水力调度改善城市湖泊水质数值模拟研究

作者：王婷婷

来源：《科技创业月刊》 2014年第1期

王 婷 婷

（中铁第四勘察设计院集团有限公司环境工程设计研究处 湖北 武汉 ４３００６３）

摘要：文章利用一维和二维嵌套耦合的湖泊河流水质水量综合模型，模拟水力调度城市湖泊及其连通沟渠水量、水质等的变换过程。以长江、东湖水力调度作为研究对象进行数值模拟，分析不同调水条件下城市湖泊水质的改善效果，数值模拟结果反映了水力调度改善城市湖泊水质的优越性。

关键词：水力调度；城市湖泊； 水质改善；数值模拟

中图分类号：X52

文献标识码：Ａ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１4．01．０78

０ 前言

城市湖泊以其特有的资源与环境优势为城市的生存与发展提供了基础和保障。随着城市人口剧增和社会经济的发展，人类活动使城市湖泊富营养化过程加快，污染严重、湖泊萎缩、水量锐减、湖泊生态系统遭破坏。

近年来，应用生态水力调度的原理来进行湖泊水体修复成为了理论研究的一个热点。文章结合水力调度改善城市湖泊水环境机理，利用改善城市湖泊水质为主要目标的“一维和二维嵌套耦合的湖泊河流水质水量综合模型”，以长江东湖水循环作为修复对象进行了数值模拟，对不同调水方案及其改善湖泊水质的效果等进行探索性的研究。

１ 湖泊河流水质水量综合模型

１．１ 模型理论

采用如下的数学模型描述水动力学流场和水质变化：

１．２ 模型率定和验证

通过２００５年８月东湖水质实测数据对本次研究中的有关参数进行率定，采用２００６年８月实测数据对模型进行验证。验证结果（见表１）。

验证结果表明，实测浓度与模拟计算的结果最大误差不超过１１％，其中８０％的样本的相对误差小于１０％，模型可用。

２ 长江东湖水力调度数值模拟

本次研究涉及的水体主要为长江、东沙湖水系。其中，东沙湖水系包括东湖、杨春湖、沙湖。

２．１ 调水线路选取

为了保证东湖水质改善效果，充分利用自然水系联系和现有的工程设施，本次研究拟定引水路线：长江→武钢泵站→青山港→落步咀泵站→落步咀闸→长山咀闸→杨春湖→新东湖港→东湖→水果湖→沙湖→曾家巷闸→长江。

２．２ 调水方案设计

充分考虑现有泵站的充分利用充分和未来改扩建的可能性，设计的流量分别为２０ｍ３／ｓ、４０ｍ３／ｓ；湖水水位依据２００６年６月东湖的月均水位１６．９６ｍ；全年主导风向为北风，风速取２．７ｍ／ｓ；东湖水体的背景浓度分布依据２００５年８月监测数据，长江引水本底值取２００５年８月北湖闸附近的监测值。

模拟的水力调度方式为：先调水１０天，然后停止调水１０天，模拟这２０天东湖水质变化过程。具体取值条件（见表２）。

２．３ 不同调水方案对东湖水质影响的数值模拟

利用数学模型，对不同调水方案下东湖水质的改善状况进行模拟。模拟结果（见表３）。

由表３可知，两种调水方案均对东湖水质具有一定的改善效果。调水前，东湖水质为Ⅴ类，调水至１０天时，Ⅴ类水质比例明显下降，调水方案１、方案２，Ⅴ类水质分别下降至１２％、１１％，ＩＩＩ类及以上水质分别占６％、２４％，ＩＶ类水质分别占７２％、６４％，水体主要以Ⅳ类为主；停止调水１０天后，ＩＩＩ类及以上水质分别占３１％、５１％，ＩＶ类水质分别占６５％、４５％，且ＩＩＩ类水质比例有继续增大的趋势。

３ 结论与建议

基于本次研究利用的一维和二维嵌套耦合的湖泊河流水质水量综合模型，利用现有地形和水质监测数据，对不同调水方案东湖水质改善进行数值模拟。模拟结果表明：不同调水方案均可不同程度改善东湖水质，通过水力调度改善城市湖泊水质是可行的。

值得深思的是，水力调度改善水环境只是治标，而不是治本。应充分认识到湖泊治理的长期性和复杂性，结合国内外其他工程和非工程污染治理措施，如截污、污水处理、底泥疏浚、生物修复等从根本上改善城市湖泊水质污染现状。

参考文献

１ 张万顺，赵琰鑫，等．“长江－东湖－长江”水循环对东湖水质影响的数值模拟［Ｊ］.人民长江，２００８

２ 李德旺，雷晓琴． 城市水网构建中的生态水力调度原理与方法初探［Ｊ］．人民长江，２００６（１１）

３ 康玲，郭晓明，王学立．大型城市湖泊群引水调度模式研究［Ｊ］．水力发电学报，２０１２（３）

（责任编辑 要 毅）