净水技术|郁片红：基于MIKE21水动力模型的琵琶湖内循环方案
《净水技术》
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郁片红
（上海市城市建设设计研究总院<集团>有限公司，上海 200125）
流变化及任何忽略分层的二维自由表面流。由于其模拟功能扩大广泛的水力现象与问题的模拟，该模块为泥沙传输和环境模拟提供了水动力学的计算基础。
琵琶湖是余干城内唯一的湖泊，位于余干城南，湖水面积达500余亩，是余干县城市民赖于生存的栖息源泉，被亲切地称为“母亲湖”、“市湖”。近年来，琵琶湖周边生活污水直排、种植业以及水产养殖污染现象严重，入湖污染负荷已超过湖体的自净能力，水质出现恶化。现通过工程及管理措施，削减污染物，增加湖体自净能力，提升琵琶湖水质。
根据总体方案，首先进行沿湖截污、湖内清淤、周边垃圾转运等外源内源污染物削减措施，初步提升琵琶湖水质，恢复生境；再进行水体生态系统的构建，包括通过水生动植物及微生物的作用，建立食物链，进一步提升水质，抑制藻类生长，避免藻类暴发，提高湖体的生态景观效果。
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研究内容
本文主要针对增加水动力的工程措施进行两个方案比选。方案1：从互惠河引水，设有引水泵和闸，当互惠河水位高时，可开闸利用水位差从互惠河引水至琵琶湖，当互惠河水位低时利用泵站从互惠河引水至琵琶湖。方案2：除了从互惠河引水外，在琵琶湖出水渠道还设有循环水泵站，将琵琶湖出水渠道的水通过循环水管再运回琵琶湖进水渠，以保持水动力。由于水体中COD浓度对沉水植物的生长影响较大，影响到整个生态系统的构建，故本文基于MIKE21水动力模型模拟湖泊典型污染物COD浓度场，并结合经济指标综合评价分析，筛选最优方案。
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材料与方法
2.1
模型控制方程
MIKE 21 HD 模型是MIKE 21 软件包的内容之一，作为二维水动力模型，建立在数值求解二维浅水方程基础上。在笛卡尔坐标系下，通过对水平动量方程和连续方程沿垂向进行积分，得到二维浅水方程，如式（1）~式（3）。
MIKE 21Transport模型（TR模型），考虑了污染物的对流扩散和衰减，基本方程如式（4）。
2.2
水动力与污染物输运模型建立
2.2.1 计算区域和网格
本模型网格节点总数为751，网格总数为1 359，网格空间步长最小为14 m，最大为49 m。模型包括陆域岸线闭边界、开边界和八条污染物入湖边界，开边界和污染物入湖边界采用流量和污染物浓度过程控制，如图1所示。
2.2.2 参数设置
风场采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的2014 年4 月1 日~2015 年6 月30 日数据，拖曳力系数为0.001 2；曼宁数为32 m1/3/s；降雨与蒸发采用月平均值。
2.2.3 数学模型验证
现状下污染源主要包括生活污水排放污染源、农业种植污染源和水产养殖业污染源。线源污染物浓度分别根据2014 年琵琶湖生活废水排放量和污染物排放量、降水量和农田种植污染物入湖量以及水产养殖污染物排放量计算，如表1所示。
降解系数参照相关研究成果，CODcr的降解系数取值3.0×10-7 /s。
表1 各类型污染源污染物入湖浓度
以2015 年5 月13 日在SW3、SW4 和SW5 三个位于琵琶湖水域的取样点（图2）的水质监测结果作为一年平均水深减少0.7 m（2.5~1.8 m）情况的验证值，验证结果如表2所示，并将补水情况（即水深保持2.5 m）作为参照进行对比。
表2 琵琶湖水质验证
2.3
模型计算
边界入湖流量由径流量和各区域面积计算可得，边界划分如图3所示。各个月份城镇、农田和绿地的边界径流量，以及逐月湖面降雨量、湖面蒸发量和湖底下渗量，为模型基础参数。
图3 边界示意图
污染源输入参数主要考虑外源污染、互惠河补水和底泥释放3个因素，逐一确定各月污染物排放量，建立模型进行计算。
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结果与讨论
3.1
两种方案下COD运输特性模拟
根据方案1和方案2，计算水深为2.5 m 和1.8 m 的两种浓度场，以此作为初始条件的浓度变化，添加不补水工况作为对照，计算结果如下。
（1）湖内平均水深2.5 m 的初始浓度场
模型计算结果表明，湖内CODcr 初始浓度在18~39 mg/L（图4）。琵琶湖沿岸截污工程实施，在不补水情况下（图5）CODcr浓度年平均值为20.7 mg/L。引水工程实施后（方案1，图6），琵琶湖水质改善效果明显，CODcr 浓度年平均值减小至10.3 mg/L，仅在湖的下游出现高浓度污染物，湖中部最小。水泵抽水（方案2，图7）对琵琶湖水质的改善程度并不大，CODcr 年平均浓度维持在10.2 mg/L左右。由图8可知，引水工程对水质的改善作用具有一定的滞后性，在引水工程实施8 个月后，CODcr 浓度较不补水情况下的明显下降。
图4初始浓度场
图5不补水工况下浓度场
图7方案2工况下浓度场
图8 COD浓度变化过程
表3 COD年平均浓度
（2）湖内平均水深1.8 m 的初始浓度场
模型计算结果表明，湖内COD 初始浓度在20~60 mg/L（图9）。与湖内水深为2.5 m时相比，由于初始浓度更高，不补水情况下年平均浓度增大至23.1 mg/L（图10），为IV 类水。方案1、2 下的COD 年平均浓度（图11和图12）分别为10.9、10.8 mg/L。COD 浓度的时空分布特征与水深为2.5 m 时的一致（图13）。
图9初始浓度场
图10不补水工况下浓度场
图11方案1工况下浓度场
图12方案2工况下浓度场
图13 COD浓度变化过程
表4 COD年平均浓度
3.2
两种方案COD浓度差评价
方案2 与方案1 相比，CODcr 浓度变化量在-0.75~0.75mg/L，呈上游水泵附近浓度增加量最大，下游水泵处浓度减少量最大，且湖东侧浓度增加量大于西侧，这是由于下游泵站抽来的高浓度（湖出口附近）水在逆时针沿岸流作用下沿右岸向下游输运，湖中部浓度等值线趋于与岸线平行。由于下游污染物浓度高于上游，加设循环水泵站后，由下游泵站抽得的高浓度水输入上游，反而增加了上游的污染物浓度。水泵的设置虽减小了下游浓度，但导致湖上游浓度增加，并没有起到明显降低湖内污染物浓度的作用。
3.3
经济分析
对两个方案的工程建设费和年运行成本进行经济分析（表5），结果表明方案2的工程建设费以及年运行成本均高于方案1。
表5 方案经济性比较
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结论
通过MIKE21水动力模型计算，以COD为例，加设内循环水泵站对琵琶湖水域水质的改善程度较为有限，仅对下游水质起略微改善作用。从方案1来看，生活污水纳管和互惠河引水工程措施保证琵琶湖水域水深2.5 m显著提高琵琶湖水质。另增加内循环泵站，需额外增加、初期投资和运行费用。因此，综合考虑工程效果和工程造价，推荐实施方案1。
推荐参考
郁片红. 基于MIKE21水动力模型的琵琶湖内循环方案[J]. 净水技术, 2018, 37(7):108-113.
Yu Pianhong. Internal circulation scheme based on MIKE21 hydrodynamic model in Pipa Lake[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(7):108-113.
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