摘要：為定量評價(jià)水網(wǎng)連通對湖泊富營養(yǎng)化的影響，以武漢大東湖水網(wǎng)連通為研究對象，構(gòu)建大東湖水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型，在模擬分析水網(wǎng)連通前后COD、TN、TP、Chl-a等富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算和評價(jià)水網(wǎng)連通對各湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、營養(yǎng)狀態(tài)的影響。計(jì)算結(jié)果表明:水網(wǎng)連通后，楊春湖、沙湖、北湖水質(zhì)改善，藻類生物量減少，水體富營養(yǎng)程度降低;東湖、嚴(yán)西湖水質(zhì)有一定惡化，藻類生物量增加，水體富營養(yǎng)程度升高;水網(wǎng)連通對湖泊富營養(yǎng)化的影響較復(fù)雜，且存在污染風(fēng)險(xiǎn)。研究成果可為水網(wǎng)連通工程的管理運(yùn)行提供參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞水網(wǎng)連通;水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型;富營養(yǎng)化;污染風(fēng)險(xiǎn);大東湖水網(wǎng)

　　近年來，河湖水系連通作為新時(shí)期解決我國水問題的重大戰(zhàn)略舉措受到了高度重視，全國各地紛紛加快了水系連通工程的建設(shè)。河湖水網(wǎng)連通在重置區(qū) 域水資源格局的同時(shí)，也改變了水體原有的水力特性和物質(zhì)循環(huán)情勢，對河湖水環(huán)境、水生態(tài)產(chǎn)生影響[1-3]。河湖水網(wǎng)連通對水生態(tài)環(huán)境的影響是水網(wǎng)連通研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。

　　生態(tài)養(yǎng)殖論文： 肉羊生態(tài)飼料研究及其對經(jīng)濟(jì)效益的影響

　　部分學(xué)者認(rèn)為河湖水網(wǎng)連通能有效改善河湖水質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境，如高強(qiáng)等[4]通過水網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控試驗(yàn)和測驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得到水網(wǎng)連通后河涌水質(zhì)平均改善率達(dá)27.06%;孫靜月等[5]通過建立湯遜湖-梁子湖連通的二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬分析得到水網(wǎng)連通后湖區(qū)水體置換效率高、超標(biāo)水體面積比例明顯降低，有效改善了水生態(tài)環(huán)境;吳慶等[6]針對枝江市金湖水體水量不足、水質(zhì)惡化問題，設(shè)計(jì)從長江引水，通過建立長江-金湖連通數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到引水能較好地改善金湖水質(zhì)。

　　也有部分學(xué)者通過研究認(rèn)為河湖水網(wǎng)連通有一定污染風(fēng)險(xiǎn)，如郜會(huì)彩等[7]利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測得到漢陽湖群調(diào)水可能產(chǎn)生湖泊水體污染遷移;馮順新等[8]根據(jù)2002—2003年引江濟(jì)太調(diào)水前后的實(shí)測數(shù)據(jù)，評價(jià)得到調(diào)水使太湖流域水功能區(qū)富營養(yǎng)化指數(shù)在部分湖區(qū)下降、部分湖區(qū)升高，總體有所改善，但不顯著;周宇昊等[9]通過武漢后官湖、三角湖水環(huán)境容量計(jì)算和污染指數(shù)評價(jià)，分析得到兩湖連通后綜合污染程度較嚴(yán)重，可能對水環(huán)境質(zhì)量良好的后官湖造成污染威脅;崔廣柏等[10]通過在常熟城區(qū)河網(wǎng)開展引水實(shí)驗(yàn)，分析得到現(xiàn)狀河網(wǎng)連通下的引水對水量分配與水質(zhì)改善均有限，部分?jǐn)嗝嫠�質(zhì)甚至惡化。

　　由此可見，河湖水網(wǎng)連通對水生態(tài)環(huán)境的影響因河湖而異[11]，能產(chǎn)生正面的環(huán)境效應(yīng)，也有可能產(chǎn)生新的環(huán)境污染[12]。總體而言，目前河湖水網(wǎng)連通對水環(huán) 境、水生態(tài)的影響研究集中在水質(zhì)方面，關(guān)于水生態(tài)的研究偏少且以定性分析為主，而水網(wǎng)連通的水生態(tài)環(huán)境影響是復(fù)雜的，缺少科學(xué)計(jì)算、定量分析的研究結(jié)果不一定符合真實(shí)情況。

　　武漢大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建了以全國最大的城中湖—東湖為中心，通過港渠將東湖、沙湖、北湖、楊春湖、嚴(yán)東湖、嚴(yán)西湖六湖連通，并與長江相連。由于功能定位和人類活動(dòng)干擾的差異，六湖管理目標(biāo)及水質(zhì)、富營養(yǎng)化現(xiàn)狀差別較大，另外，水質(zhì)為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的長江水中TP濃度對湖泊而言為地表水(湖、庫)V類標(biāo)準(zhǔn)。

　　在這種情況下，六湖及長江連通引水后，長江水進(jìn)入湖泊、湖泊之間水體發(fā)生交換是否會(huì)產(chǎn)生污染轉(zhuǎn)移?湖泊水體富營養(yǎng)化能否得到控制?鑒于此，本文以大東湖水網(wǎng)為研究對象，構(gòu)建大東湖水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型，在模擬預(yù)測COD、TN、TP、Chl-a等富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，定量計(jì)算和評價(jià)水網(wǎng)連通前后湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的變化，為水網(wǎng)連通的水生態(tài)環(huán)境影響定量評價(jià)提供新思路，也為大東湖生態(tài)水網(wǎng)連通工程的管理運(yùn)行提供參考依據(jù)。

　　隨著大東湖水網(wǎng)周邊城市化進(jìn)程的加快和社會(huì) 經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量工業(yè)廢水、生活污水、養(yǎng)殖廢水、城市降雨徑流等污染進(jìn)入湖泊，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)下降，藻類大量繁殖，富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。為改善大東湖水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境，武漢市提出了“大東湖生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建”，通過長江、東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖1江6湖連通，實(shí)現(xiàn)“引江入湖”，促進(jìn)河湖水體交換、水質(zhì)改善、生態(tài)恢復(fù)。大東湖水網(wǎng)連通后(東沙湖已連通)，近期將通過青山港和曾家巷引長江水入東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、北湖(嚴(yán)東湖在遠(yuǎn)期與梁子湖連通后引水)，引水流量為40m3/s，引水線路包括小、中、大3個(gè)循環(huán)階段。

　　(1)沙湖小循環(huán):每年4月21—30日曾家巷引水10m3/s，流經(jīng)沙湖后，通過羅家路閘站排出。(2)東湖中循環(huán):每年5月1—31日曾家巷引水10m3/s、青山港引水30m3/s，流經(jīng)沙湖、楊春湖、東湖后，通過羅家路閘站排出。(3)大東湖大循環(huán):每年6月1日—10月31日曾家巷引水10m3/s、青山港引水30m3/s，流經(jīng)沙湖、楊春湖、東湖后，25%水量通過羅家路閘站排出，75%水量通過九峰渠進(jìn)入嚴(yán)西湖、北湖。大東湖水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算方程包括水動(dòng)力控制方程、水質(zhì)質(zhì)量守恒方程、藻類生長動(dòng)力學(xué)方程。

　　水動(dòng)力計(jì)算包括水位、流速等，是其他方程計(jì)算的基礎(chǔ);水質(zhì)計(jì)算包括COD、TN、TP等;藻類計(jì)算主要為藻類生物量，用Chl-a表示。模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)網(wǎng)格，共劃分45135個(gè)網(wǎng)格，x方向上網(wǎng)格邊長約20～40m，y方向上網(wǎng)格邊長約25～50m;湖底地形利用斷面實(shí)測數(shù)據(jù)，采用最近臨近點(diǎn)法插值得到。模型主要考慮入湖點(diǎn)源、入湖面源、底泥釋放、大氣沉降、氣象條件、風(fēng)況等對水動(dòng)力、水質(zhì)、藻類生長的影響。

　　①入湖點(diǎn)源:實(shí)地調(diào)研確定大東湖水網(wǎng)主要入湖點(diǎn)源有16個(gè)，根據(jù)大東湖水系內(nèi)總?cè)丝谌站�產(chǎn)污量估算得到各點(diǎn)源入湖流量為0.142m3/s，點(diǎn)源中COD、TN、TP平均濃度分別為67.1、11.18、0.77mg/L[13]。②入湖面源:結(jié)合大東湖區(qū)域地形，分析降雨徑流匯流路徑，確定大東湖水網(wǎng)匯水口共計(jì)24個(gè)，匯水流量根據(jù)降水量、地表匯水面積、產(chǎn)流系數(shù)計(jì)算;面源中COD、TN、TP平均濃度分別為36.10、17.63、1.36mg/L[13]。

　　③底泥釋放:TN、TP釋放速率分別為60、30mg/(m2·d)[13]。④大氣沉降:COD、TN、TP沉降速率分別為16.80、2.00、0.10mg/(m2·d)[14]。⑤氣象條件、風(fēng)況:氣象條件、風(fēng)況采用武漢站2014—2016年逐日實(shí)測值。采用東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖2014—2016年實(shí)測COD、TN、TP、Chl-a濃度對模型水動(dòng)力、水質(zhì)、藻類等模塊參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，模擬得到各點(diǎn)位、各時(shí)間點(diǎn)COD、TN、TP、Chl-a的模擬值與實(shí)測值總體分布特征相近，相對誤差大部分在30%以內(nèi)。

　　大東湖水網(wǎng)富營養(yǎng)化評價(jià)采用生態(tài)環(huán)境部推薦的“湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定”中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)[15]。富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)包括CODMn、TN、TP、Chl-a、透明度SD，其中TN、TP、Chl-a通過大東湖水網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算得到;CODMn根據(jù)2014—2016年實(shí)測COD、CODMn之間的相關(guān)性和模擬得到的COD換算得到;引水對透明度的影響機(jī)制較復(fù)雜，難以模擬預(yù)測，故連通前后均采用現(xiàn)狀實(shí)測值。營養(yǎng)狀態(tài)分級采用0～100系列連續(xù)數(shù)字，分為貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)、重度富營養(yǎng)。

　　為進(jìn)行連通引水前后湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)的對比分析，結(jié)合引水調(diào)度方案，設(shè)置連通前、后2種模擬工況，其中連通后模擬工況包括小、中、大3個(gè)循環(huán)階段。2種工況中入湖點(diǎn)源、入湖面源、底泥釋放、大氣沉降、氣象條件、風(fēng)況等邊界條件均采用現(xiàn)狀情況。連通前，各湖泊水動(dòng)力邊界采用控制常水位;連通后，各湖泊水動(dòng)力邊界中入湖口根據(jù)引水調(diào)度方案設(shè)置流量、出湖口采用引水設(shè)計(jì)水位，水質(zhì)、藻類邊界中入湖口采用2014—2016年同期實(shí)測長江水質(zhì)、藻類生物量。

　　(1)大東湖水網(wǎng)連通引水后，楊春湖、沙湖、北湖水質(zhì)得到改善、藻類生物量減少，COD、TN、TP、Chl-a濃度均明顯降低，但TN、TP仍超標(biāo)嚴(yán)重，主要原因是本底濃度高、引水改善效果有限;東湖、嚴(yán)西湖水質(zhì)均有一定惡化、藻類生物量增加，其中東湖COD濃度有一定降低，但大部分湖區(qū)TN、TP、Chl-a濃度明顯升高，水域超標(biāo)面積比例增加，嚴(yán)西湖COD、TP濃度降低，TN、Chl-a濃度升高，水域超標(biāo)面積比例增加，主要原因是長江引水、沙湖出水、楊春湖出水TN、TP濃度均高于東湖本底值，引水后東湖出水TN濃度高于嚴(yán)西湖本底濃度，N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的增加進(jìn)一步促進(jìn)藻類生長，導(dǎo)致Chl-a升高。

　　(2)大東湖水網(wǎng)連通引水后，楊春湖、沙湖、北湖水體富營養(yǎng)程度均降低，其中楊春湖大部分水域由重度富營養(yǎng)降低為中營養(yǎng)、沙湖大部分水域由重度富營養(yǎng)降低為中度富營養(yǎng)、北湖仍以輕度富營養(yǎng)為主;東湖、嚴(yán)西湖富營養(yǎng)程度均升高，其中東湖大部分水域仍處于中度富營養(yǎng)、嚴(yán)西湖大部分水域由輕度富營養(yǎng)降低為中度富營養(yǎng)。

　　(3)大東湖水網(wǎng)各湖泊水質(zhì)、藻類生長、富營養(yǎng)化現(xiàn)狀差別較大，且湖泊中TP執(zhí)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比長江水嚴(yán)苛得多，導(dǎo)致水網(wǎng)連通引水對各湖泊的影響各有不同。由此可見，水網(wǎng)連通對水環(huán)境、水生態(tài)的影響是復(fù)雜的，且存在一定污染風(fēng)險(xiǎn)，河湖不能盲目連通引水。建議后期通過大東湖水網(wǎng)連通多情景的模擬和試算，分析水網(wǎng)連通潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和制約條件，提出水網(wǎng)連通和引水調(diào)度的優(yōu)化對策和建議。

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