基于Mike21 模型的湖泊截污控源研究★

曾秀云，陈钰林

（1.福州工商学院，福建 福州 350715；2.福州市城市排水有限公司，福建 福州 350001）

引言

近年来，随着福州市生态文明建设的不断提升，人居环境不断改善，福州西湖作为福州市的重要旅游文化景点，也是福州市重要的城市名片。本项目位于西湖入口处，面积近10 000 m2，整治任务主要包括截污口整治、应急清淤、补水以及水动力改善等工程，作为此次整治工程的截污工程已先行实施，因此评估该工程措施对改善西湖水质，特别是西湖沉淀区水质的成效，为将来类似工程方案的选择和制定提供较为准确的定量分析，是科学决策的重要依据。

1 工程概况

本项目以福州西湖沉淀区水体治理为目标，从水体水动力和水质模型建模入手，通过对控源截污方案的模拟评估，用以实际工程加以验证，以达到恢复西湖沉淀区水质的目标。

近年来国内外研究人员对河湖水质数学模型开展了大量的研究工作[1]，开发了一系列公用和专用的水质模型，并通过实测数据对模型进行了验证。目前主要的河湖水质模型有Mike 系列、QUAL2E、WASP、EFDC、DELFT3D 等。对于不同地域的湖泊流域，水利条件和水质条件均不相同，需根据项目的具体情况选择构建模型。国内卿晓霞等[2]为评估河流治污措施对西湖水质改善的效果，用MIKE21 模型对伏牛溪西湖主要污染物氨氮和CODMn进行了数值模拟。结果表明，西湖沿程点源全部截污后，可降低43%的氨氮和65%的CODMn；补充不同处理程度的污水厂尾水可使西湖满足V 类水标准且组合措施优于单一措施。廖振良等[3]利用开发的苏州河模型，对苏州河水环境整治工程方案进行了系统的计算，计算方案包括：截污、底泥疏浚、上下游水质边界条件的改变、支流排放的影响、不同的调水方式、降雨放江以及局部曝气复氧等，并结合计算结果对苏州河水环境整治目标进行了详细分析计算，得到了优化的工程措施排序和水资源调度方案。陈钰林等[4]使用Mike21 水动力模型对闽江竹岐段入河的污染源截污情况进行模拟，闽江来水在特枯期的径流条件下，模拟发生不同程度水体污染的工况，对主要污染物为氨氮的空间变化过程以及氨氮的输移基本特征进行模拟分析，用以评估水源地农业生活污染元的风险，并相应制定应对水污染风险的应急策略。

本项目结合国内外的湖体的水动力和水质模型的研究情况，本项目采用Mike21 水动力模型对西湖进行模拟评估。

2 水动力模型的建立

2.1 整体网格模型

福州西湖位于福州市区中心，由屏西河、铜盘河自北侧汇入，经白马河水闸调控湖区水位后，形成白马河出流。本项目以西湖沉淀区为研究目标，根据西湖-左海地形图，将西湖30.3 hm2的湖区概化为14 361 个网格节点，同时对拟评估的西湖沉淀区近1.1 hm2的湖面进行网格加密[5]。西湖沉淀区水动力的平面布局如下页图1 所示。

图1 西湖沉水动力的平面布局

2.2 模型边界条件设置

西湖湖区的模型边界共有3 处，2 处为入流边界，1 处为出流边界。其中，西湖北侧的屏西河为主入流，流量为2.90 m3/s～3.10 m3/s，取3.00 m3/s；西湖东北侧的铜盘河为支流入流，入流的流量为0.90 m3/s～1.10 m3/s，取1.00 m3/s；南侧为白马河，出水边界按液位模式，水位高度5.50 m。

2.3 模型参数率定验证

本项目西湖湖区的水动力模型采用实测屏西河、铜盘河、白马河等各边界流量、液位进行率定。具体以屏西河入口的实测流量为初始条件，对白马河出水闸的流速和液位进行验证和率定。模型率定结果为：湖底糙率为，流速平均误差为3.99%，水动力条件满足要求。

2.4 西湖水质

2.4.1 整治前

西湖沉淀区整治工程在开展截污整治前，于2020 年5 月10 日至12 日对西湖水质进行采样检测，检测的有关水质数据如表1。

表1 西湖沉淀区水质现状

入流的屏西河、铜盘河水质如表2。

表2 铜盘河水质现状

2.4.2 整治后

整治工程对主入流屏西河周边开展了截污，主要对软件大道、丞相路、泉塘巷、钱塘巷等进入屏西河的污染源排口进行截污，这些排口位于湖区外，截污工程仅考虑屏西河入流的水质参数的影响。截污工程共完成4 个主要排口的截污工作，排口水量及污染物情况见如表3。入流污的染物折算COD 削减522.4 kg/d，NH3-N 削减72.5 kg/d，SS 削减267.4 kg/d。截污后，屏西河入流水质为COD 指标为4.97 mg/L，ρ（NH3-N）指标0.52 mg/L，ρ（SS）指标10.13 mg/L，换算污染物指标COD 下降2.02 mg/L，ρ（NH3-N）下降0.28 mg/L，ρ（SS）下降1.03 mg/L，截污后屏西河水质参数如表4。

表3 排口水量及污染物情况统计表

表4 屏西河水质参数表

3 截污效果的评估

3.1 截污控源模型的建立

对于截污控源工程措施，考虑到污染物在沉淀区的停留时间较短，水质变化主要由水的对流扩散条件引起，因此，水质模型采用AD 模型。由于截污措施均在研究区域外，整体表现为对屏西河入流水质的影响，因此，对截污前后入流水质的变化进行评估模拟。截污前的水质情况如图2 所示。

图2 屏西河截污前沉淀区水质变化

3.2 截污控源效果分析

对屏西河截污后，西湖沉淀区的水质变化如下页图3。由图3 可见，在截污后，屏西河入流进入西湖沉淀区以后10 h 时，水质指标已有一定改善。

图3 屏西河截污后沉淀区水质变化

为综合评估截污后西湖沉淀区的水质变化，在西湖沉淀区的东侧设置3 个水质监测点（t1、t2、t3）、西侧设置4 个水质监测点（t4、t5、t6），如图4 位置。东西侧各测点的水质指标取均值计算，各监测点在截污前后的水质变化如表5、表6。

表5 各测点在截污前后的水质变化（东侧）

表6 各测点在截污前后的水质变化（西侧）

图4 各测点位置

4 结论

1）对屏西河入流的污染源采取截污措施后，入流的污染物显著减少，COD 减少了28.90%，NH3N 减少了35.0%，SS 减少了9.23%。

2）屏西河采取截污措施后，湖区东侧污染物COD减少了1.96 mg/L，减少了26.5%；ρ（NH3N）减少了0.27 mg/L，减少了30.3%；ρ（SS）减少了1.01 mg/L，减少了8.3%。湖区西侧污染物COD 减少了2.02 mg/L，减少了28.9%；ρ（NH3N）减少了0.28 mg/L，减少了35.0%，ρ（SS）减少了1.03 mg/L，减少了9.2%。

综上，通过模拟发现，对于西湖的主入流屏西河采取截污措施后，对于西湖沉淀区减少COD、NH3N 污染物贡献较为明显，对于减少SS 污染物有一定成效。