湖泊水质模拟：不同引水方案的比较分析

为了研究不同引水方案对大东湖污染物输移扩散的影响，分析各湖泊水质的变化规律，选择代表年系列中平水年可连续自流引水的7月（31天）作为水质模拟计算时段，以其入湖径流过程作为水流边界条件，以各湖区丰水期水质浓度为初始浓度，以各湖区环湖入湖点源和面源为水流水质边界条件。根据《湖北省武汉市大东湖生态水网构建总体方案》（以下简称《总体方案》），点源削减采用原污染物总量的95%，入湖面源削减采用原污染物总量的60%。选取湖区7月的主导风向（SSW）和平均风速（2.6m/s）作为背景风场，模拟计算不同引水方案条件下，各湖泊水质指标COD、TN、TP的时空变化规律。

引水持续时间为31天，引水计算方案见表6.2.5所示。

表6.2.5　引水计算方案

6.2.3.1　边界及初始条件

1.长江入湖水质

经过对长江水质监测资料的综合分析，结合引水时期的需求，确定长江丰水期和枯水期的本底水质见表6.2.6。

表6.2.6　长江本底水质单位：mg/L

在引水闸后均设置有絮凝沉淀池，对长江水质进行净化，根据试验观测结果，确定长江入湖水质见表6.2.7。

表6.2.7　长江入湖水质单位：mg/L

2.湖泊本底值

根据近几年湖泊水质实际监测数据，经统计分析确定各湖泊丰水期和枯水期污染物的初始浓度见表6.2.8。

表6.2.8　各湖（区）近年污染物的初始浓度单位：mg/L

续表

沙湖、东湖、严西湖和北湖的水质指标COD、TP、TN的初始浓度空间分布见图6.2.7～图6.2.9。需要说明的是从曾家巷引水时，为了减少湖泊之间污染物的迁移，需要先改善沙湖水质，再向东湖引水。根据相关单位的研究成果，沙湖的本底水质取COD为25mg/L、TP为0.075mg/L、TN为1.25mg/L。

3.入湖污染物

根据实测资料获得基准年各湖泊点源入湖污水量和污染物浓度，按照《总体方案》，其削减目标为：第一年削减总量的85%；第二年削减总量的90%；第三年和第四年削减总量的95%；第五年削减总量的97%。

根据大东湖流域各湖泊周边汇水区分区基准年面源入湖量，按照《总体方案》其削减目标为：第一年削减总量的50%；第二年削减总量的55%；第三年削减总量的60%；第四年削减总量的65%；第五年削减总量的70%。

按照《总体方案》确定的各湖泊降尘污染负荷分配，实施环保措施后，降尘污染负荷可以得到相应的削减。

6.2.3.2　方案一水质模拟

模拟情景：采用表6.2.5所示的引水设计方案一，即从青山港引水流量为40m3/s，持续引水31d，利用建立的水动力水质模型计算得到沙湖、东湖、严西湖和北湖的COD、TP、TN的浓度场的空间分布，见图6.2.10～图6.2.12。

6.2.3.3　方案二水质模拟(www.xing528.com)

模拟情景：采用表6.2.5所示的引水设计方案二，即从曾家巷引水流量为40m3/s，持续引水31d，利用建立的水动力水质模型计算得到沙湖、东湖、严西湖和北湖的COD、TP、TN指标的浓度场的空间分布见图6.2.13～图6.2.15。

6.2.3.4　方案三水质模拟

模拟情景：采用表6.2.5所示的引水设计方案三，即从青山港引水流量为30m3/s，曾家巷引水流量为10m3/s，持续引水31d，利用建立的水动力水质模型计算得到沙湖、东湖、严西湖和北湖的COD、TP、TN指标的浓度场的空间分布见图6.2.16～图6.2.18。

6.2.3.5　水质改善效果分析

通过对上述3种引水方案湖泊水质指标平均浓度的计算分析，得到各污染物指标相对于其初始浓度的改善效果（见表6.2.9～表6.2.11），3种方案对4个湖泊的水质平均改善效果见表6.2.12。

表6.2.93　种方案COD改善效果统计表

表6.2.103　种方案TN改善效果统计表

表6.2.113　种方案TP改善效果统计表

表6.2.124　个湖泊总体平均改善效果统计表

由表6.2.9～表6.2.11的统计结果表明，引水方案一对东湖中的汤菱湖、官桥湖、团湖、后湖以及严西湖、北湖的各污染物指标的改善效果优于方案二。方案二中后湖TN和TP变差的主要原因是水质较差的郭郑湖的水体进入了水质相对较好的后湖所致。但引水方案二对沙湖、水果湖和郭郑湖的各污染物指标的改善效果优于方案一。方案三吸取了方案一和方案二的优点，从表6.2.12可以看出，方案三对4个湖泊水质的总体改善效果优于方案一和方案二，尤其对TN和TP的改善效果较为明显。众多的湖泊富营养化研究结果表明，氮和磷是藻类生长所必需的营养元素，但同时也是藻类生长的限制性营养元素。因此，方案三对氮、磷的改善效果有利于降低湖泊富营养化水平，加快湖泊水生态系统的修复。下面针对方案三的引水流量做进一步的模拟分析。