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    農業論文

    水網連通對大東湖富營養化的影響

    時間:2021年09月14日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

    摘要:為定量評價水網連通對湖泊富營養化的影響,以武漢大東湖水網連通為研究對象,構建大東湖水網水生態環境數學模型,在模擬分析水網連通前后COD、TN、TP、Chl-a等富營養化評價指標變化的基礎上,進一步計算和評價水網連通對各湖泊綜合營養狀態指數、營養

      摘要:為定量評價水網連通對湖泊富營養化的影響,以武漢大東湖水網連通為研究對象,構建大東湖水網水生態環境數學模型,在模擬分析水網連通前后COD、TN、TP、Chl-a等富營養化評價指標變化的基礎上,進一步計算和評價水網連通對各湖泊綜合營養狀態指數、營養狀態的影響。計算結果表明:水網連通后,楊春湖、沙湖、北湖水質改善,藻類生物量減少,水體富營養程度降低;東湖、嚴西湖水質有一定惡化,藻類生物量增加,水體富營養程度升高;水網連通對湖泊富營養化的影響較復雜,且存在污染風險。研究成果可為水網連通工程的管理運行提供參考依據。

      關鍵詞水網連通;水生態環境數學模型;富營養化;污染風險;大東湖水網

    生態富營養化

      近年來,河湖水系連通作為新時期解決我國水問題的重大戰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。河湖水網連通在重置區 域水資源格局的同時,也改變了水體原有的水力特性和物質循環情勢,對河湖水環境、水生態產生影響[1-3]。河湖水網連通對水生態環境的影響是水網連通研究領域的熱點之一,很多學者對此進行了研究。

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      部分學者認為河湖水網連通能有效改善河湖水質、水生態環境,如高強等[4]通過水網聯合調控試驗和測驗數據,分析得到水網連通后河涌水質平均改善率達27.06%;孫靜月等[5]通過建立湯遜湖-梁子湖連通的二維水動力水質模型,模擬分析得到水網連通后湖區水體置換效率高、超標水體面積比例明顯降低,有效改善了水生態環境;吳慶等[6]針對枝江市金湖水體水量不足、水質惡化問題,設計從長江引水,通過建立長江-金湖連通數學模型,計算得到引水能較好地改善金湖水質。

      也有部分學者通過研究認為河湖水網連通有一定污染風險,如郜會彩等[7]利用數學模型預測得到漢陽湖群調水可能產生湖泊水體污染遷移;馮順新等[8]根據2002—2003年引江濟太調水前后的實測數據,評價得到調水使太湖流域水功能區富營養化指數在部分湖區下降、部分湖區升高,總體有所改善,但不顯著;周宇昊等[9]通過武漢后官湖、三角湖水環境容量計算和污染指數評價,分析得到兩湖連通后綜合污染程度較嚴重,可能對水環境質量良好的后官湖造成污染威脅;崔廣柏等[10]通過在常熟城區河網開展引水實驗,分析得到現狀河網連通下的引水對水量分配與水質改善均有限,部分斷面水質甚至惡化。

      由此可見,河湖水網連通對水生態環境的影響因河湖而異[11],能產生正面的環境效應,也有可能產生新的環境污染[12]?傮w而言,目前河湖水網連通對水環 境、水生態的影響研究集中在水質方面,關于水生態的研究偏少且以定性分析為主,而水網連通的水生態環境影響是復雜的,缺少科學計算、定量分析的研究結果不一定符合真實情況。

      武漢大東湖生態水網構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、嚴東湖、嚴西湖六湖連通,并與長江相連。由于功能定位和人類活動干擾的差異,六湖管理目標及水質、富營養化現狀差別較大,另外,水質為地表水Ⅲ類標準的長江水中TP濃度對湖泊而言為地表水(湖、庫)V類標準。

      在這種情況下,六湖及長江連通引水后,長江水進入湖泊、湖泊之間水體發生交換是否會產生污染轉移?湖泊水體富營養化能否得到控制?鑒于此,本文以大東湖水網為研究對象,構建大東湖水網水生態環境數學模型,在模擬預測COD、TN、TP、Chl-a等富營養化評價指標的基礎上,定量計算和評價水網連通前后湖泊營養狀態的變化,為水網連通的水生態環境影響定量評價提供新思路,也為大東湖生態水網連通工程的管理運行提供參考依據。

      隨著大東湖水網周邊城市化進程的加快和社會 經濟的快速發展,大量工業廢水、生活污水、養殖廢水、城市降雨徑流等污染進入湖泊,導致湖泊水質下降,藻類大量繁殖,富營養化日趨嚴重。為改善大東湖水網水生態環境,武漢市提出了“大東湖生態水網構建”,通過長江、東湖、沙湖、楊春湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖1江6湖連通,實現“引江入湖”,促進河湖水體交換、水質改善、生態恢復。大東湖水網連通后(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、嚴西湖、北湖(嚴東湖在遠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個循環階段。

      (1)沙湖小循環:每年4月21—30日曾家巷引水10m3/s,流經沙湖后,通過羅家路閘站排出。(2)東湖中循環:每年5月1—31日曾家巷引水10m3/s、青山港引水30m3/s,流經沙湖、楊春湖、東湖后,通過羅家路閘站排出。(3)大東湖大循環: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%水量通過九峰渠進入嚴西湖、北湖。大東湖水網水生態環境數學模型計算方程包括水動力控制方程、水質質量守恒方程、藻類生長動力學方程。

      水動力計算包括水位、流速等,是其他方程計算的基礎;水質計算包括COD、TN、TP等;藻類計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網格,共劃分45135個網格,x方向上網格邊長約20~40m,y方向上網格邊長約25~50m;湖底地形利用斷面實測數據,采用最近臨近點法插值得到。模型主要考慮入湖點源、入湖面源、底泥釋放、大氣沉降、氣象條件、風況等對水動力、水質、藻類生長的影響。

     、偃牒c源:實地調研確定大東湖水網主要入湖點源有16個,根據大東湖水系內總人口日均產污量估算得到各點源入湖流量為0.142m3/s,點源中COD、TN、TP平均濃度分別為67.1、11.18、0.77mg/L[13]。②入湖面源:結合大東湖區域地形,分析降雨徑流匯流路徑,確定大東湖水網匯水口共計24個,匯水流量根據降水量、地表匯水面積、產流系數計算;面源中COD、TN、TP平均濃度分別為36.10、17.63、1.36mg/L[13]。

     、鄣啄噌尫: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、風況:氣象條件、風況采用武漢站2014—2016年逐日實測值。采用東湖、沙湖、楊春湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖2014—2016年實測COD、TN、TP、Chl-a濃度對模型水動力、水質、藻類等模塊參數進行率定驗證,模擬得到各點位、各時間點COD、TN、TP、Chl-a的模擬值與實測值總體分布特征相近,相對誤差大部分在30%以內。

      大東湖水網富營養化評價采用生態環境部推薦的“湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定”中的綜合營養狀態指數法(TLI)[15]。富營養化評價指標包括CODMn、TN、TP、Chl-a、透明度SD,其中TN、TP、Chl-a通過大東湖水網水生態環境數學模型模擬計算得到;CODMn根據2014—2016年實測COD、CODMn之間的相關性和模擬得到的COD換算得到;引水對透明度的影響機制較復雜,難以模擬預測,故連通前后均采用現狀實測值。營養狀態分級采用0~100系列連續數字,分為貧營養、中營養、輕度富營養、中度富營養、重度富營養。

      為進行連通引水前后湖泊富營養化狀態的對比分析,結合引水調度方案,設置連通前、后2種模擬工況,其中連通后模擬工況包括小、中、大3個循環階段。2種工況中入湖點源、入湖面源、底泥釋放、大氣沉降、氣象條件、風況等邊界條件均采用現狀情況。連通前,各湖泊水動力邊界采用控制常水位;連通后,各湖泊水動力邊界中入湖口根據引水調度方案設置流量、出湖口采用引水設計水位,水質、藻類邊界中入湖口采用2014—2016年同期實測長江水質、藻類生物量。

      (1)大東湖水網連通引水后,楊春湖、沙湖、北湖水質得到改善、藻類生物量減少,COD、TN、TP、Chl-a濃度均明顯降低,但TN、TP仍超標嚴重,主要原因是本底濃度高、引水改善效果有限;東湖、嚴西湖水質均有一定惡化、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TN、TP、Chl-a濃度明顯升高,水域超標面積比例增加,嚴西湖COD、TP濃度降低,TN、Chl-a濃度升高,水域超標面積比例增加,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濃度高于嚴西湖本底濃度,N、P等營養物質的增加進一步促進藻類生長,導致Chl-a升高。

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

      (3)大東湖水網各湖泊水質、藻類生長、富營養化現狀差別較大,且湖泊中TP執行的水質標準比長江水嚴苛得多,導致水網連通引水對各湖泊的影響各有不同。由此可見,水網連通對水環境、水生態的影響是復雜的,且存在一定污染風險,河湖不能盲目連通引水。建議后期通過大東湖水網連通多情景的模擬和試算,分析水網連通潛在的生態風險和制約條件,提出水網連通和引水調度的優化對策和建議。

      參考文獻:

      [1]劉伯娟,鄧秋良,鄒朝望.河湖水系連通工程必要性研究[J].人民長江,2014,45(16):5-6,11.

      [2]LIY,ACHARYAK,YUZ.ModelingImpactsofYangtzeRiverWaterTransferonWaterAgesinLakeTaihu,China[J].EcologicalEngineering,2011,37(2):325-334.

      [3]LIY,TANGC,WANGC,etal.AssessingandModellingImpactsofDifferentInter-basinWaterTransferRoutesonLakeTaihuandtheYangtzeRiver,China[J].EcologicalEngineering,2013,60(11):399-413.

      [4]高強,唐清華,孟慶強.感潮河湖水系連通水環境改善效果評價[J].人民長江,2015,46(15):38-40,50.

      [5]孫靜月,肖宜,張利平,等.武漢市梁子湖-湯遜湖水系連通工程效果分析[J].武漢大學學報(工學版),2018,51(2):125-131.

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