东沙湖渠连通后水质模拟探究

大东湖水质监测数据可为水质评估提供依据，但目前大东湖的水质监测为定点、定时人工监测，难以反映污染物的连续动态变化。为了研究水力调度技术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，需开展水质数值模拟研究。

湖泊流域的面源污染包括降尘、降雨、养殖投饵和水面旅游等直接入湖的面源污染和经由地表径流、土壤渗透和地下水径流间接入湖的面源污染。其中，暴雨径流是面源污染物的主要输出途径，自身也会带来大量的污染物，水量和水质时空变化极大，短时间内携带大量泥沙和污染物入湖，污染冲击极强。因此，本次研究主要针对暴雨径流污染带来的水量和水质进行模拟研究，选取“20130705”大暴雨作为典型暴雨开展水质模拟，进行实例研究。

6.4.3.1　初始与边界条件

选取模拟计算的水质指标为表征水体富营养化程度的指标TP。模型计算时间从2013年7月1日0时起至7月20日0时止。

1.入流与出流

沙湖和东湖汇水分区见图6.4.8，各汇水分区降雨产水量按径流系数法计算，暴雨径流系数根据暴雨量级和下垫面条件综合确定。收集2013年7月新生路、前进路、罗家路泵站每小时抽排水量资料，计算得到东湖经楚河排水量及东湖经新沟渠排水量。

图6.4.8　沙湖与东湖面源汇水分区

新生路和前进路泵站在汛期同时抽排沙湖汇水区来水，故汛期东湖经楚河排水量可由以下公式进行计算：

W1=W2+W3-W4

式中　W1——汛期东湖经楚河排水量，m3；

　　　W2——汛期新生路泵站排水量，m3；

　　　W3——汛期前进路泵站排水量，m3；

　　　W4——汛期沙湖汇水区产水量，m3。

当区域发生暴雨时，罗家路泵站优先排除罗家路汇流片渍水和二郎庙污水处理厂尾水，再排出东湖调蓄水量，故汛期东湖经新沟渠排水量可由罗家路泵站排水量减去罗家路汇水区产水量和二郎庙污水处理厂尾水量得到。

2.湖区风场

湖区风场采用多年月平均风速与风向。在研究周期内，盛行风向多为SSW风向，风速为2.6m/s。

3.初始水位与流速

各湖泊运行水位分别为：东湖19.15m，沙湖19.15m。初始流速均为0。

4.暴雨径流污染物浓度计算

根据降水量与城市径流和农村面源污染负荷计算得到暴雨径流污染物浓度，见表6.4.6。

表6.4.6　各汇入口暴雨径路污染物浓度

5.初始水质

东湖初始污染物浓度为0.095mg/L，沙湖初始污染物浓度为0.332mg/L。

6.4.3.2　连通后流场分析(www.xing528.com)

根据上述初始与边界条件，模拟计算连通后各湖泊流场，计算结果见图6.4.9。

由图6.4.9（a）可见，郭郑湖区是东湖的主体，在SSW风作用下，东湖湖区以逆时针环流为主体，并在靠近西部沿岸区域形成相应的顺时针补偿环流。在泵站抽水工作期间，引东湖水入沙湖，在水果湖、郭郑湖西部形成明显的引水流路。

由图6.4.9（b）可见，由于SSW风向与沙湖走向基本一致，在风场作用下，在沙湖西部形成较大的顺时针环流。在泵站抽水工作期间，东湖水经由东沙湖渠（楚河）进入沙湖，又经前进路、新生路泵站排至长江，形成明显的流路。

6.4.3.3　连通后水质分析

2013年7月5—7日，特大暴雨降临武汉，降雨量共290.6mm，降雨量达到50年一遇水平。“20130705”大暴雨东湖水质模拟结果见图6.4.10和图6.4.11，沙湖水质模拟结果见图6.4.13和图6.4.14。

图6.4.9　各湖泊流场分析结果

由图6.4.10一时段模拟结果可知，随着暴雨汇流入湖，由暴雨径流带来的污染物数量多，时间短冲击大。在水果湖等汇流入口处的高浓度污染区域TP浓度高达0.66mg/L，其面积不断变大，并且扩散缓慢，与湖泊本底污染情况形成明显界限。

由图6.4.11二时段模拟结果可知，随着时间的推移，高浓度污染区域的颜色逐渐变淡，这是由于一时段降雨已经结束，二时段暴雨径流无污染物入湖，随着扩散作用，绝大部分汇入湖泊的污染物逐渐扩散到湖泊其他区域，形成整体污染。

由图6.4.11亦可看到，暴雨带来的污染在庙湖、后湖等水域很难扩散出去，即便暴雨停止，高浓度面积几乎不变，这些区域因地形原因，湖流运动缓慢，其污染状况相对其他子湖区更难治理。

前进路、新生路和罗家路泵站在降雨开始9h后排水，东湖暴雨汇水分别经东沙湖渠（楚河）和新沟渠排出。图6.4.12为调水时东沙湖渠TP浓度，由图可知，水果湖等汇水口降雨产生的高浓度污染物还未完全扩散时，已经由东沙湖渠（楚河）排入沙湖，初期浓度高达0.5mg/L，对沙湖水质会造成一定影响。

图6.4.12　调水时东沙湖渠TP浓度

由图6.4.13可知，随着暴雨汇流入沙湖，由暴雨径流带来的污染物数量多，时间短，冲击大。汇流入口处的红色高浓度区域TP浓度高达0.8mg/L，其面积不断变大，并且扩散缓慢，与湖泊本底污染情况形成明显界限。

随后，东湖水经由东沙湖渠（楚河）进入沙湖，继而通过前进路、新生路泵站排出。由东沙湖渠（楚河）引入的东湖水TP浓度最高可达0.51mg/L，造成沙湖水体的短暂污染。由图6.4.12亦可知，东沙湖渠引入东湖水质在48h后TP浓度迅速降至0.3mg/L，低于沙湖水质本底值，在72h后降至0.13mg/L，对沙湖而言，属于洁净雨水资源。由图6.4.14可知，沙湖水质逐渐好转，TP浓度在逐步降低，这主要是由于一时段降雨已经结束，二时段暴雨径流无污染物入湖，随着扩散作用，绝大部分汇入湖泊的污染物逐渐扩散到湖泊其他区域，且由东沙湖渠引入东湖洁净雨水，加快了沙湖的水体交换，促进沙湖水质逐步改善。同时可看到，沙湖西南部湖区水质优于东北部湖区，这主要是由于东沙湖渠（进水口）和新生路泵站（出水口）都位于西南部湖区，沙湖的水体交换主要在此湖区完成，与此同时，沙湖污水处理厂污水经沙湖港排入沙湖东北部湖区，故而东北部湖区水质劣于西南部湖区，造成沙湖湖区水质空间分布上的差异。

6.4.3.4　水质改善效果评估

为了研究东沙湖渠（楚河）连通后水力调度对水质的改善效果，本研究同时模拟计算了东沙湖渠未连通条件下各湖泊TP浓度的时空变化规律，从而与连通后的水质进行对比，评估水质改善效果。

东沙湖渠（楚河）未连通条件下，新生路、前进路泵站仅抽排沙湖汇水区暴雨产水，罗家路泵站在优先排出罗家路汇水区渍水和二郎庙污水处理厂尾水外，再抽排东湖渍水。

图6.4.15为东沙湖渠在连通与未连通条件下暴雨后东湖TP浓度场，由图可见，东沙湖渠未连通时，东湖出水仅通过新沟渠、罗家路泵站排出，受新沟渠过流能力有限、罗家路泵站抽排能力有限等限制因素，东湖渍水不能及时排出，故暴雨径流带来的高浓度污染物不能及时排出，尤其在水果湖、郭郑湖西岸形成高浓度污染带。对比图6.4.15与图6.4.16可知，对于东湖整体，连通后TP浓度略低于未连通条件，差异不大，但在水果湖、郭郑湖西岸等湖区，TP指标远优于未连通条件，这主要是由于东沙湖渠的连通使得水果湖、郭郑湖湖区暴雨径流带来的大量污染物能够迅速排出，从而有利于这些子湖区水质的改善。

由图6.4.17可知，未连通条件下，由于暴雨径流带来的污染，使得湖泊内的TP浓度由初始的0.332mg/L上升至0.446mg/L。对比图6.4.17与图6.4.18可知，沙湖连通后湖区TP平均浓度约0.326mg/L，远低于未连通条件。这主要是由于东沙湖渠连通后，扣除初期暴雨径流后的东湖洁净雨水资源通过东沙湖渠进入沙湖，加快了沙湖的水体交换，有利于改善沙湖的水质。

由图6.4.15～图6.4.18亦可知，东沙湖渠的连通仅增加了东湖一个排水通道，对沙湖水质改善效果较好，对东湖水质改善效果有限，因此，开启引江济湖工程来改善湖泊水质仍然是必要的。