小型人工湖泊作为城市景观湖泊，在城市化高度发展的当今社会广泛分布于各个城市。然而，目前多数城市人工湖泊面积较小，水体循环更新速度较慢，加之这些湖泊容纳了周边大量的居民生活污水和雨水汇入，很容易引发严重的水污染问题，从而使得多数湖泊不但没有发挥美化城市的作用，反而由于污染问题成为城市发展的恶疾。为加强对城市水污染的预防和控制，国内外普遍采用数值模拟手段来研究引起水污染的驱动因素，提出控制水体恶化的管理措施。目前，在湖泊水质水动力数值模拟研究方面较成熟的模型有MIKE、EFDC、WASP等，采用相关模型辅助具体河湖工程的设计已有较多应用实例[1-3]。郭鹏程等[4]利用MIKE21对人工生态湖泊的优化设计进行了研究。余成等[5]对武汉东湖建立了水质模型，对相关引水工程进行研究。GONG等[6]建立的基于EFDC的水动力和水质模型，对城市景观湖进行了研究。本研究选取大庆市万宝湖，应用MIKE21软件建立水动力和水质模型，对万宝湖的水动力条件和水质变化过程进行模拟，研究城市排放污废水对湖泊水质的影响效果及污染问题的产生机理，为城市小型人工湖泊的污染治理提供依据。

1 研究区概述

万宝湖位于大庆市龙凤区时代广场西侧，主要功能为储蓄城市污水、雨水，最高蓄水位146.0 m，正常蓄水位145.5 m，最大蓄水量121.0万m3，正常蓄水量77.0万m3，最大水面面积1.02 km2，平均水面面积0.77 km2，平均水深0.8 m。由于万宝湖区位于大庆市区，人口密度较大，城市排水管网分布密集，城市居民生活污水和城市雨水是其主要的来水和污染来源。万宝湖面积小、湖底平坦、流速较小且受风的影响较大，水动力条件较差，加之万宝湖所在大庆市，年平均气温只有4.2 ℃，污染物降解速度相对较慢，因此形成了很严重的污染问题[7]。

根据中国环境科学研究院在2016年7月开展的现场勘察发现，万宝湖主要有4个排口(大广高速、经三街、经六街和广场排口)和1个出水口。对各个口的流量、流速进行了监测，并取水样进行水质化验分析。水质单因子评价结果显示，万宝湖水体中TP、氨氮、高锰酸盐指数最大分别为1.990、2.96、17.30 mg/L，均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准限值(0.2、2.0、15 mg/L)，水体为劣Ⅴ类水，湖泊水质状况不容乐观。

2 模型建立

考虑到污染物在水体中经历了稀释、迁移、降解等多种作用机制，有必要建立能模拟水动力和水质过程时空变化特征的二维数值模拟模型。本研究采用丹麦水资源及水环境研究所开发的MIKE软件中MIKE21的HD和ECO Lab模块来对万宝湖的水质情况进行模拟。其中，根据HD模块建立了万宝湖二维水动力学模型，利用ECO Lab模块建立了考虑污染物在不同相态间相互转化的水质迁移转化模型。

2.1 二维水动力模型

水流连续方程：

 

(1)

水质迁移转化模型：(1)初始条件：选取2016年7月18日主要监测点的COD、氨氮、TN、TP和石油类指标实测资料。(2)边界条件：主要是2016年7月18—29日的污染物输入项，主要包括研究水域主要排口的污染物排放量、底泥内源的污染物释放量及其他未统计在内但实际存在的污染物排放量。对于底泥内源的污染物释放量，根据实测的底泥中污染物浓度按照一定的释放速率进行计算；针对主要排口的污染物排放量，按照研究水域实测的污废水浓度和排放量作为输入进行计算；针对其他分散点的污染物排放量，根据调查统计的排污单元污染物排放总量，在扣除以上3项的污染物输入量后，按照分散点位置作为均匀稳定的排污处理。

 

(2)

式中：ξ为自由水面水位，m；t为时间，d；x、y为空间坐标，m；p、q分别为x、y方向的流量密度，m2/s；d为时间变化水深，m；h为水深，m；g为重力加速度，m2/s，g=9.8 m2/s；C为谢才阻力系数，m1/2/s；ρw为水的密度，kg/m3；τxx、τxy、τyy分别为x方向的水平切应力、x方向的竖直切应力、y方向的竖直切应力[8]，Pa；Ωq为Coriol系数；f为风阻系数；V、Vx、Vy为风速及x、y方向的风速分量，m/s；P为大气压强，Pa。

 

(3)

y方向动量方程：

2.2 水质迁移转化模型

由于水质迁移转化模型中参数较多，单一率定较繁琐，在参数率定时，通过查阅文献确定参数的初始值，然后根据文献和模型，找出对各物理、化学、生物反应过程较敏感的参数，不断调整每一个参数值，将指定水质相的每一次模拟结果与实测结果进行对比，确定每一个较敏感参数的取值；不敏感性参数则维持初始值不变。最后，将敏感性参数作为一个整体，统一调整参数的取值，对结果进行模拟，使模拟结果整体拟合效果达到最优。在模拟结果验证时，选取万宝湖主要污染物氨氮、COD、TP和石油类的模拟值作为检验指标。根据模拟结果，在万宝湖取3个点(控制点1、控制点2、出水口)分析氨氮、COD、TP和石油类模拟值与实测值误差情况。各水质指标的模拟值和实测值的对比结果如表2所示，经率定后的各水质模型参数如表3所示。万宝湖氨氮模拟值与实测值的相对误差最大为15.94%，最小为13.43%，平均为14.42%；COD模拟值与实测值的相对误差最大为21.67%，最小为15.52%，平均为18.37%；TP模拟值与实测值的相对误差最大为17.24%，最小为10.89%，平均为15.09%；石油类模拟值与实测值的相对误差最大为14.89%，最小为9.76%，平均为12.92%。各控制点的相对误差均保持在20%左右。整体来说，各水质指标的模拟值与实测值拟合较好，构建的二维水动力学模型和水质迁移转化模型可较好反映万宝湖的水质状况。

  

图1 水质指标间的相互作用关系Fig.1 Interaction relationship between water quality indexes

溶解相水质指标的基本方程：

根据已建立的数学模型，在-1.682≤X i≤1.682（i＝1，2，3）范围内，每个因素取5个水平（±1.682，±1，0），对53=125个方案进行统计寻优，在试验范围内感官评分最高值为8.59，此时各因素取值为：X 1＝-1，X 2=1.682，X 3＝1.682，对应着糖的添加量7.5%，淡奶油添加量2.34%，发酵温度43℃。

=Nbd’—Ndb—Nde+Ned’—N1

(4)

急性胃穿孔患者病情进展迅速,必须及时采取手术治疗手段缓解患者临床症状。急性胃穿孔患者常会出现呕吐、持续性腹痛或者恶心等临床症状,院方需要快速确诊并将病灶根除掉,避免疾病继续恶化危及到患者生命健康安全。虽然手术治疗是常用急性胃穿孔治疗手段,但如何选择手术方法依然没有统一论证。

=Neb+Ndb—Nbd’—N2

(5)

式中：Cd为溶解相水质质量浓度，mg/L；Nbd’为解吸作用下底泥相向溶解相的转化量，mg/(L·d)；Ndb为吸附作用下溶解相向底泥相的转化量，mg/(L·d)；Nde为生物摄入作用下溶解相向生物相的转化量，mg/(L·d)；Ned’为生物死亡作用下生物相向溶解相的转化量，mg/(L·d)；N1为由于各种化学反应引起的物质损失量，mg/(L·d)；Cb为换算后底泥相水质质量浓度，mg/L；Neb为生物死亡与沉降作用下生物相向底泥相的转化量，mg/(L·d)；N2为由于各种化学反应引起的物质损失量，mg/(L·d)。

生物相主要考虑水体中藻类对于氮、磷、碳等营养物质的摄入及死亡分解作用，生物相水质指标的基本方程如下：

=Nde—Neb

(6)

式中：Ce为生物相水质质量浓度，mg/L。

2.3 模型计算条件设定

二维水动力学模型：(1)初始条件：选取2016年7月18日的水动力学指标实测资料。其中，万宝湖包括研究水域内11个监测点的实测水位、4个排口的实测流量资料。(2)边界条件：主要是2016年7月18—29日的主要支流(黎明河)、排口、出口断面的实测流量过程和实测水位过程。

底泥相水质指标的基本方程：

x方向动量方程：

3 应用研究

3.1 网格划分

结合万宝湖的湖区特征构建万宝湖二维模型，模拟范围为东西向1.05 km，南北向0.68 km。根据万宝湖地形和水深资料建立万宝湖区域模型网格，计算网格尺寸10～40 m，每个网格平均900 m2，计算单元个数为689个(见图2(a))。在搭建计算网格的基础上，插入万宝湖实测水深数据，生成万宝湖的水下模拟地形图(见图2(b))。

  

图2 万宝湖计算单元划分示意图Fig.2 Wanbao Lake calculation unit division diagram

3.2 模型参数率定

在实测数据中与水动力相关的参数是水深，因此水动力学模型选择湖泊水深进行参数率定和模型验证。根据水动力学模型，对模拟结果影响较大的参数主要有糙率、干湿水深和风阻系数。在参数取值调整过程中，以湖泊中各点监测数据为依据，选取不同的糙率、干湿水深和风阻系数，来拟合湖泊水深。经调试，当湖底糙率为0.31、干水深为0.01 m、湿水深为0.05 m、风阻系数为0.001 3时，水动力模拟结果较好。在万宝湖水动力模型输出条件中设置监测点的水动力输出条件，提取输出结果得到了相应点位的流速模拟值。由表1可见，万宝湖水动力模型对水流流速模拟值与实测值的相对误差在20%以内，能较准确地反映万宝湖的水动力过程。

 

表1 万宝湖流速模拟值与实测值Table 1 Wanbao Lake flow velocity simulation value and the measured value

  

名称实测流速/(m·s-1)模拟流速/(m·s-1)相对误差/%大广高速排口0.0160.01918.75 经三街排口0.0100.00820.00 经六街排口0.010 广场排口0.0140.01214.29 出水口0.0210.0204.76

水质迁移转化模型按照质量守恒原理，在考虑污染物质在水体中的降解、迁移、扩散、吸附、解吸等作用下构建而成。该模型包含水质迁移转化基本方程和吸附/解吸过程描述方程。水质指标主要考虑了叶绿素a、COD、DO、氨氮、硝酸盐氮、有机氮(ON)、TP、石油类，其中COD、ON、TP和石油类考虑了在溶解相和底泥相的空间分布。石油类在水体中发生的物理、化学、生物作用主要有扩散、挥发、溶解、分解、乳化、氧化、沉降、吸附、生物降解、分配与富集等。在大庆市主要河流和湖泊中，石油类随水流进入河流和湖泊，当水流携带的石油类相对较少时，沉积物释放所造成的间接污染成为石油类污染的主要途径；而当水环境化学条件或水力条件发生变化时，吸附于沉积物中的石油类将重新释放到水体中，造成水体二次污染[9-10]。因此，模型中主要考虑了石油类在水体中的迁移、扩散、吸附、解吸、沉积物释放等作用。其他水质指标间的物理、化学、生物反应过程如图1所示。

灵芝子实体；苯酚、浓硫酸、氢氧化钙、氢氧化钠、亚硫酸钠、3,5-二硝基水杨酸、碳酸钠、酒石酸钾钠、硫酸铜，葡萄糖等试剂均为分析纯；纤维素酶，8万U/g，张家港金源生物化工有限公司产品；木瓜蛋白酶，100万U/g，购自上海蓝季科技发展有限公司。

 

表2 万宝湖各控制点水质实测值与模拟值结果对比Table 2 Comparison of measured and simulated results of water quality at each control point of Wanbao Lake

  

测点氨氮模拟值/(mg·L—1)实测值/(mg·L—1)相对误差/%COD模拟值/(mg·L—1)实测值/(mg·L—1)相对误差/%控制点10.800.6915.9455.067.017.91 控制点20.760.6713.4349.058.015.52 出水口0.620.7213.8973.060.021.67 测点TP模拟值/(mg·L—1)实测值/(mg·L—1)相对误差/%石油类模拟值/(mg·L—1)实测值/(mg·L—1)相对误差/%控制点10.6800.58017.240.6700.78014.10 控制点20.8200.70017.140.7400.8209.76 出水口0.9001.01010.891.0800.94014.89

 

表3 水质迁移转化模型参数率定结果Table 3 The result of parameter determination of water quality transfer model

  

参数结果参数结果大气复氧系数1半饱和氧2 mg/L光合作用最大产氧量3.5 d-1氨氮的衰减率1.0 d-1硝化作用需氧量4.47 g/g氨氮半饱和常数0.05 mg/L浮游植物死亡率0.099 d-1溶解相COD降解系数0.015 d-1浮游植物的生长率0.1 d-1溶解相TP降解系数0.005 d-1植物摄取氨氮0.066溶解相ON降解系数0.1 d-1植物生长吸收的COD量0.02底泥相COD降解系数0.015 d-1光合作用所需磷量0.091 g/g底泥相TP降解系数0.01 d-1光合作用所需硝酸盐量0.066 g/g底泥相ON降解系数0.005 d-1反硝化速率0.1 d-1COD解吸系数0.000 15 d-1矿化速率0.06 d-1TP解吸系数0.000 21 d-1沉积物需氧量0.5 g/(m2·d)ON解吸系数0.000 46 d-1氮碳比(质量比)0.09COD吸附系数0.003 1 d-1磷碳比(质量比)0.012TP吸附系数0.031 d-1叶绿素a含碳比0.025ON吸附系数0.003 1 d-1

3.3 模拟结果分析

3.3.1 水动力模拟结果分析

万宝湖的水量来源主要是雨水，在无雨的情况下出入口水流流速和流量均较小，另外万宝湖是典型的人工湖泊，其水下地形相对简单，呈现湖中心稍深、四周稍浅、整体较平坦的湖底特征，湖内水流的主要驱动力为风。以大庆市2016年7月下旬的风场风速监测资料为依据，取主导风向为东南风，平均风速4.3 m/s，嵌入万宝湖水动力模型，模拟形成万宝湖的流场分布，结果见图3。

  

图3 万宝湖流场模拟Fig.3 Simulated map of Wanbao Lake flow field

万宝湖中各主要污染物呈带状分布，在各主要排口污染物的浓度明显高于湖泊其他地方，且从整体来看，污染物由边缘向湖心呈现一定梯度的递减趋势。在湖泊西南侧的观赏水域，污染物浓度与东部湖面有明显差异，这与该区域水体连通性较差、水域面积较小、水体流动性较差有很大关联。

当时坐在讲台下面的有北大的老师、学生、平民学校的学员，还有志愿者等。当我分享完毕，走下讲台之际，他们热烈地为我鼓掌，肯定我的表现，让我感觉美好极了。

3.3.2 水质模拟结果分析

注:Rpei,Rpej—高低压绕组单元与油箱之间的绝缘电阻;Cii,Cij—高低压绕组单元的对地电容;hi,lj—高低压侧的节点;Ki,Kj—高低压绕组各单元间的串联电容;Rpi,Rpj—高低压绕组各单元之间的绝缘电阻;Rsi,Rsj—高低压绕组各单元的欧姆电阻;Chlij—高低压绕组之间的电容;L—自感;M—互感。uhi-1,ulj-1—hi-1和lj-1节点的节点电压;ihi,ilj—流过高低压绕组单元阻抗支路的支路电流。

运用水质迁移转化模型，模拟4种主要污染物的质量浓度分布，结果如图4所示。

万宝湖水流流速整体较小，平均在0.015 m/s左右，在南部和北部边界区域相对较大，可达到0.020 m/s以上，在大广高速排口和万宝湖出水口附近水流速度可达0.024 m/s。整体流场以中心小岛为界分成南半湖和北半湖两个大的循环，局部形成小的循环，与实际水流分布相吻合。在万宝湖西北部区域主要形成了逆时针的水流循环，单以这个小的水流循环来看，外圈水流速度较内圈大，在循环的中心形成小范围的静水区域，流速最小；在湖心小岛以南主要形成两个较大的顺时针环流圈，整个环流圈的水流速度分布与湖西北部水面所形成的环流圈相类似，在靠近排口附近，水流速度较其他区域稍大；在湖心小岛附近各环流相互影响，形成一定的乱流区域，水流方向不稳定，没有明显的规律。在西南部的观赏水域，整体水流方向为一个逆时针的环流圈，流速较小。上述万宝湖的水流循环规律与实地观测情况相符，其原因主要是，万宝湖各入流口的入流量较小，出水口的高程与湖面整体高程无较大差异，不易形成较大的入流和出流水流，另外湖体底部地形相对简单，整个湖体的水流流动较缓慢，整个万宝湖水域的水流运动主要以风为驱动力，在风场、出入口水流和湖心小岛的共同作用下形成上述流场。在出入口附近由于有入流和出流的影响，流速偏大，湖心小岛的存在也对整个万宝湖的流场分布有较大影响。在西南部水域，由于该区域与整个湖体间过水通道狭窄，且周边无其他水流的流入和流出，因此形成了其单独的小循环。

EPC总承包模式是所有分包单位在项目总承包平台上进行招标，并可在设计时进行施工，以缩短施工前的时间。同时，EPC建设模式可以实现设计阶段、采购阶段、施工阶段管理的高度集中和统一。实现各阶段的综合协调，优化资源的合理配置，提高施工效率，确保项目实施进度。

氨氮较高的区域为北岸和东岸排口附近，其质量浓度为1.70 mg/L，介于GB 3838—2002中Ⅳ、Ⅴ类标准，且氨氮浓度由岸边向湖心呈递减趋势，在东岸及西南部观赏水域氨氮浓度最小，湖中氨氮大部分维持在1.25～1.35 mg/L，达到了GB 3838—2002中Ⅳ类标准(≤1.5 mg/L)。万宝湖中氨氮污染物主要来自经三街和广场两个排口，因此应主要对这两个排口的氨氮排放进行重点控制。

我们的方法是：将所有的调料都放入锅中正常烹饪，只留醋在出锅前淋入，不要让醋汁渗入原料食材太久，然后马上上桌，此时客人吃到的菜品既有酸味，又有海鲜的鲜美质感。

TP较高的区域为经三街和广场排口，质量浓度为0.810 mg/L，是GB 3838—2002中Ⅳ类标准限值(0.1 mg/L)的8倍以上，其他区域TP由岸边向湖心递减，平均为0.710 mg/L，模拟值与实测值相吻合。万宝湖中TP超标较严重，需要严格控制TP排放量，减小污染的危害程度，需要重点控制经六街和广场排口。

硝盐可能存在的隐患，源于其不当添加导致在产品中的大量残留，可和产品中的仲胺反应生成具有强致癌性的亚硝胺，加大了对其安全性的质疑。为此各国家和地区均对其使用非常严格谨慎，从安全角度对其添加量和范围进行了持续不断的研究，而且从法律法规上对其使用量、使用范围和产品中的残留进行了 强制性规定，寻找更为安全可靠，经济适用，能替代硝盐在肉制品发挥多种功能的添加剂的研究长期以来从未停止过。本文以分析硝盐的作用及危害为基础，对硝盐替代物的相关研究进行了概要综述，并对未来可能的研究重点进行了展望。

COD较高的区域为北岸和东岸排口附近，质量浓度达到65.0 mg/L，高于GB 3838—2002中Ⅳ类标准(≤30 mg/L)(万宝湖功能区要求达到Ⅳ类标准)，且COD浓度由岸边向湖心呈递减趋势，在西半湖湖心及西南部观赏水域COD最小，湖中COD大部分维持在60～62 mg/L，超过了GB 3838—2002中Ⅳ类标准。万宝湖中COD污染物主要来自于经三街和广场两个排口，因此应主要对这两个排口的COD排放进行重点控制。

石油类主要沿湖岸分布于四周，其中经六街排口质量浓度较高，达到1.060 mg/L，超过了GB 3838—2002中Ⅴ类标准(≤1.0 mg/L)。在西南侧的观赏水域，石油类出现了富集，浓度高于湖心平均浓度，这与石油类难降解、该水域流动性较差有很大关联，这也是石油类在万宝湖中的分布情况与其他主要污染物的区别。其他区域石油类浓度均低于Ⅴ类标准，大部分水域质量浓度在0.9 mg/L左右，超过了GB 3838—2002中Ⅳ类标准(≤0.5 mg/L)。因此，应重点考虑经六街排口和西南部观赏水域的石油类控制。

  

图4 万宝湖水质模拟结果(30 d)Fig.4 Water quality simulation results of Wanbao Lake (30 d)

4 结 语

以水污染较严重的大庆市万宝湖作为研究对象，建立了水动力和水质二维耦合模型，对该模型进行参数率定，得到了万宝湖水域水质迁移转化模型的各项参数，为北方地区小型湖泊水质变化研究提供了一定参考；该耦合模型与实地调研获得的数据拟合情况较好，有一定的借鉴意义，可很好地反映水体的流动情况和水体中污染物的分布情况，为污染物的治理提供一定依据。同时，重点分析了万宝湖4类主要污染物的分布情况和产生原因，并提出了对每种污染物的治理思路，对于其他城市小型人工湖泊的污染治理具有一定的借鉴意义。

2) 系统默认的初始温度为43 ℃，末端形式考虑用户的舒适性需求，采用地板辐射采暖，系统出水温度设定45 ℃；

(致谢：本研究获得了中国环境科学研究院张远研究员团队的大力支持，研究中的数据均来自《龙凤湿地流域水环境综合整治规划》成果报告，在此向报告编制团队在本文撰写过程中提供的帮助表示衷心感谢！)

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