引水湖泊水环境改善二维数值分析

李冬冬,魏月华,胡栋辉,罗佳敏，李东风

(1. 余姚市海塘管理所，浙江 余姚 315400；2.宁波颢润生态建设有限公司，浙江 余姚 315400;3. 余姚市水利局，浙江 余姚 315400；4.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

浙江沿海平原河湖水网密布，河网流动性差，水质日益恶化，河流湖泊水体富营养化时有发生，区域外引水与河湖水系连通是平原河湖水环境改善的重要措施[1-2]。虞东平原六湖连通综合整治工程是浙江省水利重点项目，六湖包括皂李湖、白马湖、小越湖、孔家岙泊湖、东泊湖和西泊湖，其中，白马湖地形狭长，腹地内有较多零散分布的沙洲、岛屿，见图1。由于白马湖水体流通不畅，加上生活污水排入湖中，造成局部水体高度富营养化，水质为V类水。为改善白马湖水环境，结合当地水资源状况，区域外引水和河湖水系连通是改善白马湖水环境比较可行的措施，但是引水改善的效果还需要经过可行性研究论证。利用平面二维水动力水环境数学模型是进行水环境改善的重要工具和手段[3-7]。虞东平原六湖连通的实施，是通过引杭甬运河的清水到皂李湖，然后通过引水隧洞到白马湖、小越湖、孔家岙泊湖、东泊湖和西泊湖，本文即利用二维模型对引水改善白马湖水环境指标BOD和DO进行了时空分析。

1 平面二维水动力水环境数学模型理论和验证

1.1 模型理论

模型的基本理论包括水动力理论和污染物输移扩散[8]。

1.2 模型的建立和验证

1.2.1 模型建立

1) 模型范围

河网水系是一个整体，以绍兴虞东整个河网为模型。由于六湖位于上虞河网的中部，其模型的入流和出流的边界条件不确定因素太多，从整个河网水系的角度上来说，倘若仅仅挑选出河网中的几条河流和湖泊出来，那么就会遇到边界条件不准确、研究范围过小等的情况。因此，只能把整个上虞平原河网作为一个整体系统才能确定正确的边界条件，综合分析考虑水流运动特点、污染范围情况，得出最有利的治理措施方式。这样就可以把南部山区降雨、上浦闸引水，曹娥江引水、四明湖引水、以及二号闸和新东进闸等确定流量和水位工程作为边界条件，使模型建立在正确的边界条件基础之上。模型的研究区域、网格剖分和边界条件见图1。

图1 模型研究区域、网格剖分和边界条件

2) 模型边界条件的选取

水流运动的边界条件对于模型模拟计算出来的结果有着非常重大的影响,控制条件越精确、越确定，算出的结果也就越与实际的流动情况相符合，把上虞河网作为一个整体，模型的边界就包括各个引水边界、降雨汇流边界、四明湖引水边界、曹娥江引水边界、上虞与余姚联通的河网边界以及挡潮排涝闸等各种确定的流量和水位潮位等边界条件。

1.2.2 模型的验证

本次验证计算采用洪涝发生时间较近，降雨情况较为典型，实测资料较完整的“20131006”菲特台风进行验证计算。由于受到2013年“菲特”台风的影响，上虞区10月5日20时开始普遍降雨，到9日8时基本结束。按水利部门实测统计，市域平均面雨量434.8 mm，有11个监测站点超过500 mm，其中山区平均面雨量376.1 mm，平原平均面雨量523 mm，比虞北平原百年一遇过程雨量460.5 mm多62.5 mm。笔者需验证虞东平原模型是否与实际相符。本次验证计算，选取小越湖上、小越湖下和崧厦3个代表站计算水位与实测水位进行比较，选取时间为2013年10月5日0时至10月12日0时。小越湖上实测最高雨量4.53 m，计算雨量4.51 m，相差-0.02 m。小越湖下实测最高雨量4.37 m，计算雨量4.31 m，相差-0.06 m。崧厦实测最高雨量4.42 m，计算雨量4.35 m，相差-0.07 m。可以看出，验证计算与实际情况较为吻合，计算模型参数设置可用于引水方案预测计算。

2 引水改善水动力水环境分析

由于白马湖过于狭长，水域分布较广，为方便分析每个区域的水体流动和水环境改善的状况，将白马湖分为8个区域，分别命名为a至h，选择18个典型位置,对引水湖泊水动力和水环境指标进行分析(图2)。根据计算结果，对各个区域河湖连通前后白马湖的流速进行分析。

图2 研究水域分区和分析选点位置图

2.1 水动力增加分析

图3为引水湖泊连通前后白马湖研究点流速对比图，由图3可以看出，河湖连通前研究点流速均较小，最大流速小于0.007 m/s，1，2，8，9，11，12，13，17点流速小于0.001 m/s，说明河湖连通前白马湖水体流动性极差。河湖连通后，白马湖中水域流速明显增加，各研究点流速均有所增加，说明河湖连通改善了白马湖水体流动性。

图3 连通前后研究点流速对比图

对于水域a，河湖连通前，除了与b水域连通的4点流速较大外(流速为0.001 2 m/s)，其余各点流速极小(均小于0.002 m/s)，湖体流动性差；河湖连通后，流速有所增加，但流速依然小于0.01 m/s，湖体流动性仍然较差。

对于水域b，河湖连通前，研究点中最大流速为与虞甬运河相连的进口点3，流速较大(0.006 7 m/s)，湖体内部流动性较好；河湖连通后，流速有所增加，湖体流速基本相近，为0.02 m/s，无较大差异，较白马湖其他水域，湖体流动性良好。进水口处流速较大，最高达0.07 m/s。

对于水域c，河湖连通前，相较白马湖其他水域，湖体流动性良好；河湖连通后，流速有所增加，湖体流速基本相近，为0.02 m/s，无较大差异，较白马湖其他水域，进水口流速较大，湖体流动性良好,约0.04 m/s。

对于水域d，河湖连通前，相较白马湖其他水域，湖体流动性良好；河湖连通后，流速有所增加，湖体流速基本相近，为0.02 m/s，无较大差异,较白马湖其他水域，进水口流速较大，湖体流动性良好，约0.04 m/s。

对于水域e，河湖连通前，湖体内部腹地较多，导致腹地处流动性差，所研究8和9两点位于腹地，流速极小(均小于0.000 3 m/s),与水域h相连的进口点10所在位置，流速较大(0.001 166 m/s)；河湖连通后，流速有所增加，特别是与湖h相连的进水口处流速较大，湖体流动性改善明显，流速达0.03 m/s，由于湖体内部腹地较多，腹地处流动性差，所研究8和9两点位于腹地，流速极小(均小于0.001 m/s),腹地处流动性改善并不明显。

对于水域f，河湖连通前，湖体内部腹地较多，导致腹地处流动性差，所研究10点位于腹地，流速极小(0.000 144 m/s)；河湖连通后，与湖h相连的进水口处流速较大，湖体流动性改善明显，流速达0.03 m/s，但是湖体内部腹地多，腹地处流动性差,腹地处流动性改善并不明显。

对于水域g，河湖连通前，湖体内部腹地较多，导致腹地处流动性差，所研究12和13两点位于腹地，流速极小(均小于0.000 1 m/s)；河湖连通后，流速有所增加，特别是与湖h相连的进水口处流速较大，湖体流动性改善明显，流速达0.04 m/s，由于湖体内部腹地较多，腹地处流动性差，腹地处流动性改善并不明显，所研究12和13两点位于腹地，流速极小(均小于0.000 1 m/s)。

对于水域h，河湖连通前，所研究14～18 d点位于h水域，流速较大，湖体流动性良好；河湖连通后，与皂李湖—白马湖引水隧洞相连的h水域下半部分，流速高达0.15 m/s,上半部分流速增大没有下半部分明显，但是已增加至0.03 m/s，河湖连通后，h水域水体流动性改善最明显。

从对比分析中可知，河湖连通增加了白马湖水体的流动性，白马湖水域流速普遍增大，水体流动性虽然得到极大改善，但白马湖腹地水域仍存在流速较小、湖泊流动性不强的问题。

2.2 水环境改善分析

现选取BOD以及DO作为水环境指标进行分析。

2.2.1 BOD分析

图4为河湖连通前后研究点的BOD值对比图，从图4可以看出，白马湖在河湖连通后，BOD值降低明显，水质改善明显，BOD值均降低5 mg/L以上，BOD最低2.2 mg/L，各个位置BOD值差异也比较大，且数值分布不均。

图4 河湖连通前后BOD值对比图

2.2.2DO值分析

图5为河湖连通前后研究点的DO值对比图，从图5可知，白马湖在河湖连通后，DO值增加明显，水域的DO普遍大于7 mg/L，水质改善明显，但各个位置DO值差异也比较大，DO值分布不均。结合所获得的研究点BOD、DO数据，各水域水质改善效果分析结果如下。

图5 连通前后研究点DO值对比图

对于水域a，水质改善明显，且BOD、DO值在整个水域分布相对平均，BOD值从9.57 mg/L左右降低到4.57 mg/L左右，DO值从2.1 mg/L左右上升到7.2 mg/L左右，结合指标分析水质已改善至Ⅳ类水。但是相较于其他水域，水质仍然相对不佳，仍需进一步改善。

对于水域b，水质改善明显，BOD值在整个水域分布相对均匀，BOD值从9.56 mg/L左右降低到3.5～4 mg/L。DO值从2.2 mg/L左右上升到7.8～8 mg/L范围内，结合指标分析水质已改善为Ⅲ类水。

对于水域c，水质改善明显，BOD值在进水口数值较低，越远离进水口BOD值越高，BOD值从9.56 mg/L左右降低到3～3.7 mg/L。DO值从2.2 mg/L左右上升到7.7～7.8 mg/L，DO值在水域中的分布相对均匀，结合指标分析水质已改善为Ⅲ类水。

对于水域d，水质改善明显，BOD分布不均匀，在靠近水域h(右岸)处BOD值较小，为2.17 mg/L，越远离h水域BOD值越大，增大至4.55 mg/L。DO值从2.2 mg/L左右上升到7.45～7.7 mg/L，DO值分布相对均匀。

对于水域e，水质改善明显，但BOD值、DO值在整个水域分布不均匀。在与h水域相连的进水口处，BOD值约为3.7 mg/L，DO值约为7.6 mg/L，水质良好。由于e水域腹地较多，水体流动性不强，在腹地处，水质明显变差，BOD值高达4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水质仍需继续改善。

对于水域f，水质改善明显，但BOD值在整个水域分布不够均匀。在与h水域相连的进水口处，BOD值约为3 mg/L，DO值约为7.6 mg/L，水质良好，最靠近左岸的水域是BOD值最大处，为4.6 mg/L，DO值为7.4 mg/L。最靠近左岸的水域水质需继续改善。

对于水域g，水质改善明显，但BOD、DO值在整个水域分布不均匀。在与h水域相连的进水口处，BOD值约为2.25 mg/L，DO值约为7.5 mg/L，水质良好。由于g水域腹地较多，水体流动性不强，在腹地处，水质明显变差，BOD值高达4.57 mg/L,DO值低至7.1 mg/L,水质仍需继续改善。

对于水域h，水质明显改善，在靠近皂李湖-白马湖引水隧道处，水质最佳，BOD值低至1.5 mg/L，越向北流动，水质发生变化，水质逐渐变差，BOD值沿程上升至3.5 mg/L，而DO值也沿程降低，由7.82 mg/L降低至7.47 mg/L。

综上所述，河湖连通工程提高了白马湖水体的流动性，同时也大大改善了白马湖的水环境状况，河湖连通方案可行。

3 结 论

应用平面二维水动力水环境数学模型对引水前后湖泊水动力水体流动性及水环境改善的情况进行计算分析，结果表明：从整体上看，引水河湖连通增加了湖泊水体的流动性，水环境水质改善效果明显，但湖泊的某些局部水域，水体流动性较弱，水环境改善不佳，建议通过设置导流水工建筑物，导引水流流向流动性较弱的水域，增强这些水体流动性比较弱的水域的流动性和水环境改善。本研究可为工程可行性提供决策支持依据。