厅重点湖泊监测信息数据库,汤逊湖在2016年～2017年水质为V～劣V类,超标因子主要为TP、COD、NH3-N等,湖泊水质状况不容乐观。

图1 汤逊湖地理位置示意图

2 模型建立

2.1 模型描述

MIKE 21水动力模块（HD）的控制方程包括二维方向的连续方程和动量方程,可通过对不可压流的平均方程进行沿水深积分得到[8]。MIKE21对流扩散模块（Transport Module）,基于污染物在垂向上是混合均匀的,即污染物的质量浓度只有水平面上发生变化这一假定,在已有的水动力模型基础上,利用二维对流扩散方程[9],模拟水体中污染物输移和扩散过程。

连续性方程：

动量方程：

式中：t为时间,s；x,y分别为笛卡尔坐标,m；h为总水深,m；u和v分别为水深平均的值,m/s；S为点源的排放量,kg；ρ为水的密度,kg/m3；f=2Ωsin,表示Coriolis因子（Ω为地球自转的角速度,为地理纬度）；g为重力加速度,m/s2；为水位,m；Sxx,Sxv和Svv为radiation应力张量,Pa；Tsx, Tsy分别为水面风应力张量,Pa；Tbx, Tby分别为河床床面应力张量,Pa；Pa为大气压,Pa；ρ0为水的相对密度,kg/m3；（Us,Vs）为外界排放到环境水体的速率,m/s；横向应力Txx, Txy, Tyy包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力,Pa。

二维对流扩散方程：

2.2 网格划分

根据2019年7月实测1∶2000的地形和水深资料建立汤逊湖区域模型网格。模拟选取的单元网格划分方式为三角形网格,相较于四边形网格,三角形网格划分区域更加细致稳定。本次将汤逊湖共划分为1346个单元网格。汤逊湖水下地形和网格见图2和图3。

图2 汤逊湖计算网格

图3 汤逊湖水下地形图

2.3 边界条件

水动力模型：（1）边界条件：2018年1月1日至2018年12月31日汤逊湖各主要支流、排口、出口断面的实测水文过程以及区域气象资料。（2）初始条件：选取2018年1月1日的水动力学实测资料。

水质模型：（1）边界条件：主要是研究区域内主要排口、非点源、底泥以及主要支流的污染物排放量。（2）初始条件：选取2018年1月1日的:污染物指标实测资料。

2.4 模型参数率定和验证

根据汤逊湖2018年1月～12月12处采样点的水质采样数据,对模型进行率定验证,模拟误差在允许范围之内,可见建立的水动力水质模型能够反映湖泊水动力过程以及污染物迁移过程,结果具有可靠性,可进行多情景模拟。各参数率定成果见表1。

表1 参数率定结果

3 汤逊湖水质改善多情景模拟

3.1 计算方案

城镇化快速发展导致土地资源过度开发和河湖水系围垦,使得汤逊湖部分湖区成为死湖,水体交换率低,流动性差,水环境状况不断恶化,各项水质指标达不到要求,水污染防治迫在眉睫。参照汤逊湖流域引水方案[10],以及汤逊湖污染削减前景,以2018年为现状年,设置为0-0工况。工况1-0设定为在现状条件下,2021年实施污染源削减；工况1-1是在工况1-0条件上,增加引水调度,具体引水方案为通过东坝港从梁子湖引水入汤逊湖,流量设为10 m3/s；工况1-2引水规模提高至40 m3/s。工况2-0 设定为在现状条件下,2025年实施污染源削减；工况2-1 是在工况2-0 条件上,增加引水调度,具体引水方案为通过东坝港从梁子湖引水入汤逊湖,流量设为10 m3/s；工况2-2 引水规模提高至40 m3/s。各工况设置见表2。

表2 计算方案设置

3.2 效果分析

采用验证的二维水动力水质模型模拟计算汤逊湖实施控源截污以及生态补水后的流场分布和水质变化过程,分析汤逊湖的水动力水质改善效果。

3.2.1 水动力改善效果

各工况条件下汤逊湖平均流速及其变化情况见表3和表4。

表3 各工况条件下汤逊湖平均流速

表4 各工况下汤逊湖平均流速变化情况

从整体来看,实施引水工程下的各工况（1-1、1-2、2-1、2-2）对平均流速改善效果较为明显。现状水平年情景下,汤逊湖平均流速为0.00061 m/s,在引水规模为10 m3/s时,平均流速为0.00070 m/s,升幅14.2%；在引水规模为40 m3/s时,平均流速为0.00098 m/s～0.00102 m/s,升幅60.6%～67.1%。从各子湖来看,以引水路线流经区域内汤和外汤的改善效果最佳。

3.2.2 水质改善效果分析

经过统计,各计算方案全年平均水质及其改善情况,见图4。由图可见,汤逊湖现状水平年的平均水质为劣V类；近期2021 年,各工况条件下（1-0、1-1、1-2）汤逊湖水质TN、TP仍为劣V类；远期2025 年,各工况条件下（2-0、2-1、2-2）,TN、TP改善效果有限,仅工况2-2全年4项指标均可达V类。对比各个工况水质平均改善率可以看出,工况2-2对COD、NH3-N、TN、TP等4项水质指标的平均改善率最高,分别为34.7%、49.7%、57.8%、66.0%。可见污染源削减措施配合工程调水引流,才能最大限度改善水质状况。

图4 各计算方案全年平均水质及其改善情况

对比工况0-0、1-0、2-0,在实施了污染源削减后,汤逊湖平均水质浓度有所降低,其中TN、TP改善作用有限,仍为劣V类。尤其是汤逊湖西南、东北等处边界受污染源排污影响,水质状况没有明显改善。比工况1-0、1-1、1-2以及工况2-0、2-1、2-2,即引水量分别为0、10 m3/s、40 m3/s时,随着引水规模的增大,水质改善率也逐渐增加,但增幅呈下降趋势。这是由于引水水体流经区域污染物扩散速度加快,使得COD、NH3-N、TN和TP浓度均有一定程度的降低,但在远离引水口和出水口的湖体边界区域,引水水体难以到达,水质改善效果较差。建议考虑适当增加布设进水口和出水口,加快湖区水体流动,减少滞水区域面积,以增强污染物的稀释、扩散和降解效果,更好地改善汤逊湖的水质,同时进一步增强湖泊自净能力。

4 结语

通过实施控源截污与生态补水联合治理措施, 可确保汤逊湖湖体水质达标。近期通过控源截污削减各类污染物50.96%～77.62%, 控制生态补水流量40 m3/s可使水质达标；远期污染物削减率提高至67.77%～78.61%,只需补水10 m3/s,即可使汤逊湖水质达到Ⅲ类标准。生态补水能够迅速改善湖体水质,但补水治标而截污才是治本,生态补水可作为提高水质的辅助性措施,重点应该进行湖泊周边的控源截污综合治理,加快污水管网建设。