南四湖水质控制方案实施的水质模拟与效果评估

南四湖水质控制方案实施的水质模拟与效果评估任杰;武周虎;史会剑;蔡燕;陈珊;董国栋【摘要】南四湖是保障南水北调东线工程调水水质安全的重要输水通道,对其水质保障综合控制方案阶段实施的输水干线水质改善进行效果评估具有重要的现实意义.基于SMS软件建立了南四湖二维水流水质数学模型,进行了计算边界简化、网格划分、参数选取与设置、模型调试与检验等研究工作,确定了各计算方案的水力学和水质边界条件,模拟计算了南四湖上、下级湖调水期的二维流场和浓度场.结果表明:南四湖流域全面实施“治、用、保”流域综合治污体系,并发挥综合效益的控制方案4的水质最好,同一控制方案输水主航道的水质最好；上级湖控制方案4的调水出湖口CODcr为19.81mg/L,达到地表水Ⅲ类标准,TP为0.0534mg/L,达到地表水Ⅲ类(河流)标准,但未达到地表水Ⅲ类(湖泊)标准；下级湖各控制方案的调水出湖口CODcr和TP均达到地表水Ⅲ类(湖泊)标准,且在相同工况下,下级湖水质优于上级湖；南四湖上、下级湖输水水质模拟计算结果与各水质保障综合控制方案的总排放量相一致,即总排放量大的控制方案其调水出湖口的污染物浓度也高.【期刊名称】《安全与环境工程》【年(卷),期】2012(019)005【总页数】7页(P13-19)【关键词】南四湖;水质保障;综合控制方案;水质模拟;效果评估【作者】任杰;武周虎;史会剑;蔡燕;陈珊;董国栋【作者单位】青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033;山东省环境保护科学研究设计院,济南250013;山东省环境保护科学研究设计院,济南250013;青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033【正文语种】中文【中图分类】X524南水北调东线一期工程计划于2013年正式通水，要求到2012年底作为重要输水调蓄的南四湖水质要稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中Ⅲ类标准，因此其水质改善效果备受关注。

自2000年山东省推行“治、用、保”并举的小流域综合治污策略等各项污染控制措施以来，南四湖主要污染物排放得到了有效控制。

目前我国对于湖泊水质模拟及其应用的研究，主要集中在太湖、滇池、巢湖等污染较严重的湖泊，如朱永春等模拟了太湖梅梁湾的水平和垂直湖流分布；郑丙辉等［2］、刘玉生等［3］改进了滇池生态动力学模型，较好地模拟了TN、TP等水质指标的年内变化情况；屠清英等［4］建立的巢湖生态模型被用于模拟和预测巢湖生态系统健康变化。

为了重点分析调水期南四湖在不同控制方案下调水出湖口、全湖区、输水主航道和岸边污染混合区的污染物浓度达标情况，以提出南四湖整体水质及出湖口水质稳定达标的对策措施，本文采用SMS软件，选取影响湖泊水环境的主要水质指标CODCr和TP，对南四湖进行了水质保障综合控制方案阶段实施的水质模拟与水质改善效果评估。

SMS（Surface Water Modeling System）地表水模型系统环境仿真软件是美国陆军工程兵水文实验室（United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory）和扬·伯明翰大学（Brigham Young University）合作开发的用于水动力模拟的软件［5，6］，适用于流域面积大、水流复杂的水系结构，能够处理几千个二维浅水单元网格组成的系统，主要由水动力模型和泥沙模型组成。

水动力模型中水流模拟软件包RMA2采用有限元法计算垂线平均的水流方程，模拟河流、湖泊、水库等处的流场，为浓度场计算提供节点流速；而水质模拟软件包RMA4则采用有限元法计算垂线平均的移流-扩散方程，模拟溶于水中或自然条件下在水中存在的物质（如COD、BOD等）或藻类、浮游动植物的移流-扩散、混合输移过程或者增长过程［7］。

根据南四湖的自然特征、水流条件和实际基础资料，选用深度平均的二维水流-水质数学模型，其基本方程如下：式中：x、y为直角坐标；u、v为x、y方向的流速分量（m／s）；h为水深（m）；ρ为水的密度（kg／m3）；ρa为空气的密度（kg／m3）；E为涡粘性系数（Pa·s）；xx为x轴面的法线方向；yy为y轴面的法线方向；xy和yx分别为x和y方向的剪切方向；g为重力加速度（m／s2）；z为湖底高程（m）；n 为糙率或糙率系数；γa2为风剪切应力系数；ψ为风向与x方向的逆时针夹角（°）；ω为地球自转角速度（rad／s）；φ为当地纬度（°）；C为湖中污染物浓度（mg／L）；Dx、Dy为x、y方向上的扩散系数（m2／s）；α为污染物综合降解系数（1／d）；S为源与汇。

采用伽辽金有限元法求解上述方程组，借助SMS软件模拟调水设计工况不同控制方案下南四湖CODCr和TP场。

按照有限元网格划分的总体原则对上、下级湖的每个分区进行网格划分，单元格以四边形为主，局部采用三角形和加密网格。

上级湖共划分了7 716个单元，其中三角形单元为2 267个，四边形单元为5 449个，节点为22 965个；下级湖共划分为6 758个单元，其中三角形单元为1 604个，四边形单元为5 154个，节点为17 434个，见图1。

（1）糙率。

南四湖湖内情况复杂，将湖内糙率概化为深槽、芦苇、湖草和明湖4种情况，经测验分析确定采用的糙率分别为：深槽n＝0.025，芦苇n＝0.796 H－2／3，湖草n＝0.226 H－2／3，明湖n＝0.084［5，6］。

（2）扩散系数。

根据明渠污染物水平扩散系数的计算公式：D＝5.93 HU＊［式中：H为平均水深（m）；U＊为摩阻流速（m／s），而U＊＝（gHJ）－1／2，其中J为水力坡度‰，g为重力加速度（m／s2）］，由于南四湖调水流向总体上为由东南至西北，x、y坐标分别为西东向和南北向，故取扩散系数Dx＝Dy＝D。

南四湖调水设计工况条件下，根据流场模拟的计算结果和各湖区流程长度，采用上式对污染物水平扩散系数进行计算，得出南四湖上级湖污染物的水平扩散系数为0.082m2／s，下级湖污染物的水平扩散系数为0.078m2／s。

查阅文献［8］分析认为，南四湖上、下级湖污染物的水平扩散系数值与太湖、琵琶湖污染物的水平扩散系数的较低值保持一致，其计算结果是合理的。

（3）综合降解系数。

由南四湖水质空间分布监测数据［9，10］，采用完全混合水质模型原理，经过南四湖上、下级湖进、出水水量水质的综合平衡计算，确定出抵消内源影响的南四湖上、下级湖CODCr和TP的综合降解系数α值，见表1。

南四湖是南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖4个由西北向东南相连而成湖泊的总称，湖内总面积为1 266km2，南北狭长126km，东西宽5～25km。

南四湖二级闸坝枢纽工程位于南四湖中部，将其分成上级湖（北）和下级湖（南），上级湖面积为606km2，湖底高程约为32.0m，下级湖面积为660km2，湖底高程约为30.5m；天然情况下是上级湖经二级闸泄水入下级湖再经韩庄老运河和不牢河入中运河，而南水北调输水是由下级湖南端进入、经二级坝泵站、由上级湖北端入梁济运河［9，10］。

南水北调东线一期工程南四湖调水设计工况为：下级湖调水入湖口设在湖区东南韩庄老运河和湖西郑集河，设计流量分配为韩庄老运河调入125 m3／s，郑集河调入75m3／s；下级湖调水出湖口设在二级坝东侧泵站引水渠口，上级湖调水入湖口设在二级坝东侧泵站出水渠口，即下级湖调出流量等于上级湖调入流量（为125m3／s）；上级湖调水出湖口设在梁济运河口，调出流量为100m3／s。

南四湖不同站址控制点水位见表2。

南四湖流域面积为31 700km2，其东、西、北三面承接苏、鲁、豫、皖4省32个县（市、区）53条河流的来水。

水质空间分布监测的主要入湖河口35个，其中上级湖23个，下级湖12个［9］。

南四湖水质模拟与水质改善效果评估主要是针对水质保障综合控制阶段实施的4种方案（见表3）进行，以便确定主要入湖河流的流量和水质CODCr及TP等边界输入条件。

（1）控制方案1。

以2010年11月枯水期水质空间分布监测的34条主要河流入湖口（删除了调水期变为上级湖出湖输水干渠的梁济运河入湖口），流量和水质CODCr及TP的实测值为边界输入条件，该实测值对应2000年以来南四湖已实施的政策、法规、标准和治污工程等发挥综合效益的实际情况。

34条主要河流入湖口的流量范围为0.03～2.1 m3／s，入湖总流量为17.26m3／s，其他控制方案各入湖河流均采用实测流量计算；水质CODCr范围为20.8～48.3mg／L，CODCr平均值为31.3mg／L，CODCr的总排放量为49.54t／d，TP范围为0.05～0.88mg／L，TP平均值为0.19mg／L，TP的总排放量为0.386t／d。

（2）控制方案2。

实施了“治、用、保”流域综合治污体系，人工湿地水质净化工程正在建设中。

对龙拱河、老运河、洸府河、房庄河、东鱼河等19条CODCr 实测值超过Ⅳ类标准的入湖河流控制在Ⅳ类标准，即CODCr＝30mg／L；对洸府河、房庄河、老运河、薛城小沙河、郑集河5条TP实测值超过Ⅳ类标准的入湖河流控制在Ⅳ类标准，即TP＝0.3mg／L；其他达到Ⅳ类标准的主要河流采用实测值作为边界输入条件。

34条主要河流入湖口的CODCr的总排放量为41.83t／d，TP的总排放量为0.235t／d。

（3）控制方案3。

建有人工湿地水质净化工程的洸府河、老运河、西支河、老万福河、城郭河、薛城沙河、薛城小沙河、新薛河和界河9条河流，对全部或部分水量共计6.07m3／s，占入湖总流量的35.2%实施水质净化，并达到人工湿地设计的Ⅲ类出水水质标准。

即对经过人工湿地的水质CODCr和TP均按Ⅲ类标准计算，TP实测值好于Ⅲ类标准的按实测值计算，其他无人工湿地的河流均采用实测值作为边界输入条件。

34条主要河流入湖口的CODCr的总排放量为43.90t／d，TP的总排放量为0.256t／d。

（4）控制方案4。

南四湖流域全面实施“治、用、保”流域综合治污体系，并发挥综合效益。

对建有人工湿地水质净化工程的9条河流的边界输入条件处理与控制方案3相同，对无人工湿地水质净化工程的25条河流的边界输入条件处理与控制方案2相同。

34条主要河流入湖口的CODCr的总排放量为38.63t／d，TP的总排放量为0.211t／d。

南四湖上、下级湖各控制方案CODCr和TP的总排放量的对比见图2。

由图2可以看出：在各控制方案中，上、下级湖TP和上级湖CODCr的总排放量排序为控制方案1＞控制方案3＞控制方案2＞控制方案4，而下级湖CODCr的总排放量排序为控制方案1＞控制方案2＞控制方案3＞控制方案4，各控制方案上、下级湖CODCr的总排放量分别占南四湖流域排放总量的78.4%和21.6%，TP的总排放量分别占南四湖流域排放总量的76.7%和23.3%。