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(dāng)?shù)卣畬?duì)固城湖北岸永聯(lián)吁和永兆號(hào)部分土于區(qū)實(shí)施退號(hào)還湖計(jì)劃，還湖面積為6.41km2o通過(guò)建立固城湖退吁前后二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行退土于前后固城湖水質(zhì)計(jì)算與預(yù)測(cè)，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(dāng)?shù)卣畬?duì)固城湖北岸永聯(lián)吁和永兆號(hào)部分土于區(qū)實(shí)施退號(hào)還湖計(jì)劃，還湖面積為6.41km2o通過(guò)建立固城湖退吁前后二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行退土于前后固城湖水質(zhì)計(jì)算與預(yù)測(cè)，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(gè)代表性點(diǎn)位進(jìn)行退吁前后計(jì)算水質(zhì)濃度對(duì)比分析，預(yù)測(cè)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(hào)還湖;固城湖;水環(huán)境數(shù)學(xué)模型
引言
固城湖，是長(zhǎng)江支流水陽(yáng)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(yuǎn)，上個(gè)世紀(jì)80年代前，保證糧食供給是當(dāng)時(shí)社會(huì)最迫切需求之一，固城湖周邊圍號(hào)造田較多。固城湖1949年前面積約78km2，經(jīng)過(guò)建國(guó)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(dòng)減弱，區(qū)域水質(zhì)也有惡化趨勢(shì)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(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)施退號(hào)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(guò)幾十年不斷研究探索，水質(zhì)模擬從靜態(tài)過(guò)度到動(dòng)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(yùn)用較為廣泛的水質(zhì)模擬軟件有威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所開發(fā)的EFDC、美國(guó)環(huán)境保護(hù)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(jì)算、人工智能算法的應(yīng)用將會(huì)大幅度提升模型的計(jì)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(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字預(yù)警、識(shí)別黑臭水體、考察海域污染，凸顯實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、高速度、尺度廣等優(yōu)勢(shì)⑹O本文以固城湖為研究對(duì)象，利用MIKE21建立固城湖二維非穩(wěn)態(tài)模型，預(yù)測(cè)其北部部分號(hào)區(qū)退號(hào)后，固城湖湖區(qū)產(chǎn)生的水質(zhì)變化，為退號(hào)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(yáng)江流域的平原、好區(qū)，南接水陽(yáng)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(gè)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(gè)世紀(jì)80年代前，保證糧食供給是當(dāng)時(shí)社會(huì)最迫切需求之一，加之當(dāng)時(shí)人們對(duì)湖泊功能認(rèn)識(shí)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(hào)造田。固城湖周邊主要號(hào)區(qū)有永勝號(hào)、永聯(lián)號(hào)、躍進(jìn)號(hào)、永兆號(hào)、浮山號(hào)、花聯(lián)號(hào)等⑻。根據(jù)實(shí)際情況，考慮到退號(hào)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(hào)和永兆號(hào)作為退號(hào)對(duì)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(hào)范圍。退好區(qū)域?yàn)榇箝l蟹、魚類養(yǎng)殖塘及塘梗，對(duì)其實(shí)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(hào)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(hào)還湖后的二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水質(zhì)模擬計(jì)算。
2.1水動(dòng)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(kuò)散系數(shù);Kj—污染物降解系數(shù);污染物底泥釋放項(xiàng)。
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(dòng)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(dòng)力特征;②淺水特性導(dǎo)致水動(dòng)力、水質(zhì)指標(biāo)在垂向近似均勻，垂向不分層，即以垂向平均值表達(dá);③研究區(qū)域風(fēng)向呈明顯季風(fēng)型，模型風(fēng)場(chǎng)按照多年統(tǒng)計(jì)資料，設(shè)冬春為東北風(fēng)，平均風(fēng)速3.lm/s，夏秋為東南風(fēng)，平均風(fēng)速2.7m/s;④構(gòu)建水質(zhì)模型時(shí)利用胡開明等[⑵做的同類型湖泊底泥再懸浮實(shí)驗(yàn)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(hào)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(cè)站提供的固城湖2017年全年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，固城湖的3個(gè)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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。本研究選取①、②點(diǎn)位進(jìn)行水動(dòng)力、水質(zhì)模型參數(shù)率定。
2.4.1水動(dòng)力模型參數(shù)率定
由于固城湖湖區(qū)內(nèi)無(wú)水文水位監(jiān)測(cè)站，因此選取大湖區(qū)湖心和小湖區(qū)湖心點(diǎn)位在豐平枯不同條件下的3天實(shí)測(cè)水位(分別為7月3日~5日、11月4日~6日、1月9日~11日)進(jìn)行水動(dòng)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(fēng)向、風(fēng)速影響，率定得到風(fēng)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(jì)算值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差均小于10cm，水位模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(dòng)力的變化過(guò)程。
3結(jié)果與分析
利用建立的固城湖退號(hào)還湖前后水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算豐平枯三種不同水量條件下固城湖退號(hào)前后的COD、TN、TP水質(zhì)濃度，固城湖3個(gè)代表性點(diǎn)位進(jìn)行退號(hào)還湖前后水質(zhì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，分析退號(hào)還湖工程對(duì)固城湖水質(zhì)影響。退好還湖工程拆除了湖區(qū)北岸原號(hào)區(qū)的蟹塘、魚塘及塘梗，湖區(qū)自由水面面積增加，原號(hào)區(qū)養(yǎng)殖塘污染源消失，根據(jù)模型預(yù)測(cè)水質(zhì)結(jié)果，湖區(qū)3個(gè)代表點(diǎn)位的水質(zhì)因子在豐平枯時(shí)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(dá)7.3%和16.1%。固城湖退號(hào)還湖工程對(duì)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(yǔ)
本文通過(guò)構(gòu)建固城湖退號(hào)還湖前后的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，在豐平枯不同水量條件下計(jì)算及預(yù)測(cè)退號(hào)前后固城湖湖區(qū)水質(zhì)，選取固城湖三個(gè)代表性點(diǎn)位的水質(zhì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(cè)水質(zhì)因子COD、TN、TP總體分別改善了6.8%、5.2%、10.0%，退號(hào)還湖工程對(duì)湖區(qū)水質(zhì)改善存在正效應(yīng)影響。
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環(huán)境改善論文投稿刊物：《環(huán)境保護(hù)科學(xué)》Environmental Protection Science(雙月刊)1975年創(chuàng)刊，以反映環(huán)�？萍碱I(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題為宗旨，內(nèi)容涉及環(huán)境科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，主要刊登環(huán)境科學(xué)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(xué)發(fā)展的新動(dòng)向等方面的學(xué)術(shù)論文。讀者對(duì)象為從事環(huán)境保護(hù)工作的管理、科研、工程技術(shù)人員、大專院校環(huán)境科學(xué)及相關(guān)專業(yè)師生及有關(guān)專家學(xué)者。
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