本文摘要：摘要：為恢復固城湖水域面積和湖泊容積，改善湖泊生態環境狀況，高淳當地政府對固城湖北岸永聯吁和永兆號部分土于區實施退號還湖計劃，還湖面積為6.41km2o通過建立固城湖退吁前后二維非穩態水環境數學模型，進行退土于前后固城湖水質計算與預測，并選取固城
摘要：為恢復固城湖水域面積和湖泊容積，改善湖泊生態環境狀況，高淳當地政府對固城湖北岸永聯吁和永兆號部分土于區實施退號還湖計劃，還湖面積為6.41km2o通過建立固城湖退吁前后二維非穩態水環境數學模型，進行退土于前后固城湖水質計算與預測，并選取固城湖飲用水水源地取水口、固城湖小湖區湖心、固城湖大湖區湖心三個代表性點位進行退吁前后計算水質濃度對比分析，預測得到退丹后固城湖COD、TN、TP年均水質濃度分別改善6.8%、5.2%、10.0%。
關鍵詞：退號還湖;固城湖;水環境數學模型
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節湖泊，位于南京市高淳區中南部，是高淳區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，區域水質也有惡化趨勢⑶。為提高區域防洪能力，改善湖泊水質、水生態，滿足區域供水和灌溉要求，促進地區可持續發展，實施退號還湖十分必要⑷。
水質模型旨在研究污染物在水中遷移轉換規律以及各種因素的作用關系，經過幾十年不斷研究探索，水質模擬從靜態過度到動態，從零維模型發展至多維模型，模型納入的參數也在不斷增加，模型的適用范圍也從單一水體演變為某一流域的綜合模擬⑸。目前運用較為廣泛的水質模擬軟件有威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所開發的EFDC、美國環境保護總局開發的WASP模型、丹麥水力研究所開發的MIKE系列模型等等。
隨著水質模型深入發展，與許多新興技術的結合，例如云計算、人工智能算法的應用將會大幅度提升模型的計算效率和精度，在與物聯網、“互聯網+”、云技術的碰撞下，未來能夠實現數字預警、識別黑臭水體、考察海域污染，凸顯實時性、動態性、高速度、尺度廣等優勢⑹O本文以固城湖為研究對象，利用MIKE21建立固城湖二維非穩態模型，預測其北部部分號區退號后，固城湖湖區產生的水質變化，為退號還湖改善湖泊水環境提供依據。
1研究區域概況
固城湖北臨石臼湖，東抵太湖湖西地區，西面是水陽江流域的平原、好區，南接水陽江流域所屬的皖南山區。固城湖為草型淺水湖泊，由于多年圍墾，湖泊形態已發生很大變化，由心形湖泊隔離成兩個湖區，分別為大湖區和小湖區，大湖區面積約為小湖區的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系統中的作用，固城湖開發利用的主要方式是圍號造田。固城湖周邊主要號區有永勝號、永聯號、躍進號、永兆號、浮山號、花聯號等⑻。根據實際情況，考慮到退號還湖工程的成本和工程可操作性，選取湖區北部永聯號和永兆號作為退號對象，恢復水面6.41km2，固城湖水面面積由現狀的31.99km2增加至38.4km2，退號范圍。退好區域為大閘蟹、魚類養殖塘及塘梗，對其實施清淤，清淤控制底高程為大湖區湖底高程。
2研究方法
為了分析固城湖退號還湖前后湖區總體水質變化，本次研究分別構建固城湖現狀與退號還湖后的二維非穩態水環境數學模型進行水質模擬計算。
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⑼。
2.2水質模型基本方程
水質模型方程是以質量平衡方程為基礎的，采用垂向平均的二維水質模型，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;Kj—污染物降解系數;污染物底泥釋放項。
2.3模型構建
固城湖為草型淺水湖泊，湖泊水域面積約31.99km2，分為大湖區和小湖區(西北角)，大湖區的湖底高程在5.30-6.30m之間，小湖區湖底高程在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。在固城湖模型構建中水動力及水質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，湖流不存在十分復雜的水動力特征;②淺水特性導致水動力、水質指標在垂向近似均勻，垂向不分層，即以垂向平均值表達;③研究區域風向呈明顯季風型，模型風場按照多年統計資料，設冬春為東北風，平均風速3.lm/s，夏秋為東南風，平均風速2.7m/s;④構建水質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，模塊設置底泥TN釋放系數為0.25g/(m2•d)，底泥TP釋放系數為0.lg/(m2•d)o根據衛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模型參數確定
根據南京市環境監測站提供的固城湖2017年全年逐月水質監測資料，固城湖的3個常規水質監測點位如圖6所示，分別為①大湖區湖心、②小湖區湖心、③取水口。本研究選�、�、②點位進行水動力、水質模型參數率定。
2.4.1水動力模型參數率定
由于固城湖湖區內無水文水位監測站，因此選取大湖區湖心和小湖區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)進行水動力參數率定。率定得到模型水平渦粘系數Cs取值0.27;湖底糙率用曼寧數表示，大、小湖區湖底糙率存在差異，率定得到小湖區湖底糙率為0.022，大湖區糙率取值為0.018;隨著季節變化的風向、風速影響，率定得到風拖曳系數冬春季節(1~5月、12月)為0.0016，夏秋季節(6~11月)為0.00120大湖區和小湖區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結果與分析
利用建立的固城湖退號還湖前后水環境數學模型，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水質濃度，固城湖3個代表性點位進行退號還湖前后水質計算結果對比，分析退號還湖工程對固城湖水質影響。退好還湖工程拆除了湖區北岸原號區的蟹塘、魚塘及塘梗，湖區自由水面面積增加，原號區養殖塘污染源消失，根據模型預測水質結果，湖區3個代表點位的水質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濃度改善可達7.3%和16.1%。固城湖退號還湖工程對湖區整體水質改善及供水安全存在正效應影響。
4結語
本文通過構建固城湖退號還湖前后的水環境數學模型，在豐平枯不同水量條件下計算及預測退號前后固城湖湖區水質，選取固城湖三個代表性點位的水質計算結果進行分析得到以下結論：固城湖北岸水產養殖好區退6.41km2后，原好區變為自由水面不再產生養殖污染，湖泊面積增加，湖區水質整體改善，預測水質因子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水質改善存在正效應影響。
參考文獻：
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環境改善論文投稿刊物：《環境保護科學》Environmental Protection Science(雙月刊)1975年創刊，以反映環�？萍碱I域的熱點問題為宗旨，內容涉及環境科學各個領域，主要刊登環境科學領域的新成果、新技術、新方法，環境管理的新理論、環境科學發展的新動向等方面的學術論文。讀者對象為從事環境保護工作的管理、科研、工程技術人員、大專院校環境科學及相關專業師生及有關專家學者。
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