城市湖泊随季节变化的生态补水数值模拟研究

摘要：

城市湖泊在社会经济发展中发挥着生态系统服务、防汛、景观等重要功能的同时，其水质受到污水排放、下垫面改变和污染物输入的严重威胁。然而，大多数水生态修复措施未考虑降水、排涝等因素的季节变化特征。提出了考虑年内降水分布规律和城市排涝需求的季节变化生态补水方案。以武汉市龙阳湖为研究对象，通过构建二维水动力水质数学模型，模拟生态补水措施实施后湖泊水质状况，从时间和空间两个维度分析水质目标的可达性，得到生态补水推荐方案。结果表明：在Ⅳ类水质的总体目标下，推荐方案的湖泊水质平均达标面积比例和平均达标天数比例均高于80%，效果较好。研究成果可为城市湖泊的生态补水工程措施提供技术支撑。

关" 键" 词：

城市湖泊； 生态补水； 季节变化； 水质； 数值模拟； MIKE 21

中图法分类号： TV213

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.006

收稿日期：

2023-12-18；接受日期：

2024-03-12

基金项目：

国家重点研发计划项目（2022YFC3204505，2022YFC3202804）；武汉市汉阳区区级政府采购项目（HBZT-2021049-F049）

作者简介：

王奕博，男，工程师，博士，研究方向为水库生态调度与水生态模拟。E-mail：wangyibo@whu.edu.cn

通信作者：

刘" 攀，男，二级教授，博士，主要从事水库调度与水文预报等研究。E-mail：liupan@whu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0044-09

引用本文：

王奕博，郭甜甜，刘攀，等.

城市湖泊随季节变化的生态补水数值模拟研究

［J］.人民长江，2024，55（7）：44-52，72.

0" 引 言

城市湖泊在城市经济社会发展中发挥着生态系统服务、供水、防汛、景观、人文等重要功能，较易受到人类活动的直接影响，城市排水系统的引入、污水排放、垃圾和污染物的输入，均会导致湖泊水质受到威胁，需要采取措施来改善水体质量［1-3］。由于水储量和水域面积较小等特点，城市湖泊的水动力特征受引调水影响较大，通过生态补水促进水体流动从而改善水质的途径较为有效［4-5］。近年来，中国通过发布工作方案、立法、制定纲领性文件等途径，大力推进生态文明建设。2020年7月，水利部在《关于全国主要江河湖泊生态流量确认的工作方案》中公布了2020～2022年需要确定生态流量的重点江河湖泊名单；2022年10月，党的二十大报告指出，要统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理［6-7］。因此，面向城市湖泊的生态补水方案研究十分有必要。

目前，城市湖泊的水质改善措施主要有：① 污染控制。通过实施源头污染控制措施，减少城市排放的污染物，定期清理湖底沉积物，减少富营养物质的释放。② 岸线生态恢复。通过植被的恢复和生态工程手段，保护湖泊沿岸带，减少岸线侵蚀，改善水域生态系统。③ 流域管理。通过雨水花园、雨水湿地等手段，管理城市雨水径流，减缓雨水冲刷对湖泊的影响。④ 水体调蓄与水质调控。通过湖泊水位调控、水质保护、富营养化防治等措施改善湖泊水质。⑤ 水质监测

与评估。通过建立健全水质监测体系，对湖泊水质进行定期监测和评估，以便及时发现问题并采取相应措施［8-11］。然而，针对湖泊水质改善的研究和措施虽考虑了流域管理、降雨径流过程、洪水对水质的影响、降水的季节变化特征等因素，但在日尺度上根据降水量大小来兼顾生态补水和城市排涝方面仍有待完善［12］。

龙阳湖作为武汉市汉阳区六湖联通的重要环节，是当地的重要战略资源，但其水质常年处于Ⅴ类以下。为进一步落实武汉市的湖泊治理工作，根据湖北省和武汉市湖泊保护的相关要求，急需开展龙阳湖的生态补水数值模拟研究工作，科学合理地开展龙阳湖的水体水质治理、水生态保护工作，以期实现龙阳湖水质“增二类、扩三类、转四类、灭五类”的目标［13］。因此，本文主要围绕生态补水这一主题，以武汉市龙阳湖为例，通过构建二维水动力水质数学模型，模拟生态补水措施实施后湖泊水质状况，分析水质目标的可达性，得到生态补水推荐方案。研究主要创新之处在于提出了考虑年内降水分布规律和城市防汛排涝需求的季节变化生态补水方案，相关研究结果将为城市湖泊的生态补水工程实施提供技术支撑。

1" 研究内容与技术路线

本文遵循《湖北省湖泊保护条例》《湖北省水污染防治条例》《武汉市水资源保护条例》，参考《龙阳湖保护规划》和《龙阳湖一湖一策》中的相关内容，在充分调研的基础上，进行科学计算、模型模拟和深入分析，龙阳湖生态补水数值模拟研究的技术路线如图1所示。具体内容如下：

（1） 流域现状分析。收集研究对象及其汇水范围内的水文、土地利用类型、水质等数据，确定湖泊水功能区划与水质现状，调查湖泊沿线排污口分布，计算入湖污染物负荷。

（2） 模型构建与验证。结合湖泊水下地形、水文水质数据、入湖污染物量等，采用MIKE 21构建龙阳湖二维水动力水质模型，确定降雨径流、入湖流量、湖底糙率、入湖污染物浓度等计算条件，完成模型参数的率定和验证。

（3） 湖泊生态补水措施效果分析。根据生态补水措施的总体目标，结合水系连通情况和污染物负荷设计不同工况进行模拟，分析龙阳湖水质目标的可达性与不确定性，给出建议。

2" 研究区域概况

2.1" 流域水系

龙阳湖流域位于武汉市汉阳区，东经114°10′～114°12′，北纬30°32′～30°34′。南北最大纵距1.94 km，东西最大横距2.89 km，流域总面积10.3 km2。龙阳湖常水位19.15 m，湖泊水域面积1.68 km2，岸线长度约14.3 km，湖泊容积约341.40万m3。龙阳湖水下地形起伏不大，较为平缓，属宽浅型湖泊。

龙阳湖排水系统属于蔡甸东湖水系，目前，蔡甸东湖水系已经实现6湖连通。龙阳湖通过明珠河与墨水湖连通，通过汤山渠与三角湖连通，通过朱家新港及朱家老港与后官湖连通，区域汇流通过市政管网、地表径流及龙阳湖明渠汇入湖泊调蓄，再通过现状港渠进入南太子湖，非汛期经东风闸自排出长江，汛期经东湖泵站及东湖低排泵站抽排出长江［14］。龙阳湖及其周边水系概化图如图2所示。

2.2" 水文气象

龙阳湖流域属北亚热带季风性湿润气候，具有雨量充沛、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点。年平均气温15.8～17.5 ℃，1月份多年平均气温最低约0.4 ℃；7、8月份多年平均气温最高约28.7 ℃。根据武汉市水资源公报，武汉市多年平均降水量为1 240.6 mm，4～9月是主雨期，降水量占全年70%左右，降水量年内分配不均。

2.3" 水环境现状

根据武汉市生态环境监控中心发布的逐月地表水环境质量状况，2013～2019年龙

阳湖水质处于稳定的劣Ⅴ类，2020～2023年处于稳定的Ⅴ类。从时间分布上看，2013～2015年龙阳湖营养状况为重度富营养，2015～2017年略有好转至中度富营养，2018年开始再次恶化至重度富营养，2020年开始稳定至中度富营养。从空间分布上看，湖周区域富营养化程度大于湖心区域。总磷、氨氮、石油类污染物等是造成水体水质恶化的主要污染物质。

龙阳湖水质恶化及水体富营养化的原因主要有：① 生活污水和生产养殖污水未经处理直接入湖，污水收集、处理系统建设较为滞后；② 部分城中村环保基础设施薄弱；③ 面源污染占比大，根据入湖污染负荷计算，龙阳湖流域面源污染贡献占比最大；④ 内源污染不可忽视，龙阳湖沉积物可向水体释放的氮约为11.90 t/a、磷约为3.31 t/a，内源污染对湖泊污染负荷的贡献非常突出。

2.4" 水生态现状

近几年，龙阳湖水生态系统存在退化速度快、退化程度严重的问题，主要表现在水质差、水生植被衰退和物种多样性降低3个方面。与20世纪70年代的龙阳湖相比，水质下降了一个等级；水生植被覆盖率从原有的70%左右减少到目前的5%左右；食物网结构也由原来的复杂结构逐步趋于简单结构，原有水生态系统已经崩溃，急需通过重建湖泊水生态系统的方式对其进行治理。

3" 生态补水数值模拟模型构建

3.1nbsp; 模型选取

龙阳湖是典型的城市浅水湖泊，由于湖泊水流结构和污染物分布特征较为复杂，一般采用平面二维模型模拟流场分布，然后采用差分数值解法求解对流扩散方程，模拟污染物浓度分布［15-16］。本研究采用丹麦水资源及水环境研究所（DHI）开发的MIKE 21二维水动力水质模型建立龙阳湖流域污染物排放与水域水质之间的输入-响应关系［17-18］。MIKE 21软件的适用范围从小型河流到大江大河，从湖泊到海湾，可适应多变复杂的环境条件，在中国广泛应用于一些大型工程中［19］，如武汉东湖流域水环境治理、太湖流域水环境治理、长江实时洪水预报系统、淮河流域水质管理与应用等。

3.2" 模型构建

3.2.1" 水动力模型

二维水动力控制方程为笛卡尔坐标系（Cartesian Coordinates）下的纳维-斯托克斯方程组（Navier-Stokes equations），该方程组由水流连续性方程、沿水流方向的动量方程和垂直水流方向的动量方程组成，在此不再赘述。

3.2.2" 水质模型

水质模型采用水深平均的平面二维数学模型，模型基本方程为

（hC）t+（MC）x+（NC）y=

xExhCx+yEyhCy+S+F（C）

（1）

式中：h为水深，m；

C为污染物指标的浓度，mg/L;

M为横向单宽流量，m2/s；

N为纵向单宽流量，m2/s；

Ex为横向扩散系数，m2/s；

Ey为纵向扩算系数，m2/s；

S为源（汇）项，g/（m2·s），主要考虑环湖河道的进出水量所携带的污染物量；F（C）为生化项。

3.3" 模型设置

根据城市规划中的“五线”管制制度，“蓝线”是指城市江河湖泊水域控制线，湖泊蓝线的范围主要包括湖泊的水域、岸线以及周围保护区。湖泊保护区根据湖泊的设计洪水位来划定，一般包括湖堤、湖泊水体、湖盆、湖洲、湖滩、湖心岛屿等地形特征。据此，本次模拟范围为龙阳湖蓝线以内水域，对应常水位19.15 m。采用2019年12月1∶500实测水下地形成果。湖泊水下地形复杂，为了同时考虑计算量和计算精度，划分网格时采用三角形网格以更好地贴和湖泊边界，贴岸区域网格边长20 m，湖泊中心网格边长20～50 m，网格总数2 923个。此外，在湖区设置1个考核监测点和3个模拟监测点作为水质监测点，考核监测点的观测数据用于模型率定和生态补水效果分析，模拟监测点用于生态补水效果分析。湖泊模型边界、网格划分、水下地形和水质监测点如图3所示。

近几十年来，龙阳湖水质状况在2019年经历了转折。2000～2019年，龙阳湖水质状况处于稳定的劣Ⅴ类，其中2010～2019年期间，武汉市汉阳区水务局对龙阳湖水生态环境采取了一系列综合治理措施，包括排水工程、清淤工程、截污工程等，自2020年开始龙阳湖水质状况稳定在Ⅴ类，对龙阳湖采取工程措施之后水质状况有所好转，但仍有待进一步改善。此外，从自然条件来看，武汉市2019年降水量在近些年相对较少，活水动力不足；从工程条件来看，随着各项治理工程逐步推进，河道地形、排污口等基本稳定，具备建模基础；从数据条件来看，2019年具备较为完善的地形资料和连续的观测资料。因此，选取2019年作为本研究的模拟期，有利于更好地分析生态补水方案对龙阳湖水质改善的效果。

研究数据和水质状况除特别说明的之外，均来自于《龙阳湖保护规划》《龙阳湖一湖一策》《武汉市地表水环境质量状况》等报告。

3.4" 计算条件

龙阳湖现状入流主要包含天然降雨汇流和流域内生活与工业废水，出流主要包含水体蒸发和闸（泵）排水。水体流动一般受风力和汇水渠的入流驱动。

3.4.1" 降雨径流

龙阳湖流域内无水文站，附近也缺乏可供利用的流量站，因此龙阳湖地区入湖径流主要根据降水量资料并利用径流系数法进行推求。根据武汉市汉阳区土地利用类型和GB 50014-2021《室外排水设计标准》，综合径流系数取0.41，经计算，2019～2020年武汉市日降水量和龙阳湖流域日径流深如图4所示。

3.4.2" 蒸 发

产流过程中的雨量损失大多数为蒸发损失，假设湖面蒸发系数与附近陆面蒸发系数相等，则根据上述径流系数法计算成果，龙阳湖湖面日净雨量过程与龙阳湖流域日径流深一致。因此，模型输入条件考虑降雨过程，用日净雨量来表示，如图4中红色线所示。

3.4.3" 风速风向

龙阳湖蓝线水域面积仅1.68 km2，风对龙阳湖水体交换率的影响占比仅约1%。因此，风速风向对龙阳湖流速的影响可忽略不计，在水动力水质模型中不考虑风的影响。

3.4.4" 湖底糙率

龙阳湖水域面积较小、水下地形较缓，因此湖底糙率在整个模拟区域内取常数值，初步设置湖底糙率为0.03，进而以2019～2020年的水质监测资料进行率定，最终确定其变化范围在0.030～0.035之间。

3.4.5" 初始条件

湖泊初始水位采用常水位，初始浓度场根据2019年1月武汉市地表水环境质量状况报告给定，选取龙阳湖主要污染物COD、NH3-N和TP作为评价指标。

3.4.6" 边界条件

与龙阳湖相连的渠道主要有龙口渠、汤山渠和明珠河，上边界考虑龙口闸，下边界考虑明珠闸和汤山闸。

水动力边界条件：入口流量边界为各工况设计流量，出口水位边界为龙阳湖常水位。水质边界条件：入口浓度边界为各工况设计浓度值，出口浓度边界为初始背景浓度值。

3.4.7" 污染物输入条件

污染物的输入主要通过陆域点源、面源及湖面降水和内源汇入。根据调查统计，龙阳湖沿线具有排放流量的点源排污口共计27个。面源污染主要通过湖区流域范围降雨径流带入，将面源污染均匀概化到湖周20个雨污混流排污口。所有点源和面源概化排污口分布情况如图3所示。降尘污染在模型中以降水的形式伴随入湖，由于龙阳湖水域面积较小，降尘污染相比地表径流污染极小，故降尘污染在模型中忽略不计。内源污染主要指底泥释放污染物，由于龙阳湖基本已完成河底清淤工程，底泥污染量较小，故内源污染在模型中忽略不计。

3.4.8" 扩散系数和降解系数

降解系数受温度影响变化较大，参照丹江口水库、三峡水库、汤逊湖等湖库的计算成果（表1），根据龙阳湖水域面积、地形特征等实际情况，初步确定扩散系数以及COD、NH3-N和TP的降解系数取值依次为1 m2/s、0.02 d-1、0.02 d-1和0.017 d-1，进而以2019～2020年的水质监测资料进行率定，最终确定各参数值如表2所示。

3.5" 生态补水量计算

生态补水量即水动力边界条件中的入口流量，现有生态补水工程措施常将生态补水量视为定值或根据汛期和非汛期分段取值，为更适应年内降水分布规律和城市防汛排涝需求，本节提出一种基于降水过程的生态补水量计算方法。

如图5所示，生态补水流量随降水量的增大而先增后减。当降水量小于P1时，湖泊自身调蓄能力能够满足排涝需求，随着降水量的增加入湖污染物也随之增加，需要增加补水量以增强活水动力，此时以补水为主。当降水量介于P1和P2之间时，湖泊自身调蓄能力难以满足降水和补水双重影响下的排涝需求，需要减少生态补水量以兼顾城市排涝需求。当降水量大于P2时，防汛排涝为第一要务，不再进行生态补水，且应根据降水情况开闸排水。图5所示的生态补水策略能够根据降水分布规律实时调整补水量，可有效避免非汛期内突发强降水情况下未减少补水量而造成的城市内涝灾害。

生态补水流量与降水量的关系可根据流域特性设置为线性（实线）、指数（短划线）、幂（虚线）等多种形式。以线性关系为例（本文所采用函数形式），生态补水流量可通过下式进行计算：

q=Q2-Q1P1p+Q1，0≤p≤P1p-P2Q2P1-P2，P1≤p≤P20，P2≤p

（2）

式中：q为生态补水流量，m3/s；

p为降水量，mm；

Q1为生态补水流量背景值，m3/s；

Q2为生态补水流量上限值，m3/s；

P1为限制补水降水量，mm；

P2为停止补水降水量，mm。

Q1根据自然流动条件下的湖泊出流能力确定，Q2和P1根据湖泊调蓄能力及模拟结果进而率定，P2根据研究区域防汛排涝标准及相关政策确定。

4" 生态补水措施效果分析

4.1" 总体目标

基于龙阳湖目前水质污染较为严重的现状以及近期目标（2025年），根据《武汉市水功能区划》，龙阳湖水质总体目标为Ⅳ类标准，在此基础上增设Ⅲ类水质目标（功能目标）作为对比。

4.2" 计算工况

考虑生态补水的不同流量和污染物浓度，设置10种计算工况，如表3所示。

入湖流量条件包含5种：① 全年2 m3/s；② 全年3 m3/s；③ 全年4 m3/s；④ 丰水期4～9月份2 m3/s，枯水期10月至次年3月份4 m3/s；⑤ 日降水量0～15 mm时补水2.5～4.0 m3/s，流量值随降水量增大而线性递增，日降水量15～20 mm时补水4～0 m3/s，流量值随降水量增大而线性递减，日降水量大于20 mm时不补水。入湖污染物浓度条件包含两种：（a）地表水（湖库）Ⅲ类标准；（b）地表水（湖库）Ⅳ类标准。

入湖流量条件①、②、③设置的目的主要是与④和⑤形成对照。入湖流量条件④解释如下：丰水期降水量较大，对龙阳湖的水源补充较为明显，能够起到活水作用，而枯水期降水量较小，活水动力不足，需要加大生态补水流量。入湖流量条件⑤解释如下：降水量大时地表径流所携带污染物入湖量也较大，此时需要进行的生态补水流量也应较大，因此，在日降水量较小（小到中雨0～15 mm）时，随着日降水量的增大补水流量也随之增大，同时考虑到龙阳湖排涝需求以及降水本身对龙阳湖的水源补充，在日降水量较大（中雨15～20 mm）时，随着日降水量的增大补水流量随之减小，当日降水量持续增大（gt;20 mm）时，主要考虑到龙阳湖流域的排涝影响，不进行生态补水。入湖流量条件⑤所对应的季节变化生态补水流量如图6所示。

4.3" 水质目标可达性分析

4.3.1" 水质目标的空间可达性分析

水质目标的空间可达性是指不同工况下的湖泊水质达到地表水Ⅲ类或Ⅳ类标准的水域面积占湖区总面积的比例。不同工况下湖泊水质达标面积比例如图7所示。

（1） 工况1～工况6。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均水域面积比例在工况1条件下分别为88%，73%和63%，在工况2条件下分别降至49%，38%和2%，在工况3条件下分别升至95%，79%和75%，在工况4条件下分别降至54%，46%和2%，在工况5条件下分别升至98%，83%和86%，在工况6条件下分别降至59%，48%和2%。达Ⅲ类水质目标的平均水域面积比例均较低。工况3由于在补水量和入湖污染物浓度方面有了改善，湖泊水质勉强达到Ⅳ类水质标准；工况5进一步增加补水量，湖泊水质相比工况1～4有了较大改善，整体达到Ⅳ类水质标准；

与相同入湖污染物浓度的工况2和工况4相比，工

况6由于生态补水流量的提升，补水效果有了一定改善，但整体效果不如工况5。在以上6种条件下，龙阳湖水质达标情况不佳，尤其是TP浓度不达标，有必要调整生态补水策略。

（2） 工况7～工况8。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均水域面积比例在工况7条件下分别为98%，80%和77%，在工况8条件下分别降至56%，40%和2%。达Ⅲ类水质标准的平均水域面积比例均较低。工况7粗略考虑了年内降雨分布的不均匀性，进行了季节性生态补水，且补水效果较好，湖泊水质基本达到Ⅳ类水质标准。工况8由于入湖污染物浓度较高，整体效果相对工况7较差。

（3） 工况9～工况10。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均水域面积比例在工况9条件下分别为95%，80%和80%，在工况10条件下分别降至78%，75%和65%。工况9和工况10考虑了年内降雨分布特征，并且在降水量较大时不进行补水，以保障城市排涝需求，湖泊水质基本达到Ⅳ类水质标准。工况10与工况9相比，入湖污染物浓度从地表水Ⅲ类变为Ⅳ类，导致补水效果欠佳，可见在合理调控补水流量的同时，也要严格控制入湖污染物浓度。

对于各工况，从季节角度来看，冬季由于降水量少、水源补充不足且污染物降解系数偏低，各工况条件下达标水域面积相比其他季节均较低。随着补水量和入湖污染物浓度的降低，春季、夏季和秋季的生态补水效果改善较为明显。

4.3.2" 水质目标的时间可达性分析

水质目标的时间可达性是指不同工况下的湖泊水质达到地表水Ⅲ类或Ⅳ类标准的模拟天数占全年总天数的比例。不同工况下湖泊水质达标天数比例如图8所示，各监测点污染物浓度变化情况如图9所示。

（1） 工况1～工况6。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均天数比例在工况5条件下最佳，在工况2条件下较差。对于考核监测点，当入湖污染物浓度为地表水Ⅲ类时（工况1、3、5），3种污染物的达标天数比例均在85%以上，达标率较高；当入湖污染物浓度为地表水Ⅳ类时（工况2、4、6），3种污染物的达标天数比例较低，尤其是TP达标率极低。对于模拟监测点，3种污染物的达标天数比例更低。随着生态补水量的增加，水质达标情况逐步改善。

（2） 工况7～工况8。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均天数比例在工况7条件下较好。对于考核监测点和模拟监测点，当入湖污染物浓度升高的同时，伴随着水质达标天数的大幅降低。工况7和工况8考虑了年内降雨分布的不均匀性，且工况7和工况8分别相比工况5和工况4，在补水效果相近的同时引用水量更少。

（3） 工况9～工况10。

全湖COD、NH3-N和TP达Ⅳ类水质目标的平均天数比例在工况9条件下较

好。对于考核监测点，3种污染物的达标天数比例均在60%以上，当入湖污染物浓度为地表水Ⅲ类时，达标率更高。工况9相比工况1～8效果较好，在Ⅳ类水质标准的总体目标下，水质达标，但是距离Ⅲ类水质目标差距较大，仍需加大生态补水量并严格控制各类入湖污染物。

4.4" 不同工况模拟效果对比分析

按照龙阳湖Ⅳ类水质标准的总体目标，分别从水质达标面积、水质达标天数和季节性变化生态补水的角度对不同工况的模拟效果进行对比分析。

（1） 水质达标面积。

由图9可知，工况1～6在入湖污染物浓度相同的条件下，随着补水流量的增加，水质达标面积均为递增趋势。工况7～10考虑到丰枯水期、降水分布特征以及湖泊排涝需求等，采用随时间变化的生态补水方式。在相同补水流量条件下，补水污染物的浓度越低，水质达标面积比例越高，表明生态补水能够极大改善湖泊水质，且补水量越大、补水所含污染物浓度越低，水质改善效果越好。工况10相比相同补水污染物浓度的工况2、4、6和8条件下的TP达标面积比例明显增高，这是由于全年无休地引用Ⅳ类水削减了由于活水动力带来的改善水质作用。

（2） 水质达标天数。

由图9可知，工况1～6在入湖污染物浓度相同的条件下，随着补水流量的增加，水质达标天数均为递增趋势。工况7～10在相同补水流量条件下，补水污染物的浓度越低，水质达标天数比例维持稳定。在补水流量达到3～4 m3/s、补水污染物浓度达到地表水Ⅲ类标准时，各污染物的达标天数比例均达到90%以上。

（3） 季节性变化生态补水。

季节性变化生态补水主要是指工况7～10中随时间变化的生态补水流量。由图8和图9可知，工况9和工况10的水质改善效果相比工况1～8有明显提升，是由于工况9和工况10在增加活水动力的同时避免了持续不断向湖泊引入新的污染物。工况9和工况10基于降水分布特征合理分配补水流量，不与湖泊排涝需求相矛盾，能够在引用更少水量的同时与工况3和工况5补水效果保持相当，这种方案考虑到了龙阳湖流域的降雨特征以及运行成本等经济因素。而工况7和工况8仅依据多年平均降水量粗略划分了丰水期和枯水期，以此进行季节性生态补水，这种考虑有失偏颇，且忽略了防洪排涝等需求。综上，工况9在水质达标面积比例、达标天数比例、排涝需求以及引水成本等方面均具优势，更符合实际需求，可选作为龙阳湖生态补水措施的参考方案。

4.5" 效果不确定性分析

模型预测的水环境治理效果存在一定程度的不确定性［20-21］。具体表现为：

（1） 数据准确性。龙阳湖生态补水效果预测的准确性与污染源数据、径流数据和模型参数取值有重要关系。入湖污染物浓度的统计和预测量与实际入湖量之间存在误差，龙阳湖二维水动力水质模型参数取值的合理性还有进一步校核和验证的空间，这将在一定程度上影响模拟准确性，不过本研究的模拟结果在量级和趋势上均较合理，不影响生态补水方案效果的对比分析。

（2） 工程措施影响。武汉市汉阳区近年来正在或拟启动湖泊水系连通、海绵化改造、农村环境综合治理、岸坡整治、底泥清淤、水生态修复等工程措施，涉及项目种类多、部门广、论证难、审批慢，因此，治理措施能否按期、保质完成具有较大不确定性，将直接影响龙阳湖水质的改善效果。

（3） 外部环境扰动。一方面，汉江水中的氮、磷等指标浓度是否满足调水需要，是补水工程能否实施的制约因素；另一方面，点源和降尘污染是龙阳湖水质污染的重要来源，其主要受周边环境影响，因此，未来武汉市排污管控力度以及大气环境质量的治理改善程度也将影响龙阳湖入湖污染预测的合理性［23］。

5" 结 语

本研究提出的季节性变化生态补水方案可为城市湖泊水生态环境治理工作和相关研究提供技术支撑。主要结论如下：

（1） 增加引水量，可显著改善龙阳湖水动力条件，促进污染物扩散降解，有利于湖泊水质达标。

（2） 全年平均补水流量范围在3～4 m3/s区间内，同时生态补水所含污染物浓度不高于地表水环境质量标准中湖库Ⅲ类标准所对应浓度，则能够满足龙阳湖Ⅳ类水质总体目标要求，但这一措施引水成本较大且未考虑湖泊排涝需求。

（3） 考虑年内降水分布和城市排涝影响，推荐龙阳湖生态补水方案如下：考虑到降水量的增大会导致地表径流污染量同时增大，需增加补水量进而增强活水动力，日降水量0～15 mm时补水2.5～4.0 m3/s，流量值随降水量增大递增；考虑到湖泊防洪排涝需求，日降水量15～20 mm时补水4～0 m3/s，流量值随降水量增大递减；日降水量大于20 mm时不补水。

（4） 可通过城镇污水系统提质增效、城市面源污染控制、农村环境综合整治、水生植被恢复等综合措施进一步改善和维护水质，确保湖泊水质稳定达标。

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（编辑：黄文晋）

Numerical simulation on seasonal ecological water supplement for urban lakes

WANG Yibo1，GUO Tiantian2，LIU Pan3，LI Yu1，FAN Yangzhen4，YANG Yichen3

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；" 2.Wuhan Changyuan Information Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China；" 4.Hubei Water Resources and Hydropower Science and Technology Promotion Center，Hubei Water Resources Research Institute，Wuhan 430070，China）

Abstract：

Urban lakes play critical roles in socioeconomic development through providing ecosystem services，flood control，and landscape functions.The water quality of the lakes faces severe threats from sewage discharge，underlying surface changes，and pollutant input.However，most of the water ecological restoration measures have not considered the seasonal variation characteristics of factors such as precipitation and drainage.We proposed a seasonal ecological water supplement scheme that considered the variations in the distribution of annual precipitation and drainage demands in different seasons in a city.Taking Longyang Lake in Wuhan City as the study area，a two-dimensional hydrodynamic water quality mathematical model was constructed to simulate the water quality of the lake after the implementation of water ecological supplement measures.The accessibility of water quality targets was analyzed from both temporal and spatial perspectives，and a preferred water ecological supplement scheme was recommended.The study results indicated that under the overall target of Class IV water quality standards，the recommended scheme performed effectively.The average proportions of lake areas and days of water quality meeting standards would both exceed 80%.The results can provide technical support for the implementation of water ecological supplement engineering in urban lakes.

Key words：

urban lakes； ecological water supplement； seasonal variation； water quality； numerical simulation； MIKE 21