基于集中與分布式引水相結(jié)合的城市湖泊水質(zhì)改善方法

傅宗甫，俞國青

(河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，南京 210098)

湖泊為城市重要的水文景觀和城市居民的休閑場所，隨著城市人口的增加，污染負荷漸增，湖泊富營養(yǎng)化程度日趨嚴重[1-2]．為了改善城市湖泊水質(zhì)，有關(guān)地方政府給予了高度重視，采取了各種治理措施[3-4].這些措施可歸納為截污、清淤和引清增加水動力3類．截污主要是切斷污染源，清淤主要是清除已經(jīng)污染的底泥，而引清主要是增加水動力、加快水體的自凈能力[5-7]．3種治理措施中，通常截污為先，截污是治本．清淤需要運用適當(dāng)?shù)姆椒ú⑦M行監(jiān)控，以免處置不當(dāng)，引起二次內(nèi)源污染．其他治理方法還包括生物學(xué)和化學(xué)方法[8-10]．前者目前還處在試驗階段，根據(jù)治理具體對象的特點因地而異，且尚需作較長期觀察[11-12]．對于后者，例如化學(xué)殺藻法，有時見效雖快，但療效維持時間較短且可能產(chǎn)生副作用．

引水增加水動力是一種見效較快的水環(huán)境治理方法，但需要持續(xù)或定期運用．當(dāng)前城市湖泊的引水改善水質(zhì)，多采用集中引排方法[5]．城市湖泊規(guī)模雖小，但通常呈半封閉型以及無天然河流徑流補給狀態(tài)，且湖岸曲折多彎，因此集中引排方法常存在一些死水區(qū)．死水區(qū)內(nèi)的水體由于水動力不足(不能流動)，區(qū)域內(nèi)的水體不能與引入的水體充分交換排出湖外而得不到有效更新，影響了湖泊引水改善水質(zhì)的總體效果[13]．

筆者嘗試采用集中引水結(jié)合分布式引水的方法，結(jié)合具體工程運用數(shù)學(xué)模型進行模擬分析，并與集中引排方法的水質(zhì)改善效果進行了分析對比．結(jié)果表明，該集中引水與分布式引水相結(jié)合的方法可以使死水區(qū)內(nèi)的污水與引入的新鮮水體充分交換，并且產(chǎn)生向湖泊出口的流動，使水體得到更新，可顯著提高城市湖泊水質(zhì)的改善效果．

1 分布式引水點位置、流量及參數(shù)確定

分布式引水通常作為較大流量集中引排時的附加措施，目的是減少或消除湖灣死水區(qū)，增加水體流動．對具體的湖泊，分析時通常采取以下步驟．

(1)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃礂l件及水流進出湖泊的通道，選擇合適的主要引排地點，選擇的原則是盡可能使引排地點相隔較遠，使引排主流穿越湖泊主要水體，盡量營造從進口到出口的單向流動形態(tài)，避免引排口間水流“短路”，并減小死水區(qū)．

(2)分析判斷集中引排后可能出現(xiàn)的死水區(qū)的位置及其水體在景觀水位以下的體積Vi，并按照設(shè)定的引排方式、更新周期，確定這些死水區(qū)的平均水力駐留時間 T[14]，初定分布式引水點位置，并初步估計分布式引水流量 Qdi＝Vi/T，平均水力駐留時間一般為1～2 d，本文的平均水力駐留時間T取1 d．

(3)運用數(shù)學(xué)模型，分別對集中引排和集中引排與分布式引水相結(jié)合的運行工況進行模擬計算，根據(jù)計算分析結(jié)果，必要時對初定的補水地點和初估的補水流量做相應(yīng)調(diào)整．

分布式引水點的出水設(shè)施可采用明渠、潛堰或設(shè)有沿線出水狹槽、孔口或管嘴的水下管道．引入水在引水點的出水方向、出水長度和出水深度也是需要密切關(guān)注的問題．設(shè)置的原則是盡可能有效地消除死水區(qū)，增加死水區(qū)的水流動力，改善死水區(qū)水質(zhì)，同時兼顧出水處附近的環(huán)境景觀；出水流速及垂直面上出水方向的確定還應(yīng)注意避免引起出水口附近的底泥上揚．

2 引排水操作模式

在對工程布置方案進行選擇時，尚需考慮相應(yīng)合理的引排水操作模式．引排換水更新湖內(nèi)水體的一般程序可以是先引后排、先排后引或邊引邊排等．由于城市湖泊為城市景觀水體，湖岸外地勢平坦，不宜用先引后排方式．由于受到景觀水位要求以及湖泊出口條件的限制，一般也不可能采用單一的先排后引方式．因此，考慮景觀要求并為提高引排換水改善湖內(nèi)水質(zhì)的效果，可利用出口的控制設(shè)備進行控制，開始時先從出口排水，將湖水位預(yù)降一定深度，以預(yù)先排出部分湖內(nèi)濁水；然后邊引邊排，并視湖內(nèi)水質(zhì)改善狀況相機停止排水，再繼續(xù)引水直至湖內(nèi)恢復(fù)到正常水位．

引排水操作可采用分布式引水先于集中引水、先上游后下游、先半封閉水域后鄰接湖灣區(qū)的順序進行．為了提高換水效果，還應(yīng)力圖避免分布式引水點附近的水域在集中引水時形成明顯的回流．

分布式引水點的位置、引水流量、出水參數(shù)以及引排操作程序的選擇，其目標是努力營造更新湖泊水體的有利流動態(tài)勢，增加水體動力，提高水質(zhì)的改善效果．

3 數(shù)學(xué)模型

為了分析比較各種引排工程布置和引排操作條件下湖泊內(nèi)水體的更新效果，選擇較佳的工程布置方案和引排操作程序，可利用數(shù)學(xué)模型對相應(yīng)的流場和濃度場進行數(shù)值模擬，并對相應(yīng)的結(jié)果進行分析．城市湖泊水深較小，相對于水深，平面尺度較大，可用沿水深平均的二維數(shù)學(xué)模型，它們包括水動力數(shù)學(xué)模型和表征污染物輸移的數(shù)學(xué)模型．

3.1 水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程

動量方程

其中

式中：U、V分別為 x、y方向的水深平均流速；h為水深；νt為渦動黏性系數(shù)；zb為床面高程；ρa為空氣密度；wa為風(fēng)速；CD為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；τax、τay為作用于水面上的風(fēng)應(yīng)力在 x、y方向的分力；ρ為水密度；g為重力加速度；C 為謝才系數(shù)；τbx、τby為床面摩阻力在x、y方向的分力．

同時借助水質(zhì)點的運移追蹤，在引水開始時，于各分布式引水點附近湖灣內(nèi)代表性位置處投放標記質(zhì)點．根據(jù)計算進程，追蹤這些質(zhì)點，逐一記錄它們隨流移動的位置．對每一標記質(zhì)點，連接其逐時移動的位置形成該標記質(zhì)點的運動軌跡．據(jù)此可直觀地考察這些標記質(zhì)點的運移路徑．當(dāng)按相等時間間隔在其跡線上標注其逐時位置時，則可在此軌跡上直觀地分辨這些質(zhì)點何時到達何種位置，另外，還可根據(jù)跡線上標注點的疏密判斷當(dāng)?shù)亓魉俚目炻?/p>

3.2 污染物輸移數(shù)學(xué)模型

為了從總體上闡明換水的效果，需對湖中可溶性表征污染物在引排換水過程中的摻混稀釋輸移進行分析．

設(shè)原湖泊中可溶性表征污染物的濃度為 c0，引入水的水質(zhì)表征濃度為 c1，引水后湖中水質(zhì)表征濃度為 c，不計引排期間污染物的降解(即視為保守性物質(zhì))，并忽略在此期間湖周邊地區(qū)污染物的輸入，則直角坐標系中的輸運方程為

式中 Dt為彌散系數(shù)，在沒有率定的實測資料時，常用一些經(jīng)驗公式結(jié)合計算經(jīng)驗估算，取值范圍為 0.12～3,m2/s，考慮到本模型網(wǎng)格尺度甚小，按經(jīng)驗估計并經(jīng)試算，取彌散系數(shù)Dt＝1,m2/s．

運用式(8)并利用相應(yīng)工況下流場數(shù)學(xué)模型逐時計算所得的流速，計算湖中水質(zhì)表征濃度c隨時間的變化．

將上述方程組變換為曲線正交坐標系下的形式，連同相應(yīng)的邊界條件和初始條件，運用有限體積法離散求解[15]，可得到湖內(nèi)不同工程布置方案和引排操作條件下湖內(nèi)水體的逐時流場和濃度場．

4 應(yīng)用實例

圖1為一城市湖泊平面圖，湖面面積約82 hm2，景觀水位 6.2,m 以下，水體體積 160×104,m3．該湖分南北兩湖，其間由總寬 4,m 的無壓箱涵連通，湖中有若干小島．從圖中可以看出，該湖湖岸邊界復(fù)雜，存在多個湖灣．圖中同時表示了主要引排水口、10個分布式引水點位置及出水方向．分布式引水采用水下管道附設(shè)出水短管的出水設(shè)施，出水深度為出水口附近在距湖底0.4～0.5倍當(dāng)?shù)厮畹母叨忍?，垂直面上出水，方向水平?/p>

圖1 城市湖泊平面示意Fig.1 Plane sketch of urban lake

應(yīng)用本文建立的數(shù)學(xué)模型，對引排工程布置和引排操作條件下的湖內(nèi)流場和濃度場進行了對比模擬，表 1為兩種計算工況的引水流量組合．計算中假定引排開始前全湖水質(zhì)表征濃度均勻，c0＝40,mg/L，引入水的水質(zhì)表征濃度c1＝20,mg/L．

表1 計算引水流量組合Tab.1 Computational combinations of water diverting discharge

4.1 集中引排方案

圖2為集中引排方案(從南湖進口集中引水6,m3/s時)的湖內(nèi)流場．圖3為集中引排水開始時投放于分布式引水點的標記質(zhì)點在此過程中的運移軌跡．圖4給出了自引排水開始后60,h湖內(nèi)的水質(zhì)濃度場．

從僅用集中引排水的流場、濃度場和標記質(zhì)點在此過程中的運移軌跡可以發(fā)現(xiàn)，單從南湖進口集中引水時，計算的湖內(nèi)流場顯示，該湖的一些湖灣區(qū)基本上是死水區(qū)，水體停滯不動．而從該條件下的濃度場也可以看出，各湖灣區(qū)水質(zhì)濃度仍然很高，例如補水點 6-1#附近的湖彎區(qū)，引排開始后 60,h的水質(zhì)濃度仍達38.3,mg/L左右．

這些湖灣地區(qū)的濃度較引排開始時的濃度略微降低僅僅是由于擴散的作用．由圖 3可見，在這些地區(qū)引排開始時投放的質(zhì)點仍然停留在原地附近，表明這些區(qū)域?qū)嶋H上為死水區(qū)．因此，單靠湖泊進出口集中引水和排水并不能有效地更換湖灣區(qū)的水體，湖內(nèi)水質(zhì)改善的總體效果較差．

圖2 集中引排水湖內(nèi)流場示意Fig.2 Flow field of concentrated water diverting

圖3 集中引排水標記質(zhì)點運移軌跡Fig.3 Marked particle moving tracing of concentrated water diverting

圖4 集中引排60 h后湖內(nèi)水質(zhì)濃度場Fig.4 Water concentration fields 60 h after concentrated water diverting

4.2 集中與分布式結(jié)合引排方案

圖5是進口集中引水4.00,m3/s、分布式引水點總引水流量1.99,m3/s條件下，自引水開始后12,h的湖內(nèi)流場．圖6顯示了引水開始時投放于引水點的標記質(zhì)點在此過程中的運移軌跡．圖7為初始48,h進口集中引水4.00,m3/s、分布式引水點總引水流量1.99,m3/s，而后 12,h各分布式引水點繼續(xù)引水，但進口集中引水流量降至1.00,m3/s條件下，自引水開始經(jīng) 60,h湖內(nèi)的水質(zhì)濃度場．

對湖灣區(qū)的水體更新而言，進行岸邊分布式引水促使水流向湖灣外流動將是一種有效的方法，一般地，岸邊分布式引水的作用是為了將原來此地的死水流動起來，將“臟水”挾帶出去．從圖 5的流場可見，集中引水與分布式引水結(jié)合以后，湖灣區(qū)內(nèi)的水體向外流動．圖 6中的結(jié)果表明，引水開始時投放于引水點的標記質(zhì)點一直朝湖出口方向運動．表 2給出了集中引排和集中與分布式結(jié)合引排各引水點附近湖灣水質(zhì)濃度比較．

從表 2、圖 4和圖 7的比較可知，采用集中與分布式引水相結(jié)合的方法對于提高全湖的水質(zhì)改善效果作用明顯，如引水點 6-1#附近的湖彎區(qū)，引排開始后 60,h的水質(zhì)濃度由集中引排的 38.3,mg/L左右降至21.3,mg/L；而且在上述兩種方案中，集中與分布式引水相結(jié)合的方法引入的水量約為集中引排方法引入水量的90%．

圖5 集中加分布式引水湖內(nèi)流場Fig.5 Flow field of concentrated and distributed water diverting

圖6 集中加分布式引水標記質(zhì)點運移軌跡Fig.6 Marked particle moving tracing of concentrated and distributed water diverting

圖7 集中與分布式引水60 h后湖內(nèi)水質(zhì)濃度場Fig.7 Water concentration fields 60 h after concentrated Fig.7 and distributed water diverting

表2 集中引排和集中與分布式結(jié)合引排各引水點附近湖灣水質(zhì)濃度Tab.2 Lake bay water concentration of concentrated Tab.2進 water diverting，concentrated and distributed Tab. 2 water diverting

5 結(jié) 論

(1) 為了改善城市湖泊的水質(zhì)，除了截污、清淤等重要措施以外，引清促活是改善城市湖泊水質(zhì)的一種見效較快的方法．

(2) 城市湖泊往往湖岸曲折多彎，集中引排方法常存在一些死水區(qū)，其中的水體缺乏水動力條件，水質(zhì)得不到有效更新，影響了引水改善湖泊水質(zhì)的總體效果．

(3) 集中引水與分布式引水相結(jié)合的方法可明顯減小或消除湖灣的死水區(qū)，顯著提高全湖水質(zhì)改善效果．

(4) 采用集中引水與分布式引水相結(jié)合的方法，在選擇較佳的工程布置方案和引排操作程序時，可運用數(shù)學(xué)模型分析及相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟進行比較．

［1］劉曉東. 城市人工湖泊引調(diào)水方案優(yōu)化評估指標體系研究及應(yīng)用[J]. 環(huán)境保護科學(xué)，2009，35(4)：34-37.

Liu Xiaodong. Application and study on optimization assessment indicator system for water diversion project of urban artificial lakes[J].Environmental Protection Science，2009，35(4)：34-37(in Chinese).

［2］Baek Yong-Wook，An Youn-Joo. Assessment of toxic heavy metals in urban lake sediments as related to urban stressor and bioavailiability[J].Environ Monit Assess，2010，171：529-537.

［3］Liu Guangrong，Ye Chunsong，He Jinghao，et al. Lake sediment treatment with aluminum，iron，calcium and nitrate additives to reduce phosphorus release[J].Journal of Zhejiang University：Science A，2009，10(9)：1367-1373.

［4］Koc Cengiz. The effects of the environment and ecology projects on lake management and water quality[J].Environ Monit Assess，2008，146：397-409.

［5］Carla Bonacinal，Waleed Hamza，Andrea Pasteris. Modelling the population dynamics of Daphnia obtusa(Kurz)in Lake Orta(N. Italy)under pre- and post-liming conditions[J].Aquatic Ecology，2005，39：93-106.

［6］王振宇，李富強，陳昌軍. 錢塘江引水入城工程水質(zhì)分析及預(yù)測研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2005，24(4)：47-51.

Wang Zhenyu，Li Fuqiang，Chen Changjun. Study on water quality analysis and forecast of Qiantang River diversion project[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24(4)：47-51(in Chinese).

［7］Sachi Nakashima，Yoshihiro Yamada，Kuninao Tada.Characterization of the water quality of dam lakes on Shikoku Island，Japan[J].The Japanese Society of Limnology，2007，8(1)：1-22.

［8］Sun Bingyao，Tan Jianzhong，Wan Zhigang，et al. Allelopathic effects of extracts from Solidago canadensis L.against seed germination and seeding growth of some plants[J].Journal of Environmental Sciences，2006，18(2)：304-309.

［9］唐林森，陳 進，黃 薇，等，湖泊等封閉及半封閉性水體水華治理方法[J]. 長江科學(xué)院院報，2007，24(6)：38-41.

Tang Linsen，Chen Jin，Huang Wei，et al. Introduction of algae-bloom treatment method in enclosed and half-enclosed eutrophication water[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24(6)：38-41(in Chinese)

［10］Wauer G，Gonsiorczyk T，Kretschmer K，et al. Sediment treatment with a nitrate storing compound to reduce phosphorus release[J].Water Research，2005，39：494-500.

［11］Lin Donghai，Qiu Yanling，Huang Hongyan，et al. Hyperspectrum models for monitoring water quality in Dianshan Lake，China[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2009，27(1)：142-146.

［12］Arzate-Cárdenas M ，Martínez-Jerónimo F ，Olvera-Ramírez R，et al. Microcystis toxigenic strains in urban lakes：A case of study in Mexico City[J].Ecotoxicology，2010，19(6)：1157-1165.

［13］Amiri B J，Nakane K. Modeling the linkage between river water quality and landscape metrics in the Chugoku District of Japan[J].Water Resour Manag，2009，23(5)：931-956.

［14］Thomann R V，Mueller J A.Principles of Surface Water Quality Modeling and Control[M]. New York：Harper &Row，1987：174-176.

［15］譚維炎. 計算淺水動力學(xué)：有限體積法的應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1998.

Tan Weiyan.Computational Shallow Water Hydrodynamics：Application of Finite-Volume Method[M]. Beijing：Tsinghua University Press，1998(in Chinese).