0研究背景

武漢市擁有“百湖之市”的美譽(yù)，武漢市的東湖是中國(guó)最大的城中湖，但近年來(lái)城市湖泊的水污染問(wèn)題日益突顯。為改善不斷惡化的城市湖泊水環(huán)境，武漢市政府正在實(shí)施“大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建工程”，即通過(guò)污染控制、水網(wǎng)連通和生態(tài)修復(fù)三大工程綜合治理湖泊［1］。已經(jīng)實(shí)施的截污工程初見(jiàn)成效，但是截污工程的實(shí)施減少了入湖水量，因此在湖泊截污的同時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)湖泊進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。水網(wǎng)連通工程充分利用了大東湖緊鄰長(zhǎng)江的地理優(yōu)勢(shì)，將大東湖流域的六個(gè)湖泊(東湖、沙湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖和楊春湖)與長(zhǎng)江連通，以江水補(bǔ)給湖水，將“死水”變“活水”，形成江河湖港連為一體的大東湖生態(tài)水網(wǎng)。該工程也能為后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工程創(chuàng)造良好的水環(huán)境條件，將長(zhǎng)江自然優(yōu)良的生態(tài)系統(tǒng)引入到大東湖區(qū)域的生態(tài)退化區(qū)，豐富生物多樣性，加快實(shí)現(xiàn)湖泊的生態(tài)平衡。為了使水網(wǎng)連通工程的運(yùn)行調(diào)度更加科學(xué)合理，本文以近期水網(wǎng)連通工程中的沙湖、東湖、嚴(yán)西湖和北湖組成的湖泊群為研究對(duì)象，對(duì)連通工程不同的引水調(diào)度模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析與比較各種調(diào)度模式的引水效果，為連通工程的實(shí)施提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1建立模型

1.1控制方程

東湖和沙湖常年水位19.5m，嚴(yán)西湖和北湖常年水位18.4m。以東湖為例，湖底的平均坡降約為5‰，開(kāi)闊湖區(qū)的坡度更小，其垂直方向的尺度遠(yuǎn)小于水平方向上的尺度，是典型的寬淺型湖泊，垂向靜壓條件近似成立［2］，其它三個(gè)湖泊也均屬寬淺湖泊。根據(jù)淺水湖泊水動(dòng)力學(xué)理論［3］，湖流運(yùn)動(dòng)的控制方程組可用下列公式表示［4］:其中，h為水深;t為時(shí)間;u，v分別為沿x，y方向的流速分量;ρ為水體密度;Ah為水平紊動(dòng)粘性系數(shù);g為重力加速度;a為湖底高程;ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為湖泊所處緯度;γα為風(fēng)剪切應(yīng)力系數(shù);ρα為空氣密度;w為離湖面10m處風(fēng)速;?為風(fēng)向與x方向的夾角;n為湖底糙率。二維水質(zhì)輸移方程為:式中，C為污染物濃度;Ex和Ey分別為橫向和縱向擴(kuò)散系數(shù)，且與Ah一樣都由Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型確定［5］;S為源(匯)項(xiàng);F(C)為生化反映項(xiàng)。根據(jù)東湖水污染特點(diǎn)并結(jié)合資料情況，本文選取COD、TP和TN作為研究對(duì)象。COD在水體中的生化反應(yīng)過(guò)程可簡(jiǎn)化為:F(C)=－K20•1.047T－20•C•h(5)式中，T為水溫，是根據(jù)作者建立的水溫與氣溫的線性回歸關(guān)系［6］，將實(shí)測(cè)的氣溫代入回歸方程計(jì)算得到;K20為溫度在20℃時(shí)的自凈衰減系數(shù)。TP、TN綜合考慮底泥釋放與沉降過(guò)程，即:F(TP)=Sp－KTP•C•h(6)式中，Sp為底泥釋放磷速率;KTP為T(mén)P綜合沉降系數(shù);TN與TP類似，不再詳述。

1.2隔堤概化

如圖1所示，東湖被隔堤分成了6個(gè)相對(duì)封閉的子湖，而隔堤的寬度為10～20m，遠(yuǎn)小于東湖的空間尺度，給模型的建立和空間尺度的選取帶來(lái)了困難。本文將這些隔堤概化為隔板，忽略其厚度。水流在薄板處的流動(dòng)如式(7)所示，x，y方向上的隔板分別只對(duì)流速分量u，v起阻擋作用，而對(duì)與隔板平行方向上的流速分量不起作用。這樣既能夠體現(xiàn)隔堤對(duì)湖水運(yùn)動(dòng)的阻擋作用，又可以將東湖作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行研究。北湖中的隔板如圖2所示。u•y=0，v•x=0(7)式中，x，y分別為隔板所處的方向;u，v分別為流速在x，y方向上的分量。

1.3模型求解

各湖泊離散成正交規(guī)則網(wǎng)格，大小為100m×100m，如圖3所示。沙湖、東湖、嚴(yán)西湖和北湖分別劃分成了306個(gè)、3008個(gè)、1024個(gè)和256個(gè)網(wǎng)格。模型采用有限差分進(jìn)行求解，水質(zhì)輸移方程的離散采用守恒方程的顯格式，對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分，時(shí)間步長(zhǎng)取60s。由于工程尚未實(shí)施，缺乏連通港渠的詳細(xì)資料，且考慮到港渠與湖泊群相比尺度較小，故建立模型暫未考慮連通港渠。計(jì)算中按照引水線路各個(gè)湖泊的上下游關(guān)系逐湖進(jìn)行模擬。本文將長(zhǎng)江水入湖口處所在的網(wǎng)格概化成源，對(duì)其采用流量邊界條件。各湖出水口根據(jù)工程規(guī)劃的出水口節(jié)制閘的水位流量關(guān)系曲線，通過(guò)設(shè)定水位控制其流量。

2模型驗(yàn)證

限于篇幅原因，本文只給出沙湖水質(zhì)模型的率定和驗(yàn)證結(jié)果，其它湖泊的率定和驗(yàn)證方法與此相同。沙湖匯水面積24.8km2，是一個(gè)在閘、泵站調(diào)節(jié)作用下與長(zhǎng)江保持連通的半封閉型湖泊。利用沙湖2008年湖心點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、湖泊地形數(shù)據(jù)、全年逐日入湖徑流、泵站逐月排水總量、全年入湖污染物總量及相應(yīng)的氣象資料，對(duì)模型進(jìn)行率定，再用2007年的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，COD、TN、TP的相對(duì)誤差范圍分別為8%～25%、27%～34%、14%～32%，平均相對(duì)誤差分別為15.21%、29.87%、25.49%。

3湖泊群引水調(diào)度模式研究

3.1引水調(diào)度模式設(shè)計(jì)

根據(jù)大東湖流域湖泊、渠系分布特點(diǎn)以及與長(zhǎng)江的相鄰關(guān)系，綜合考慮控污、排水、湖泊現(xiàn)狀水質(zhì)等多種因素，本文提出了三種引水調(diào)度模式，在設(shè)計(jì)引水流量40m3/s的條件下，對(duì)這三種引水調(diào)度模式進(jìn)行水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)值模擬。各模式的引水線路如圖1所示，表2為各模式進(jìn)、出水口的流量，其中正號(hào)表示進(jìn)水，負(fù)號(hào)表示出水。

3.2湖泊群水質(zhì)模擬計(jì)算

1)水質(zhì)模擬計(jì)算條件水網(wǎng)連通工程在汛期將采用自流引水的方式運(yùn)行，因此可連續(xù)自流引水天數(shù)將受到引水口處長(zhǎng)江水位的限制，在考慮三峽水庫(kù)蓄水50年后的沖淤影響下［7］，對(duì)可引水流量和年入湖徑流總量分別進(jìn)行了頻率計(jì)算，選擇可引水量和入湖徑流均接近設(shè)計(jì)值的年份作為設(shè)計(jì)典型年，經(jīng)綜合分析選定平水年代表年為1981年。該年只有7月份全月的長(zhǎng)江水位可以滿足工程設(shè)計(jì)的自流引水流量，為了進(jìn)行多模式比選，本文選取7月作為水質(zhì)模擬的計(jì)算時(shí)段。以各湖區(qū)近幾年豐水期的平均水質(zhì)為初始濃度(表3)，各湖區(qū)環(huán)湖入湖點(diǎn)源和面源為水質(zhì)邊界條件，選取湖區(qū)7月份的主導(dǎo)風(fēng)向和平均風(fēng)速作為背景風(fēng)，模擬計(jì)算不同引水調(diào)度模式下，各湖區(qū)在連續(xù)引水31天后對(duì)水質(zhì)指標(biāo)COD、TP、TN的改善效果。連通工程在引水閘后均設(shè)置有絮凝沉淀池，對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)進(jìn)一步凈化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，確定長(zhǎng)江引水水質(zhì)為COD:5.58mg/L，TN:0.95mg/L，TP:0.06mg/L。2)水質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)對(duì)上述三種引水調(diào)度模式的模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各湖泊(區(qū))的改善效果，以及三種模式對(duì)四個(gè)湖泊的總體改善效果，如表4所示，水質(zhì)改善效果是指引水后的水質(zhì)濃度降低值與其初始值的比值。計(jì)算結(jié)果表明:模式一對(duì)東湖中的湯菱湖、官橋湖、團(tuán)湖、后湖以及嚴(yán)西湖、北湖的改善效果優(yōu)于模式二。模式二對(duì)沙湖、水果湖和郭鄭湖的改善效果優(yōu)于模式一。但模式二中后湖TN和TP指標(biāo)存在變差的風(fēng)險(xiǎn)，這主要是由于水質(zhì)較差的郭鄭湖的水體進(jìn)入水質(zhì)相對(duì)較好的后湖所致，為避免湖區(qū)間污染物的遷移，在引水過(guò)程中，建議采取分步實(shí)施引水調(diào)度方案，即引水初期暫不連通東湖和嚴(yán)西湖，先實(shí)施東湖和沙湖引水調(diào)度，待東湖水質(zhì)優(yōu)于或接近嚴(yán)西湖時(shí)，再連通東湖和嚴(yán)西湖。模式三吸取了模式一和模式二的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)四個(gè)湖泊的總體改善效果優(yōu)于模式一和模式二，尤其對(duì)TN和TP的改善效果較為明顯。眾多的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究結(jié)果表明，氮和磷是藻類生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，但同時(shí)也是藻類生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素［8］。因此，模式三對(duì)氮、磷的改善效果有利于進(jìn)一步降低湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平，加快湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)。