鹽龍湖水源地多水體/多工藝串聯水質模擬與預警研究背景及問題研究方法及技術路線研究結果與分析小結CONTENTS背景及問題.背景4鹽龍湖,江蘇鹽城市典型的平原型人工飲用水源地，3342畝，是基于多項生態凈化工程構建的，主要包括預處理區、生態濕地凈化區、深度凈化區。2012年建成投入使用運用生態濕地對水質的凈化作用，使蟒蛇河原水經凈化處理后出水水質指標穩定達標；存在問題5鹽龍湖取水于蟒蛇河，上游各種污染源給河道水質帶來了很大的不確定性，給鹽龍湖帶來了一定的風險。鹽龍湖現有的多工藝串聯生態凈化系統很難高效凈化氮營養鹽物質，沉水植被因魚類干擾、水文水質變化等因素難以生長和維持。生態濕地凈化區的凈化效果，直接影響到深度凈化區水質和生態的穩定；深度凈化區總氮水平偏高，呈現富營養化趨勢，局部區域冬季發生硅藻水華、夏季發生藍藻水華，底層溶解氧偏低，直接影響到系統運行的持續性和取水口區域水質的穩定。研究目標6開發并構建鹽龍湖飲用水源地預處理區-挺水植物區-沉水植物區-深度凈化區串聯的三維水動力-水質-生態動力學模型平臺，在此基礎上嘗試對鹽龍湖飲用水源地上游風險源進行風險預警；嘗試建立鹽龍湖飲用水源地沉水植被生態工程智能設計等關鍵技術研究。研究目標7深度凈化區的水質問題模擬診斷；氮磷和藻類在深度凈化區的時空分布；溶解氧表層和底層的動態特征和主要影響過程；深度凈化區的管控情景方案設計和量化評估，如進水水量調度方式對取水口水質的影響；研究方法與技術路線傳統理念9鹽龍湖飲用水源地的運行管理過程，基本沿用了常規的監測-靜態分析思想，缺乏水量-水動力-氣象-水生態-水質的動態響應以及相應的定量分析，對于可能的水質惡化和突發水污染事件的影響規律認識不足。面向對象的智能設計10基于面向對象的智能設計理念（OOID）技術，以鹽龍湖多水體/多工藝串聯單元為對象，從系統的角度出發，以數值模型量化分析為主要工具，科學定量建立系統的外源、內源條件與水質之間的響應關系，模擬診斷水質問題的主要原因和影響過程，對上游風險源進行預警分析，并對生態濕地工程進行智能設計，為管理部門提供科學有效的治理決策方向。計算平臺11IWIND-LR軟件，是以國際上廣泛應用的高端水動力水質模型－環境流體力學代碼（EFDC）為計算內核，基于工程智能設計開發新的模塊，國際上第一款擁有多種群水生植被模擬功能復雜三維模擬系統。模型功能模塊12IWIND-LR（2.0）軟件，強化了水生植物模塊與工程智能設計模塊。服務于精細化的工程智能評估研究結果與分析模型構建及應用流程141234對每個單元進行網格劃分網格剖分輸入邊界及調試參數邊界條件及參數模型校準及驗證模型校準基于校準模型，進行應用模型應用構建鹽龍湖多水體/多工藝串聯模型提出飲用水源地水質穩定保障和長效運營管理方案計算平臺15研究結果與分析邊界條件及參數氣象驅動邊界17流量邊界條件18模型以調度流量為流量邊界條件，以水質監測時間序列為入流濃度邊界。校準周期：2016.1.1-2016.12.20，355天時間步長：60S模型關鍵過程考慮19水動力過程：水量平衡、水位、氣象水質及富營養化過程（總氮、總磷、溶解氧循環動力學）藻類動力學（硅藻、藍藻）水生植物動力學（挺水植物、沉水植物生長）及與水體和底泥的交互作用研究結果與分析模型校準校準位置21校準點位深度凈化區校準22水位的模擬控制在1.2米（吳淞高程）左右，與管理部門對深度凈化區的水位控制一致。深度凈化區校準23深度凈化區校準24深度凈化區校準25通過反復的模擬校準，各個監測站點水溫、溶解氧、氮磷營養鹽和藻類的模擬值可以合理的再現觀測值季節性動態變化趨勢。模型應用模型應用27深度凈化區水質管控水質目標提升的管控情景設計與量化評估生態工程智能設計設定多種不同的生態工程配置的組合，以高效改善水源地水質為目標，構建鹽龍湖生態工程配置優化的智能設計系統鹽龍湖風險源預警鹽龍湖及上游主要風險源耦合的預警溶解氧問題診斷溶解氧分布狀態分析模型應用深度凈化區深度凈化區水量水質管控29為沉水植物區恢復提供決策支持水量調度深度凈化區入流邊界負荷削減污染負荷削減沉水植物區沉水植被的恢復工程需對沉水植物區水量進行管控，沉水植物區凈化處理的水量降低甚至關閉沉水植物區，對深度凈化區水質影響為使得取水口水質滿足水質標準，對深度凈化區入流負荷進行削減水量調度30對進入深度凈化區的三個閘進行水量調度調控，量化評估不同情景下條件下對取水口水質的影響。水量調度調控情景設計深度凈化區水質管控-水量調度深度凈化區水質管控-水量調度在當前的水力水質變化條件下，為了恢復沉水植物區植被的生長，沉水植物區閘控的關閉，深度凈化區取水口的水質狀況基本未受影響。為了改善深度凈化區取水口水質，對于進入凈化區內的氮磷污染負荷進行不同比例的削減方案設計和量化評估。基礎情景削減方案1削減方案2削減方案320%40%60%深度凈化區水質管控-污染負荷削減深度凈化區水質管控-污染負荷削減外源氮需要削減40%，總氮才能達到地表水三類水標準。深度凈化區水質管控-污染負荷削減外源氮磷營養鹽削減到60%，藻類濃度可以控制在30ug/L模型應用生態工程智能設計生態工程智能設計37為了提升沉水植被的恢復能力，通過沉水植被動力學模型來設計水位高低對沉水植被生長及水質指標的影響。水位調控情景設計溶解氧、總氮38沉水植物、藻類39高水位下的溶解氧濃度比低水位條件下低，營養鹽中總磷及氨氮均有小幅的上升。1.5m2.3m3m2.1m生態工程智能設計40沉水植物區單種群的水生植物的布設，使得僅僅能夠在其生長期內對水體的增氧、水質凈化作用，嘗試分析多種群的水生植物的布設對全年水質的改善作用。多種群情景設計溶解氧、總氮41相對于單種群，多種群水生植物總的生物量全年更長時間段保持在較高水平，同時能夠有效提高夏季水體中溶解氧的含量。模型應用鹽龍湖風險源模擬預警鹽龍湖風險源模擬預警43擬設置的情景根據之前的報道事故作為參考值，假設發生了如下的事故：突發事故情景設計蟒蛇河可能存在溢油、化學品泄漏、農業面源污染等造成的不確定性水污染事件，影響供水安全。上游農業面源污染等造成的不確定性水污染風險，影響下游鹽龍湖水源地供水安全。事故名稱泄露時刻泄露位置泄露時長總氮（噸）總磷（噸）氨氮（噸）汛期-事故2016/7/1大縱湖1小時502025蟒蛇河模型44大縱湖出口鹽龍湖風險源模擬動畫45小結小結471.本研究從鹽龍湖現狀出發，基于鹽龍湖不同功能區水文水環境特征，針對水動力、水質、藻類動力學、水生植物動力學過程，開發了一套可以用于指導長期量化評估鹽龍湖的模型計算平臺。2.聚焦于湖心區和取水口區域，通過對深度凈化區模擬校驗，水位、水溫、溶解氧、氮磷營養鹽和藻類的模擬值很好的再現了觀測值的季節性動態變化趨勢。多種水質管控情景表明，沉水植物區恢復重建的臨時性關閉，深度凈化區湖區和取水口水質基本未受影響。外源氮磷負荷削減60%，湖區內氮磷才能達到地表水三類水標準，藻類能控制在30ug/L。小結483.以鹽龍湖三維數值模型為核心計算平臺，將上游水質變化與鹽龍湖取水口響應的時間滯后和強度等風險指標定量化系統化，為鹽龍湖水源地上游污染物快速預警響應的構建和可能性污染源應急響應預案提供科學支撐。4.為了提升沉水植被功能區水質