降雨强度和城市化对城市湖泊水环境的影响

杨 益,张彦宁

(北京市密云水库管理处,北京 101500)

0 引 言

近几十年来,由于气候变化和城市化的影响,城市湖泊越来越多地遭受一系列环境问题的影响。气候变化一直是一个关键而实际的问题,其对湖泊水环境的负面影响是不可避免的[1]。气候条件的变化,特别是降雨过程的变化,将导致湖泊水动力和水环境的重大变化。此外,城市演变可能与气候变化相结合,产生潜在的破坏性影响。随着城市化和工业化进程的加快,工业废水和生活污水量以惊人的速度增加,对湖泊水环境构成严重威胁。因此,降雨强度和城市化是城市湖泊水质恶化的重要原因[2]。

随着数值模拟技术的快速发展,许多学者将其应用于流域径流和湖泊水环境的模拟。该方法已成为研究湖泊水环境的重要而有效的手段。目前,主要的城市面源污染模型包括雨水管理模型(SWMM)、风暴和DR3M-QUAL等。其中,SWMM是一种动态降雨-径流模拟模型,用于径流量和质量的单次事件或长期(连续)模拟[3]。由于其计算效率和灵活的机制,该模型已被广泛用于估计城市地区的地表径流及其污染负荷。湖泊水动力和水质数值模型取得了很大进展,广泛使用的模型包括EFDC、MIKE21、CE-QUAL-W2和WASP。这些模型软件仿真精度高,但大多需要大量的测量数据,预处理工作相对复杂。基于此,文章选取基于DEM的二维(2-D)水动力和水质模型来描述湖泊流场和水质浓度的动态变化,将DEM数据作为计算网格,省略了预处理过程。然后考虑非点源污染的迁移和转化,建立了面源污染与湖泊水动力-水质的组合模型[4]。以某湖泊为试验条件,进一步揭示湖泊水质对暴雨强度和城市化程度的响应。研究结果对变化环境下城市湖泊水环境管理具有重要的参考价值和科学意义。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区域

某城市湖泊面积为52.19km2,流域面积240.38km2,是典型的亚热带浅水湖泊,平均水深1.85 m。该地区属亚热带湿润季风气候,平均气温 16.9℃,年平均降雨量1249.36 mm。降雨具有很强的季节性,64.9%的降雨发生在4～8月之间。近年来,随着工业和房地产业的发展,建设用地的大量扩张极大地改变了湖泊生态系统的结构和功能,使得湖泊生态环境不堪重负。城市发展带来了越来越多的水环境问题。2001年以前,某城市湖泊整体水质较好,能达到III类。2001年后,水质逐渐恶化至IV 类,处于轻度富营养化阶段。2014 年后,水质进一步恶化至V类,处于中度富营养化状态。且部分湖泊的水质均劣于V类,无法达到水质管理目标。

1.2 数据来源

非点源污染模型所需的数据包括:分辨率为30m的数字高程模型(DEM)数据,由空间分辨率为30m的Landsat 遥感获得。湖泊水动力-水质模型所需数据主要包括:风速风向数据、某湖泊水下地形数据、湖泊日水位数据、2022年采样点实测水质数据、排污口实测水质数据等。

1.3 非点源污染模型

文章选择雨水管理模型(SWMM)来模拟湖流域的非点源污染。在SWMM 模型中,子流域按地表渗透性分为3类,包括无凹陷不透水地表、有凹陷不透水地表和透水地表。对于无洼地的不透水地表,其径流量是从降雨量中扣除蒸发量后得出的。对于有凹陷的不透水地表,径流等于降雨量减去蒸发和凹陷。对于透水地面,径流量是在扣除洼地蓄水量、蒸发量和渗透量后得出的。渗透损失由霍顿模型计算得出。地表径流过程的水文计算以非线性水库理论为基础。管道的水流运动基于一维圣-维南方程。污染物的产生和排放分为3个过程,包括积聚过程、冲刷过程和迁移过程。文章采用指数函数作为SWMM模型的地表污染物积聚和冲刷算法。污染物在管道中的传输过程采用完全混合一阶衰减模型进行模拟。

1.4 二维水动力和水质模型

对于浅水湖泊,一般假定沿水深的分布是均匀的。文章采用基于DEM的二维水动力和水质模型来描述湖泊流场和水质浓度的动态过程。采用DEM矩形网格作为模型计算网格,可与GIS系统无缝耦合,省去了网格划分等预处理工作。与传统的体拟合网格和非结构化网格相比,大大提高了模型的标准化和模块化程度。

1) 流体力学方程:浅水湖泊的二维水动力方程包括连续性方程和动量方程,可表示如下:

(1)

(2)

式中:h为水深,m;x和y分别为水域的垂直长度和水平长度,m;T为时间,s;q为水量源汇,包括降雨、蒸发、渗流等,m/s;u和v分别为水流的垂直速度和水平速度,m/s;z为水位,m;n为粗糙度系数;εx和εy分别为垂直和水平涡流黏滞系数,m2/s。

2)水质迁移和转化方程:沿水深方向取长dx、宽dy、高h的水柱。根据质量平衡原理,可以得到二维水迁移转化的基本方程,如下式所示:

(2)

式中:C为湖泊中某种污染物的浓度,mg/L;Ex和Ey分别为分子扩散系数、湍流扩散系数和在x和y方向上的扩散系数之和;∑Si为水质指数的源项。

2 计算结果和数据分析

2.1 不同降雨情景下的径流和流入污染负荷

文章选取重现期为1a、5a、10a和20a的24h设计降雨量来分析降雨强度对湖泊水环境的影响。根据SWMM模拟了不同情景下的径流和流入污染负荷,见表1。结果表明,随着降雨强度的增加,径流深度明显增加。在降雨重现期为5a、10a和20a的情况下,径流增加率分别为 81.2%、30.6% 和 25.2%,表明随着重现期的增加,径流改善率逐渐降低。此外,可以得出降雨强度越大,流入的总氮TN和总磷TP污染负荷越大的结论。

表1 不同情况下径流和流入污染负荷的模拟结果

2.2 湖泊水质对降雨强度的响应

基于非点源污染模型模拟了不同降雨强度下某湖泊的总氮TN和总磷TP浓度的变化。平均水质浓度由湖中所有网格点模拟水质值的平均值得出。可以看出,在降雨的前16h内,湖泊中总氮TN和总磷TP 的平均浓度上升缓慢,且回归期越大,平均浓度上升越快。在16～17h内,湖泊的平均浓度明显增加。17h后,在20a重现期(P=20)下略有下降,而在其他重现期下则保持稳定。在1a、5a、10a和20a重现期,某湖泊TN平均浓度分别为2.92mg/L、3.10mg/L、3.20mg/L和3.23mg/L,TP平均浓度分别为0.237mg/L、0.240mg/L、0.244mg/L 和0.251mg/L,进一步表明降雨强度越大,某湖泊的水质浓度越高。

以重现期为20a的24h设计暴雨为例,分析了湖泊水动力和水质的时空分布特征。暴雨前水流缓慢,大部分区域流速<0.01m/s。暴雨过后,湖水的流动性明显改善,流速大大提高。具体来说,东湖的进水口、出水口和交界处流速相对较高,最大流速达到0.58 m/s。在降雨流入和湖泊流出的影响下,水流从径流入口向湖泊出口呈定向流动。

2.3 不同城市化阶段的径流和流入污染负荷

某湖泊地区的城市化发展可分为3个阶段:早期城市化阶段(1990年以前)、快速发展阶段(1990—2020年)和后期城市化阶段(2020年以后)。城市化的快速发展使湖底地表特征发生了显著变化。为了研究湖泊水质在不同城市化阶段的响应,利用Landsat数据,通过监督分类方法提取了1990 年、2018年和2022年的土地利用类型,分别代表城市化早期阶段(第一阶段)、快速发展阶段(第二阶段)和城市化晚期阶段(第三阶段),见表2。

表2 不同城市化阶段的土地利用类型

基于SWMM模拟了某湖泊流域三个城市化阶段的径流深、径流系数和流入污染负荷,如表3所示。在模拟过程中,为避免降雨强度的影响,3个阶段输入的降雨数据均为24h暴雨,重现期均为5a。如表3所示,随着城市化的快速发展,径流深度、径流系数和污染物负荷明显增加。与第一阶段相比,第三阶段暴雨后的TN和TP总污染负荷分别增加53.49t和8.88t。主要原因是城市化后期(第三阶段)不透水面积大幅增加,导致入渗量减少,入湖径流增加。因此,径流的冲刷效应增强,流域总污染负荷增加。且城市化的发展不仅增加了城市内涝的风险,也加剧了湖泊的污染问题。

表3 不同城市化阶段径流和流入污染负荷的模拟结果

3 结 论

文章建立了基于SWMM和基于DEM的水动力-水质组合模型,以描述湖泊流场和水质浓度的动态变化。该组合模型考虑了非点源污染的迁移转化过程,可直接描述非点源污染进入湖泊的途径。随着暴雨强度的增加,进入某湖泊的径流量和总氮TN、总磷TP污染负荷明显增加,但改善率逐渐降低。暴雨过后,湖泊水体流动性明显改善。在前期降雨中,总磷TP和总氮TN浓度逐渐增加。暴雨强度越大,水质越差。而在降雨后期,湖泊水质略有改善。因此,合理利用降雨洪水资源可有效改善湖泊的水动力和水质。随着城市化的发展,城市固体废弃物的产生量不断增加,导致湖泊水环境恶化。另一方面,随着城市化的发展,由于不透水面积的扩大,径流量也在不断增加,导致城市洪涝灾害风险增加。