引江濟太調(diào)水工程對太湖水動力的調(diào)控效果

郝文彬,唐春燕,滑 磊,ACHARYA Kumud

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.Desert Research Institute,Las Vegas,USA 89119)

引江濟太調(diào)水工程利用初步建成的治理太湖骨干水利工程體系,調(diào)整樞紐工程運行方式,通過長江口常熟水利樞紐和望亭立交水利樞紐工程調(diào)度,經(jīng)望虞河將長江水引入太湖,并通過太浦河由太湖向上海等下游地區(qū)供水,以期由此帶動流域內(nèi)其他諸多水利工程的優(yōu)化調(diào)度,加快水體流動,縮短太湖換水周期,緩解地區(qū)用水緊張狀況[1-2].目前,關(guān)于引江濟太調(diào)水工程對太湖及其周邊地區(qū)水環(huán)境的改善效果存在很大的爭議.為了定量地描述其改善效果,運用美國環(huán)保局開發(fā)的三維水質(zhì)模型:環(huán)境流體動力學(xué)模型(EFDC模型),利用三維水量模擬技術(shù)來模擬和研究引江濟太調(diào)水工程中望虞河引水和太湖水體的交換速度和交換程度.利用水齡的概念,一方面描述通過望虞河入湖水與太湖水體的交換速度與交換程度,從而分析引江濟太調(diào)水工程對太湖水動力過程的改善情況;另一方面,可描述可溶解性污染物在入湖后的遷移特征.

1 研究區(qū)域

太湖具有主要環(huán)湖河道219條,本研究將環(huán)湖河道概化為30條河道(圖1),包括主河道、天然河道和人工河道.

河道編號如圖1所示.將太湖劃分為8個子區(qū)域:竺山湖、梅梁灣、貢湖、西北湖區(qū)、西南湖區(qū)、湖心區(qū)、東部湖區(qū)、東太湖灣[3].另外,以太湖北部的直湖港(圖1中編號9)和南部的鼓樓港(圖1中編號20)為界將太湖流域分為上游和下游[4].太湖水體流向是自西向東、自北向南.上游主要入湖河流有從西苕溪水系流入的陳東港(圖1中編號2)、太運河(圖1中編號7)和長兜港(圖1中編號25),它們的入湖流量占太湖入湖流量的80%[5].下游的主要出湖河流有位于東南部的太浦河(圖1中編號15)和胥江(圖1中編號18).每年通過望虞河直接向太湖調(diào)入的總水量為0.8億m3(相當(dāng)于太湖總水量的 1/6),平均調(diào)水流量為 20～240m3/s[1,6].太湖流域夏天的主導(dǎo)風(fēng)向是東南風(fēng),平均風(fēng)速為3.5～5.0 m/s.

圖1 計算區(qū)域概化圖Fig.1 Schematic map of computational area

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

秦伯強[7]進(jìn)行太湖水動力模型研究后指出,太湖表面流場與風(fēng)向一致,而底層流場與表面流場的方向完全相反,表現(xiàn)為明顯的補償流,而且在風(fēng)場作用下可產(chǎn)生垂直環(huán)流系統(tǒng),所以使用簡單的二維模型來研究太湖水動力是不夠精確的,應(yīng)當(dāng)采用垂向分層的三維數(shù)學(xué)模型來模擬太湖水體的水動力情況.筆者用EFDC模型來模擬水位、流量、水齡.EFDC模型可以模擬河流、湖泊、河口、水庫、濕地和沿海地區(qū)表層水體的三維流量、營養(yǎng)鹽輸送和生化過程.該模型基于笛卡爾正交曲線和垂直 σ坐標(biāo)系統(tǒng)的有限差分方法對方程進(jìn)行求解[8-9].水齡定義為顆粒物從入口傳輸?shù)街付c的時間(往往入口的水齡設(shè)為零).水齡越大,說明水體運動越慢,水體被交換程度越弱;反之亦然.水齡計算公式見文獻(xiàn)[5].

2.2 模型的建立

用笛卡爾直角坐標(biāo)網(wǎng)格建立太湖水動力模型,水平面總計4465個網(wǎng)格,每個網(wǎng)格單元邊長相當(dāng)于實際長度750m.為了較好地模擬湖底地形,垂直方向采用σ坐標(biāo),分為3層.用湖底和表層水體厚度來定義垂向網(wǎng)格的高度.每個網(wǎng)格的初始平均水深從岸邊的0.5m到湖中心地區(qū)的2.5m.根據(jù)流體靜力學(xué)連續(xù)性和避免產(chǎn)生σ坐標(biāo)帶來的壓力梯度錯誤,應(yīng)使湖底坡度小于0.33m[5].EFDC模型以大氣、表面風(fēng)力和出入湖流量為動力邊界條件.出入湖河流邊界條件為30條河流(圖1),將剩余的小河就近并入鄰近主河道.日降雨量數(shù)據(jù)是太湖附近8個監(jiān)測站獲取的數(shù)據(jù)平均值.每日風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所太湖站的氣象中心(靠近圖1中監(jiān)測點C)獲得.

初始條件設(shè)置了水位、流量和水齡.在假設(shè)湖面水平條件下,初始水位設(shè)置為模擬時段第1天的平均值.水深是根據(jù)水位和湖底高程得出的,并且設(shè)置初始流速為0m/s.在入湖河流入口處連續(xù)釋放的示蹤劑在任意單元格的質(zhì)量濃度設(shè)為單位1.水齡主要取決于調(diào)入的凈水量和湖面的風(fēng)場.為了確定調(diào)水量對水齡的影響,設(shè)計了一系列方案(15個,表1)進(jìn)行計算.方案1是對2005年水體流速和風(fēng)場的分析;方案2依然采用2005年水體流量數(shù)據(jù)并假設(shè)沒有調(diào)水和風(fēng)場的情況;方案3～6系考慮望虞河在沒有其他出入湖河流的理想狀態(tài),根據(jù)2005年觀測值,流量50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s分別代表望虞河低、中、高和極高流量;方案7～14通過設(shè)置8個不同風(fēng)向來模擬風(fēng)向?qū)w水齡的影響;方案8～15計算了在夏季主導(dǎo)風(fēng)向——東南風(fēng)情況下風(fēng)速對水齡的影響.所有方案所采用的模型及參數(shù)都是一致的,時間步長取為100s,共計算365d.

3 模型率定

對于數(shù)值模型,通過對模型進(jìn)行靈敏性分析來闡明模型參數(shù)取值對模型結(jié)果的影響十分重要.由于水流運動的物理特性已經(jīng)十分成熟,在EFDC模型的應(yīng)用中,模型中大部分物理參數(shù)都未作改變.例如,Mellor-Yamada紊流模型[10]中有關(guān)的參數(shù)與其他水力模型(如普林斯頓海洋模型[11]與河口海岸海洋模型[12])中所設(shè)置的參數(shù)是一致的.類似地,Smagorinsky公式[8]中的量綱黏度系數(shù)是恒定的,取0.2[13].本模型確定100s的時間步長來保證模型運行的穩(wěn)定性.

在水位率定過程中,經(jīng)常需要調(diào)整的參數(shù)是底部粗糙高度Z0,該系數(shù)一般取0.02m[9,12].本模型中該參數(shù)的默認(rèn)值也設(shè)為0.02m.研究表明,粗糙高度的明顯變化對模型運行結(jié)果中的水深和流速所造成的影響很小.水面高程和流速的均方根誤差小于1%.湖泊的水深主要受風(fēng)場、降雨和支流影響.運用以上參數(shù)計算2005年太湖的水位和流速,模擬結(jié)果與太湖4個監(jiān)測站(大浦口、夾浦、小梅口和西山)的實測值吻合較好.靈敏度分析結(jié)果顯示,支流的入流和出流對湖泊的縱向流速影響不大,風(fēng)場對流速分布有較大影響.進(jìn)行流場率定使用2001年4月12—14日和8月15—19日的湖區(qū)流場監(jiān)測結(jié)果,率定結(jié)果表明模型模擬結(jié)果整體上反映了太湖風(fēng)生湖流的特點.

表1 模型計算方案Table 1 Model simulation scenarios

4 討 論

4.1 環(huán)湖河道對太湖水齡的影響

為了研究環(huán)湖河道對太湖水齡的影響,模型假設(shè)風(fēng)速為零,在其他條件與方案1相同的情況下進(jìn)行模擬,219d和365d的水齡用于代表夏天大流速和冬天小流速的情況.冬季和夏季的模擬結(jié)果表明:(a)西北湖區(qū)、竺山灣、梅梁灣和貢湖等水齡較小,這些湖區(qū)都與主要入流河流相連接,并且水齡從入口到湖心依次增大.(b)湖心區(qū)、東部湖區(qū)和東太湖灣的部分區(qū)域水齡較大.(c)模擬區(qū)最小的水齡小于10d,最大的水齡超過350d,表明入流支流對水齡分布具有很大影響,尤其是在河道的入湖口處.同時也說明湖體水齡存在很大的時空差異,不同湖區(qū)的水齡存在很大的差別,這種差別主要與入湖河道的位置以及風(fēng)場等因素密切相關(guān).

4.2 引江濟太調(diào)水工程對太湖水齡的影響

為了評估引江濟太調(diào)水工程對太湖水動力改善所起的作用,結(jié)合目前的實際調(diào)水流量,考慮望虞河4種不同流量入湖的情況,即50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s(方案3～6,表1),并假定沒有風(fēng)場的影響,假定除了望虞河和太浦河外沒有其他支流影響.為保持湖泊水位變化幅度不大,各方案中太浦河的流量與望虞河保持一致.模型除了表1所示的望虞河、太浦河流量,以及風(fēng)速、風(fēng)向等驅(qū)動條件不同之外,其他條件和參數(shù)設(shè)置與方案1相同,模擬時長均為365d.

第365天的模擬結(jié)果(模型模擬的最后一天結(jié)果)表明(圖2),望虞河流量分別為50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s時湖區(qū)水齡平均值小于360d所占的比例分別為26%,53%,71%,78%.該比例隨著望虞河引水流量的增加而升高,說明水量越大則交換越快.然而,比例變化的幅度在不同的方案下不盡相同.從圖2可以看出,當(dāng)望虞河入湖流量從50m3/s增加到200m3/s,以50m3/s的幅度增加時,水齡小于360d的區(qū)域所占比例分別增加了27%,18%和7%.可見當(dāng)望虞河引水量從50m3/s增加到100m3/s時水齡獲得了最大的變化率,而入湖流量從150m3/s增加到200m3/s時水齡變化率最小.結(jié)果表明,考慮到投入產(chǎn)出比,引水工程對改善湖體水動力及水循環(huán)效果最佳的流量為100m3/s.另外,從空間分布來看,水齡較小的區(qū)域從貢湖蔓延到附近的區(qū)域(水齡小于30d),再到整個湖心區(qū)(直至水齡等于360d).然而,梅梁灣、竺山灣和西南湖區(qū)水齡保持不變(水齡最大的為365d).說明引江濟太調(diào)水工程對于改善貢湖、湖心區(qū)及東部湖區(qū)的水循環(huán)有很大的促進(jìn)作用.然而,對于改善梅梁湖、竺山湖及太湖西岸的幫助不大,而這幾個湖區(qū)剛好是太湖水體的重污染區(qū).綜上所述,引江濟太調(diào)水工程能夠改善太湖部分湖區(qū)的水動力特征,而不是整個太湖的水動力特征.

圖2 模型模擬第365天時望虞河在不同入湖流量條件下的水齡分布(單位:d)Fig.2 Distributions of water age for different discharges from Wangyu River into Taihu Lake on 365th day simulated by model(Unit:d)

4.3 風(fēng)場對太湖湖體水齡的影響

太湖是典型的風(fēng)生流湖泊,所以評估其風(fēng)場對水齡的影響十分重要.筆者模擬了恒定風(fēng)速5m/s時8種不同風(fēng)向下(表1中方案7～14)太湖湖體水齡的分布情況.位于梅梁灣內(nèi)的監(jiān)測點C和位于湖心區(qū)的監(jiān)測點B(位置見圖1)分別用來代表半封閉湖區(qū)和開放湖區(qū).模擬結(jié)果表明:在相同風(fēng)速、不同風(fēng)向下2個監(jiān)測點的水齡差別較大.對于監(jiān)測點B,水齡最大達(dá)到335d(西北風(fēng)狀況)和305d(東南風(fēng)狀況),最小為207d(西南風(fēng)狀況)和254d(西北風(fēng)狀況).而對于監(jiān)測點C,最大的水齡為305d(東北風(fēng)狀況)和300 d(西南風(fēng)狀況),最小為169d(西北風(fēng)狀況)和174d(東南風(fēng)狀況).對同一監(jiān)測點,由于風(fēng)向引起的水齡差別超過100d,而在空間分布上不同監(jiān)測點的水齡變化超過了150d,因此風(fēng)向?qū)λg的時間和空間分布均具有重要影響.由于在太湖東部湖區(qū)有7個水廠取水口(圖1),故筆者研究了風(fēng)場對該飲用水源區(qū)域水齡的影響.研究結(jié)果表明西北風(fēng)和東南風(fēng)有助于梅梁灣的水體交換.在東南風(fēng)時,梅梁灣、竺山灣和湖心區(qū)北部的區(qū)域水齡較小(小于200d),西北湖區(qū)、西南湖區(qū)和東部湖區(qū)的水齡較大(250～365 d).西北風(fēng)時,東南湖區(qū)的水齡較小(小于220d),西南湖區(qū)的水齡較大(365d).湖區(qū)水齡較小的區(qū)域均接近7座水廠的取水口,表明西北風(fēng)是引江濟太調(diào)水工程對飲水水質(zhì)改善最有效的風(fēng)向.

5 結(jié) 論

引江濟太調(diào)水工程對太湖所產(chǎn)生的影響可通過水齡的時空分布來反映.總體來說,風(fēng)場和環(huán)湖河道對太湖水齡的時空分布產(chǎn)生重要的影響,水齡在時空分布上具有很強的異質(zhì)性.引水工程實施后,能有效地改善貢湖、湖心區(qū)及東部湖區(qū)的水動力特征,促進(jìn)湖體的水循環(huán).然而,其對改善梅梁湖、竺山湖及太湖西岸的水動力狀況幫助不大.綜上所述,引江濟太調(diào)水工程能夠改善太湖部分湖區(qū)的水動力狀況,而不是整個太湖的水動力狀況.當(dāng)太湖湖面風(fēng)向為東南風(fēng)——夏季主導(dǎo)風(fēng)向時,重污染湖區(qū)梅梁灣能夠有效地與引入的水流進(jìn)行交換,說明就風(fēng)場條件而言,最佳的引水時機為夏季.另外,考慮到投入產(chǎn)出比,引水工程對改善湖體水動力及水循環(huán)效果的最佳調(diào)水流量為100m3/s.總之,引江濟太調(diào)水工程僅能改善局部湖區(qū)的水循環(huán)特征,而不是整個太湖.因此,引江濟太調(diào)水工程可當(dāng)作緊急情況下的應(yīng)急措施,而不是解決太湖水體污染的根本措施.另外,在實施引江濟太調(diào)水措施時,要控制入湖水質(zhì),保證其優(yōu)于太湖水體水質(zhì),否則將達(dá)不到預(yù)期的效果.

[1]高怡,毛新偉,徐衛(wèi)東.引江濟太對太湖及周邊地區(qū)的影響分析[J].水文,2006,26(1):92-94.(GAO Yi,MAO Xin-wei,XU Wei-dong.Analysis of theinfluence on the Taihu Lake and the area around:diversion from the Yangtze River to the Taihu Lake[J].Journal of China Hydrology,2006,26(1):92-94.(in Chinese))

[2]吳浩云.引江濟太調(diào)水試驗關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用[J].中國水利,2008(1):6-8.(WU Hao-yun.Study on key technologies of Yangtze-Taihu Water Diversion[J].China Water Resources,2008(1):6-8.(in Chinese))

[3]HUWei-ping,ZHAI Shui-jing,HANHong-juan,et al.Impacts of the Yangtze Riverwater transfer on the restoration of Lake Taihu[J].Ecological Engineering,2008,34(1):30-49.

[4]XU Ha,YANG Lin-zhang,ZHAO Geng-mao,et al.Anthropogenic impact on surface water quality in Taihu Lake region,China[J].Pedosphere,2009,19(6):765-778.

[5]LI Yi-ping,ACHARYA K,YU Zhong-bo.Modeling impacts of Yangze River water transfer on water ages in Lake Taihu,China[J].Ecological Engineering,2010,37(2):325-334.

[6]賈鎖寶,尤迎華,王嶸.引江濟太對不同水域氮磷濃度的影響[J].水資源保護(hù),2008,24(3):53-56.(JIA Suo-bao,YOU Yinghua,WANG Rong.Influence of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake on nitrogen and phosphorus concentrations in different water areas[J].Water Resources Protection,2008,24(3):53-56.(in Chinese))

[7]秦伯強.中國太湖水動力學(xué)研究[J].AMBIO-人類環(huán)境雜志,1999(8):6-7.(QIN Bo-qiang.Hydrodynamics of Lake Taihu,China[J].AMBIO-A Journal of the Human Environment,1999(8):6-7.(in Chinese))

[8]SMAGORINSKY J.General circulation experimentswith the primative equations[J].Mon Weather Rev,1963,91:99-164.

[9]HAMRICK JM.A Three-dimensional environmental fluid dynamics computer code:theoretical and computational aspects[M].Virginia:Virginia Institute of Marine Science,Collegeof William and Mary,1992:63-64.

[10]MELLORG L,YAMADA T.Development of a turbulence closure-model for geophysical fluid problems[J].Reviews of Geophysics,1982,20(4):851-875.

[11]YIN Xun-qiang,QIAOFang-li,TANGYong-zeng,et al.An ensembleadjustment Kalmanfilter study for Argodata[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnoligy,2010,28(3):626-635.

[12]堵盤軍,胡克林,孔亞珍,等.ECOMSED模式在杭州灣海域流場模擬中的應(yīng)用[J].海洋學(xué)報,2007,29(1):7-16.(DU Panjun,HU Ke-lin,KONG Ya-zhen,et al.Application of ECOMSED model to the simulation of Hangzhou Bay tide current[J].Acta Oceanologica Sinica,2007,29(1):7-16.(in Chinese))

[13]BERNTSEN J.Internal pressure errors in sigma-coordinate ocean models[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2002,19(9):1403-1414.