本文摘要：摘要：為恢復(fù)固城湖水域面積和湖泊容積，改善湖泊生態(tài)環(huán)境狀況，高淳當?shù)卣畬坛呛卑队缆?lián)吁和永兆號部分土于區(qū)實施退號還湖計劃，還湖面積為6.41km2o通過建立固城湖退吁前后二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型，進行退土于前后固城湖水質(zhì)計算與預(yù)測，并選取固城
摘要：為恢復(fù)固城湖水域面積和湖泊容積，改善湖泊生態(tài)環(huán)境狀況，高淳當?shù)卣畬坛呛卑队缆?lián)吁和永兆號部分土于區(qū)實施退號還湖計劃，還湖面積為6.41km2o通過建立固城湖退吁前后二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型，進行退土于前后固城湖水質(zhì)計算與預(yù)測，并選取固城湖飲用水水源地取水口、固城湖小湖區(qū)湖心、固城湖大湖區(qū)湖心三個代表性點位進行退吁前后計算水質(zhì)濃度對比分析，預(yù)測得到退丹后固城湖COD、TN、TP年均水質(zhì)濃度分別改善6.8%、5.2%、10.0%。
關(guān)鍵詞：退號還湖;固城湖;水環(huán)境數(shù)學模型
引言
固城湖，是長江支流水陽江下游一座天然蓄滯山洪的調(diào)節(jié)湖泊，位于南京市高淳區(qū)中南部，是高淳區(qū)最重要的集中式飲用水源地[12]。固城湖圍墾歷史久遠，上個世紀80年代前，保證糧食供給是當時社會最迫切需求之一，固城湖周邊圍號造田較多。固城湖1949年前面積約78km2，經(jīng)過建國后的湖灘圍墾，今湖面縮小至31.99km2，湖面蓄水能力降低、水體流動減弱，區(qū)域水質(zhì)也有惡化趨勢⑶。為提高區(qū)域防洪能力，改善湖泊水質(zhì)、水生態(tài)，滿足區(qū)域供水和灌溉要求，促進地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，實施退號還湖十分必要⑷。
水質(zhì)模型旨在研究污染物在水中遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律以及各種因素的作用關(guān)系，經(jīng)過幾十年不斷研究探索，水質(zhì)模擬從靜態(tài)過度到動態(tài)，從零維模型發(fā)展至多維模型，模型納入的參數(shù)也在不斷增加，模型的適用范圍也從單一水體演變?yōu)槟骋涣饔虻木C合模擬⑸。目前運用較為廣泛的水質(zhì)模擬軟件有威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所開發(fā)的EFDC、美國環(huán)境保護總局開發(fā)的WASP模型、丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE系列模型等等。
隨著水質(zhì)模型深入發(fā)展，與許多新興技術(shù)的結(jié)合，例如云計算、人工智能算法的應(yīng)用將會大幅度提升模型的計算效率和精度，在與物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、云技術(shù)的碰撞下，未來能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字預(yù)警、識別黑臭水體、考察海域污染，凸顯實時性、動態(tài)性、高速度、尺度廣等優(yōu)勢⑹O本文以固城湖為研究對象，利用MIKE21建立固城湖二維非穩(wěn)態(tài)模型，預(yù)測其北部部分號區(qū)退號后，固城湖湖區(qū)產(chǎn)生的水質(zhì)變化，為退號還湖改善湖泊水環(huán)境提供依據(jù)。
1研究區(qū)域概況
固城湖北臨石臼湖，東抵太湖湖西地區(qū)，西面是水陽江流域的平原、好區(qū)，南接水陽江流域所屬的皖南山區(qū)。固城湖為草型淺水湖泊，由于多年圍墾，湖泊形態(tài)已發(fā)生很大變化，由心形湖泊隔離成兩個湖區(qū)，分別為大湖區(qū)和小湖區(qū)，大湖區(qū)面積約為小湖區(qū)的8~10倍固城湖位置。
上個世紀80年代前，保證糧食供給是當時社會最迫切需求之一，加之當時人們對湖泊功能認識不夠全面，忽視了湖泊在自然生態(tài)系統(tǒng)中的作用，固城湖開發(fā)利用的主要方式是圍號造田。固城湖周邊主要號區(qū)有永勝號、永聯(lián)號、躍進號、永兆號、浮山號、花聯(lián)號等⑻。根據(jù)實際情況，考慮到退號還湖工程的成本和工程可操作性，選取湖區(qū)北部永聯(lián)號和永兆號作為退號對象，恢復(fù)水面6.41km2，固城湖水面面積由現(xiàn)狀的31.99km2增加至38.4km2，退號范圍。退好區(qū)域為大閘蟹、魚類養(yǎng)殖塘及塘梗，對其實施清淤，清淤控制底高程為大湖區(qū)湖底高程。
2研究方法
為了分析固城湖退號還湖前后湖區(qū)總體水質(zhì)變化，本次研究分別構(gòu)建固城湖現(xiàn)狀與退號還湖后的二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型進行水質(zhì)模擬計算。
2.1水動力模型基本方程
基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Novier-Stokes方程，并服從于Bonssinesq假定和靜水壓力的假設(shè)⑼。
2.2水質(zhì)模型基本方程
水質(zhì)模型方程是以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)的，采用垂向平均的二維水質(zhì)模型，一污染物濃度;u、v一x、y方向上的流速分量;E*、E一x、y向上的擴散系數(shù);Kj—污染物降解系數(shù);污染物底泥釋放項。
2.3模型構(gòu)建
固城湖為草型淺水湖泊，湖泊水域面積約31.99km2，分為大湖區(qū)和小湖區(qū)(西北角)，大湖區(qū)的湖底高程在5.30-6.30m之間，小湖區(qū)湖底高程在5.90-6.20m之間，非汛期正常蓄水位為9.5m[10-11]o主要出入湖河道有漆橋河、石固河、官溪河、胥河等。在固城湖模型構(gòu)建中水動力及水質(zhì)模塊考慮了以下特征：①固城湖地形較為平坦，平均水深約為3.5m，湖流不存在十分復(fù)雜的水動力特征;②淺水特性導(dǎo)致水動力、水質(zhì)指標在垂向近似均勻，垂向不分層，即以垂向平均值表達;③研究區(qū)域風向呈明顯季風型，模型風場按照多年統(tǒng)計資料，設(shè)冬春為東北風，平均風速3.lm/s，夏秋為東南風，平均風速2.7m/s;④構(gòu)建水質(zhì)模型時利用胡開明等[⑵做的同類型湖泊底泥再懸浮實驗研究成果，模塊設(shè)置底泥TN釋放系數(shù)為0.25g/(m2•d)，底泥TP釋放系數(shù)為0.lg/(m2•d)o根據(jù)衛(wèi)星圖提取的固城湖地形、固城湖高淳站(1950-2017年)水位資料以及退號范圍控制底高程和水位。
2.4模型參數(shù)確定
根據(jù)南京市環(huán)境監(jiān)測站提供的固城湖2017年全年逐月水質(zhì)監(jiān)測資料，固城湖的3個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點位如圖6所示，分別為①大湖區(qū)湖心、②小湖區(qū)湖心、③取水口。本研究選�、�、②點位進行水動力、水質(zhì)模型參數(shù)率定。
2.4.1水動力模型參數(shù)率定
由于固城湖湖區(qū)內(nèi)無水文水位監(jiān)測站，因此選取大湖區(qū)湖心和小湖區(qū)湖心點位在豐平枯不同條件下的3天實測水位(分別為7月3日~5日、11月4日~6日、1月9日~11日)進行水動力參數(shù)率定。率定得到模型水平渦粘系數(shù)Cs取值0.27;湖底糙率用曼寧數(shù)表示，大、小湖區(qū)湖底糙率存在差異，率定得到小湖區(qū)湖底糙率為0.022，大湖區(qū)糙率取值為0.018;隨著季節(jié)變化的風向、風速影響，率定得到風拖曳系數(shù)冬春季節(jié)(1~5月、12月)為0.0016，夏秋季節(jié)(6~11月)為0.00120大湖區(qū)和小湖區(qū)水位計算值與實測值絕對誤差均小于10cm，水位模型計算值與實測值吻合較好。由此可見，該模型參數(shù)選取合理，可以用于模擬并描述固城湖湖體水動力的變化過程。
3結(jié)果與分析
利用建立的固城湖退號還湖前后水環(huán)境數(shù)學模型，分別計算豐平枯三種不同水量條件下固城湖退號前后的COD、TN、TP水質(zhì)濃度，固城湖3個代表性點位進行退號還湖前后水質(zhì)計算結(jié)果對比，分析退號還湖工程對固城湖水質(zhì)影響。退好還湖工程拆除了湖區(qū)北岸原號區(qū)的蟹塘、魚塘及塘梗，湖區(qū)自由水面面積增加，原號區(qū)養(yǎng)殖塘污染源消失，根據(jù)模型預(yù)測水質(zhì)結(jié)果，湖區(qū)3個代表點位的水質(zhì)因子在豐平枯時期均有不同程度的改善，其中取水口氮磷平均水質(zhì)濃度改善可達7.3%和16.1%。固城湖退號還湖工程對湖區(qū)整體水質(zhì)改善及供水安全存在正效應(yīng)影響。
4結(jié)語
本文通過構(gòu)建固城湖退號還湖前后的水環(huán)境數(shù)學模型，在豐平枯不同水量條件下計算及預(yù)測退號前后固城湖湖區(qū)水質(zhì)，選取固城湖三個代表性點位的水質(zhì)計算結(jié)果進行分析得到以下結(jié)論：固城湖北岸水產(chǎn)養(yǎng)殖好區(qū)退6.41km2后，原好區(qū)變?yōu)樽杂伤娌辉佼a(chǎn)生養(yǎng)殖污染，湖泊面積增加，湖區(qū)水質(zhì)整體改善，預(yù)測水質(zhì)因子COD、TN、TP總體分別改善了6.8%、5.2%、10.0%，退號還湖工程對湖區(qū)水質(zhì)改善存在正效應(yīng)影響。
參考文獻：
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環(huán)境改善論文投稿刊物：《環(huán)境保護科學》Environmental Protection Science(雙月刊)1975年創(chuàng)刊，以反映環(huán)�？萍碱I(lǐng)域的熱點問題為宗旨，內(nèi)容涉及環(huán)境科學各個領(lǐng)域，主要刊登環(huán)境科學領(lǐng)域的新成果、新技術(shù)、新方法，環(huán)境管理的新理論、環(huán)境科學發(fā)展的新動向等方面的學術(shù)論文。讀者對象為從事環(huán)境保護工作的管理、科研、工程技術(shù)人員、大專院校環(huán)境科學及相關(guān)專業(yè)師生及有關(guān)專家學者。
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