0研究背景

武漢市擁有“百湖之市”的美譽，武漢市的東湖是中國最大的城中湖，但近年來城市湖泊的水污染問題日益突顯。為改善不斷惡化的城市湖泊水環境，武漢市政府正在實施“大東湖生態水網構建工程”，即通過污染控制、水網連通和生態修復三大工程綜合治理湖泊［1］。已經實施的截污工程初見成效，但是截污工程的實施減少了入湖水量，因此在湖泊截污的同時，應考慮對湖泊進行生態補水。水網連通工程充分利用了大東湖緊鄰長江的地理優勢，將大東湖流域的六個湖泊(東湖、沙湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖和楊春湖)與長江連通，以江水補給湖水，將“死水”變“活水”，形成江河湖港連為一體的大東湖生態水網。該工程也能為后續的生態修復工程創造良好的水環境條件，將長江自然優良的生態系統引入到大東湖區域的生態退化區，豐富生物多樣性，加快實現湖泊的生態平衡。為了使水網連通工程的運行調度更加科學合理，本文以近期水網連通工程中的沙湖、東湖、嚴西湖和北湖組成的湖泊群為研究對象，對連通工程不同的引水調度模式進行動態模擬，分析與比較各種調度模式的引水效果，為連通工程的實施提供科學的決策依據。

1建立模型

1.1控制方程

東湖和沙湖常年水位19.5m，嚴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‰，開闊湖區的坡度更小，其垂直方向的尺度遠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］，其它三個湖泊也均屬寬淺湖泊。根據淺水湖泊水動力學理論［3］，湖流運動的控制方程組可用下列公式表示［4］:其中，h為水深;t為時間;u，v分別為沿x，y方向的流速分量;ρ為水體密度;Ah為水平紊動粘性系數;g為重力加速度;a為湖底高程;ω為地球自轉角速度;φ為湖泊所處緯度;γα為風剪切應力系數;ρα為空氣密度;w為離湖面10m處風速;?為風向與x方向的夾角;n為湖底糙率。二維水質輸移方程為:式中，C為污染物濃度;Ex和Ey分別為橫向和縱向擴散系數，且與Ah一樣都由Smagorinsky亞網格尺度模型確定［5］;S為源(匯)項;F(C)為生化反映項。根據東湖水污染特點并結合資料情況，本文選取COD、TP和TN作為研究對象。COD在水體中的生化反應過程可簡化為:F(C)=－K20•1.047T－20•C•h(5)式中，T為水溫，是根據作者建立的水溫與氣溫的線性回歸關系［6］，將實測的氣溫代入回歸方程計算得到;K20為溫度在20℃時的自凈衰減系數。TP、TN綜合考慮底泥釋放與沉降過程，即:F(TP)=Sp－KTP•C•h(6)式中，Sp為底泥釋放磷速率;KTP為TP綜合沉降系數;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個相對封閉的子湖，而隔堤的寬度為10～20m，遠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如式(7)所示，x，y方向上的隔板分別只對流速分量u，v起阻擋作用，而對與隔板平行方向上的流速分量不起作用。這樣既能夠體現隔堤對湖水運動的阻擋作用，又可以將東湖作為一個整體來進行研究。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則網格，大小為100m×100m，如圖3所示。沙湖、東湖、嚴西湖和北湖分別劃分成了306個、3008個、1024個和256個網格。模型采用有限差分進行求解，水質輸移方程的離散采用守恒方程的顯格式，對流項采用迎風格式，擴散項采用中心差分，時間步長取60s。由于工程尚未實施，缺乏連通港渠的詳細資料，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。計算中按照引水線路各個湖泊的上下游關系逐湖進行模擬。本文將長江水入湖口處所在的網格概化成源，對其采用流量邊界條件。各湖出水口根據工程規劃的出水口節制閘的水位流量關系曲線，通過設定水位控制其流量。

2模型驗證

限于篇幅原因，本文只給出沙湖水質模型的率定和驗證結果，其它湖泊的率定和驗證方法與此相同。沙湖匯水面積24.8km2，是一個在閘、泵站調節作用下與長江保持連通的半封閉型湖泊。利用沙湖2008年湖心點的水質監測數據、湖泊地形數據、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的氣象資料，對模型進行率定，再用2007年的相關數據對模型進行了驗證，驗證結果如表1所示，COD、TN、TP的相對誤差范圍分別為8%～25%、27%～34%、14%～32%，平均相對誤差分別為15.21%、29.87%、25.49%。

3湖泊群引水調度模式研究

3.1引水調度模式設計

根據大東湖流域湖泊、渠系分布特點以及與長江的相鄰關系，綜合考慮控污、排水、湖泊現狀水質等多種因素，本文提出了三種引水調度模式，在設計引水流量40m3/s的條件下，對這三種引水調度模式進行水動力水質數值模擬。各模式的引水線路如圖1所示，表2為各模式進、出水口的流量，其中正號表示進水，負號表示出水。

3.2湖泊群水質模擬計算

1)水質模擬計算條件水網連通工程在汛期將采用自流引水的方式運行，因此可連續自流引水天數將受到引水口處長江水位的限制，在考慮三峽水庫蓄水50年后的沖淤影響下［7］，對可引水流量和年入湖徑流總量分別進行了頻率計算，選擇可引水量和入湖徑流均接近設計值的年份作為設計典型年，經綜合分析選定平水年代表年為1981年。該年只有7月份全月的長江水位可以滿足工程設計的自流引水流量，為了進行多模式比選，本文選取7月作為水質模擬的計算時段。以各湖區近幾年豐水期的平均水質為初始濃度(表3)，各湖區環湖入湖點源和面源為水質邊界條件，選取湖區7月份的主導風向和平均風速作為背景風，模擬計算不同引水調度模式下，各湖區在連續引水31天后對水質指標COD、TP、TN的改善效果。連通工程在引水閘后均設置有絮凝沉淀池，對長江水質進一步凈化，根據實驗觀測結果，確定長江引水水質為COD:5.58mg/L，TN:0.95mg/L，TP:0.06mg/L。2)水質模擬計算結果分析通過對上述三種引水調度模式的模擬結果進行統計分析，得到各湖泊(區)的改善效果，以及三種模式對四個湖泊的總體改善效果，如表4所示，水質改善效果是指引水后的水質濃度降低值與其初始值的比值。計算結果表明:模式一對東湖中的湯菱湖、官橋湖、團湖、后湖以及嚴西湖、北湖的改善效果優于模式二。模式二對沙湖、水果湖和郭鄭湖的改善效果優于模式一。但模式二中后湖TN和TP指標存在變差的風險，這主要是由于水質較差的郭鄭湖的水體進入水質相對較好的后湖所致，為避免湖區間污染物的遷移，在引水過程中，建議采取分步實施引水調度方案，即引水初期暫不連通東湖和嚴西湖，先實施東湖和沙湖引水調度，待東湖水質優于或接近嚴西湖時，再連通東湖和嚴西湖。模式三吸取了模式一和模式二的優點，對四個湖泊的總體改善效果優于模式一和模式二，尤其對TN和TP的改善效果較為明顯。眾多的湖泊富營養化研究結果表明，氮和磷是藻類生長所必須的營養元素，但同時也是藻類生長的限制性營養元素［8］。因此，模式三對氮、磷的改善效果有利于進一步降低湖泊富營養化水平，加快湖泊水生態系統的自我修復。