基于人工導(dǎo)流的太湖調(diào)水清污新思路

陳凱麒，祁昌軍，李巍，陶潔

1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012 2.國家環(huán)境保護環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室，北京 100012 3.水電環(huán)境研究院，北京 100012 4.上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434 5.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038

太湖是長江下游著名的淡水湖，是下游流域水調(diào)節(jié)和水生態(tài)系統(tǒng)的中心，不僅擔(dān)負(fù)著上海、無錫、湖州等大中型城市的城鄉(xiāng)供水，還有向下游地區(qū)供水并改善河網(wǎng)水質(zhì)的作用。隨著經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展和人口猛增，太湖流域廢污水排放量逐年增加，日益突出的水環(huán)境問題導(dǎo)致流域藍(lán)藻水華事件頻繁暴發(fā)，使生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的破壞進程加快[1]。太湖水環(huán)境的嚴(yán)重惡化引起了政府和社會各界人士的廣泛關(guān)注，2001年國務(wù)院批復(fù)實施了《太湖水污染防治“十五”計劃》，2008年又批復(fù)了《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》。筆者通過分析總結(jié)太湖生態(tài)治理措施，提出一種新思路，在太湖內(nèi)結(jié)合清淤、航道疏浚及景觀美化工程建設(shè)導(dǎo)流堤，以阻隔太湖在風(fēng)力作用下形成無效的“死”循環(huán)系統(tǒng)，有組織地引導(dǎo)、控制水體流動，從而促進湖體的有序水循環(huán)，以期大幅度、高效地改善太湖調(diào)水清污效果。

1 太湖水質(zhì)治理回顧

1.1 生態(tài)清淤工程

太湖湖區(qū)平面分布如圖1所示。太湖底泥污染嚴(yán)重，氮、磷、有機碳等呈釋放狀態(tài)，是導(dǎo)致其水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化，湖灣藍(lán)藻爆發(fā)、湖泛生成的重要內(nèi)源。根據(jù)2007年《太湖污染底泥疏浚規(guī)劃》的批復(fù)，國家組織相關(guān)專家經(jīng)過大量調(diào)查、分析與試驗?zāi)M，提出了太湖生態(tài)清淤工程初步方案，并于2008年底全面啟動該項工程。

圖1 太湖湖區(qū)平面分布示意Fig.1 Diagram of area distribution in the Taihu Lake

清淤工程實施范圍為太湖底泥污染嚴(yán)重、水草分布較少、水生生物多樣性不足、藍(lán)藻水華多發(fā)的竺山湖，及西部沿岸區(qū)、梅梁湖、貢湖和東太湖區(qū)，預(yù)計總清淤面積122.85 km2，工程量3 597.33萬m3。至2012年底，已累計完成清淤面積約106 km2，清淤土方量3 200萬m3[2]。目前通過對生態(tài)清淤工程的跟蹤調(diào)研，發(fā)現(xiàn)清淤區(qū)水環(huán)境狀況逐步改善，主要污染物濃度呈不同程度的降低，但由于工程復(fù)雜、規(guī)模巨大，其對水生植物、底棲生物等造成的生態(tài)負(fù)面影響，不明確的環(huán)境經(jīng)濟綜合效益，轉(zhuǎn)移底泥的二次污染等問題也一直備受爭議[3-9]。

1.2 調(diào)水引流工程

調(diào)水引流工程主要歷經(jīng)2個過程：1)2002年起實施的引江濟太調(diào)水實踐，即從常熟樞紐抽引長江水經(jīng)望虞河，再由望亭水利樞紐直接補給太湖；2)2007年的應(yīng)急調(diào)水，即因太湖藍(lán)藻暴發(fā)、無錫供水危機等狀況，加大引江濟太調(diào)水量的同時(常熟水利樞紐調(diào)水流量從160 m3/s提高到240 m3/s，望亭立交水利樞紐入湖流量從100 m3/s提高到200 m3/s)，啟動梅梁湖泵站(設(shè)計流量50 m3/s)，抽調(diào)太湖水入京杭大運河。通過后續(xù)的調(diào)水實踐，太湖調(diào)水逐步形成了“長江—望虞河—貢湖—東太湖—太浦河”和“長江—望虞河—貢湖—梅梁湖”2個由望虞河入湖至梅梁湖泵站(2010年完工的大渲河泵站配套工程，設(shè)計流量為50 m3/s)和太浦閘出湖的主要環(huán)流格局。

2 太湖典型風(fēng)況下的流場特性

太湖湖面開闊，水動力學(xué)條件以風(fēng)生流為主，不同風(fēng)向的風(fēng)場形成流場差異較大。研究利用數(shù)值模擬方法，假設(shè)恒定風(fēng)速為4.0 m/s，不考慮入流和出流，選取東南(SE)、西南(SW)、東北(NE)、西北(NW)4種風(fēng)況，初步模擬各風(fēng)況下的太湖流場和流線特性。限于篇幅僅以東南風(fēng)、東北風(fēng)風(fēng)況下的流場和流線圖為例(圖2)。

圖2 不同風(fēng)況下的流場與流線Fig.2 Flow field and streamline under different wind conditions

由圖2可知：1)不同風(fēng)況下，大致形成西太湖環(huán)流系統(tǒng)和湖心區(qū)環(huán)流系統(tǒng)2個較大環(huán)流系統(tǒng)，其范圍有所不同。在東南、西南風(fēng)持續(xù)作用下，西太湖環(huán)流為順時針方向，湖心區(qū)環(huán)流為逆時針方向；竺山湖、梅梁湖、貢湖和東太湖湖灣亦形成局部環(huán)流。在東北、西北風(fēng)持續(xù)作用下，湖區(qū)和湖灣環(huán)流分布大小基本與東南、西南風(fēng)一致，但流向相反。2)4種風(fēng)況下，太湖水體在環(huán)流邊界處速度較大，內(nèi)部較小，但整體流速均不高，平均流速為0.01～0.02 m/s。

3 太湖調(diào)水清淤新思路

3.1 思路的提出

基于人工導(dǎo)流，減少太湖無效閉合環(huán)流系統(tǒng)，提高太湖水體交換率的思路，考慮在太湖湖區(qū)內(nèi)結(jié)合清淤及航道疏浚工程建設(shè)導(dǎo)流堤，阻隔太湖在風(fēng)力作用下形成大的環(huán)流系統(tǒng)，有組織引導(dǎo)、控制水體流動，從而促進湖體的有序水流動循環(huán)，以期大幅度、高效地改善太湖調(diào)水清污效果。

3.2 導(dǎo)流堤設(shè)置原則

根據(jù)對不同風(fēng)向下的太湖流場、流線形態(tài)，初步考慮導(dǎo)流堤設(shè)置原則為：1)盡量減少對水流交換無效的風(fēng)生環(huán)流；2)盡量引導(dǎo)水流帶動流動性差的湖灣水體；3)在主控風(fēng)向條件下，盡量加強引水與湖水的置換率。

根據(jù)現(xiàn)階段研究成果，初步設(shè)想了方案的有效性判據(jù)：1)相同時間內(nèi)，湖內(nèi)污染物的置換率；2)西太湖環(huán)流系統(tǒng)和湖心區(qū)環(huán)流系統(tǒng)形成時間和范圍；3)不同湖區(qū)內(nèi)各污染因子的達(dá)標(biāo)率；4)各湖灣水體交換時間。

隨著研究的深入，將繼續(xù)優(yōu)化導(dǎo)流堤設(shè)置原則，選取最優(yōu)的有效性判據(jù)組合方案。

3.3 方案設(shè)置

提出了太湖治污新思路的數(shù)值模型試驗，為簡化工況，突出重點，計算所采用的風(fēng)況、水質(zhì)等要素均為假設(shè)條件。在該假設(shè)條件下，模擬不同導(dǎo)流堤方案對太湖流場和污染物置換率的影響，計算結(jié)果不代表對太湖水質(zhì)的實際改善效果。

太湖調(diào)水清污工程效果與風(fēng)況、水文條件、引水水質(zhì)、引水流量以及文中提出的工程導(dǎo)流措施有關(guān)。

(1) 風(fēng)況

根據(jù)對歷年氣象資料的統(tǒng)計，可以認(rèn)為在太湖富營養(yǎng)化的高發(fā)期(5—7月)，太湖主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，平均風(fēng)速為3.5～5.0 m/s[10-14]。選取太湖常年恒定風(fēng)向東南風(fēng)和年內(nèi)變化風(fēng)向2種風(fēng)況，風(fēng)速假定為4.0 m/s。

(2) 初始水位

選取太湖多年平均水位3.11 m為模型試驗的初始水位。

(3) 降雨、蒸發(fā)

該次模擬不考慮太湖區(qū)域的降雨、蒸發(fā)。

(4) 引水、供水

太湖主要環(huán)湖河道有219條，模型試驗主要考慮從長江通過望虞河引水入太湖，從東太湖的太浦河向下游出流，平均調(diào)水流量為20～240 m3/s[15]；假定望虞河引流入湖及太浦河出流流量均為200 m3/s，不考慮其他支流匯入。

(5) 水質(zhì)

假設(shè)污染物A在湖區(qū)的初始濃度為100 mg/L，且均勻分布；從望虞河引水入太湖的污染物A濃度為0；不考慮其他支流和周邊該污染物的匯入。通過數(shù)值模擬，計算不同時刻出流帶出污染物A的累計量，并與初始狀態(tài)下湖內(nèi)污染物A的總量相比，得出不同方案相同時間內(nèi)污染物A的置換率，分析太湖調(diào)水清污效果。

(6) 導(dǎo)流堤方案

初步設(shè)計5種導(dǎo)流堤方案，各導(dǎo)流堤方案見表1。通過數(shù)值模型試驗，研究每種導(dǎo)流堤對太湖引水清污的作用。

表1 導(dǎo)流堤布置方案

注：圖中粗實線表示導(dǎo)流堤。

(7) 計算方案

考慮2種風(fēng)況，風(fēng)況1為全年恒定風(fēng)向東南風(fēng)，風(fēng)速為4.0 m/s；風(fēng)況2為按季節(jié)變化風(fēng)向(東南風(fēng)+東北風(fēng)+西北風(fēng))，風(fēng)速為4.0 m/s。污染物A在湖區(qū)的初始濃度為100 mg/L，計算5種導(dǎo)流堤方案下太湖污染物的置換情況，計算時間為1 a。

3.4 模擬結(jié)果

3.4.1 污染物置換率

在水動力模型計算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建對流擴散模型，計算污染物A在引水流量為200 m3/s條件下的污染物置換率。模型計算時間為1 a，不考慮污染物的衰減作用。對污染物置換率定義為：

式中，a為污染物置換率，%；Wi為某時段內(nèi)出流帶出污染物A的量，t；W為初始狀態(tài)下湖內(nèi)污染物A的總量，t；t為計算時長，h。

太湖導(dǎo)流堤工程對湖內(nèi)污染物置換率的改善效果見表2和表3。

表2 污染物置換效果(風(fēng)況1)

注：風(fēng)況為全年恒定風(fēng)向東南風(fēng)，風(fēng)速為4.0 m/s。

表3 污染物置換效果(風(fēng)況2)

注：風(fēng)況為按季節(jié)變化風(fēng)向(東南風(fēng)+東北風(fēng)+西北風(fēng))，風(fēng)速為4.0 m/s。

由表2可知，在全年恒定風(fēng)向東南風(fēng)作用下，引水流量為200 m3/s時，太湖污染物置換率為75.83%。在湖區(qū)設(shè)置導(dǎo)流堤后，各導(dǎo)流堤方案對太湖污染物置換率均有一定影響，其中導(dǎo)流堤方案五對太湖污染物置換率的改善相對最明顯，污染物置換率提高2.20個百分點，每年可增加污染物交換量約10 437 t。

由表3可知，在季節(jié)變化風(fēng)向(東南風(fēng)+東北風(fēng)+西北風(fēng))作用下，引水流量為200 m3/s時，太湖污染物置換率為73.90%，比全年恒定東南風(fēng)下污染物置換率下降1.93個百分點。可見，風(fēng)作用對太湖水質(zhì)擴散、輸移影響較為突出。在湖區(qū)設(shè)置導(dǎo)流堤后，相比較于全年恒定風(fēng)向東南風(fēng)的計算結(jié)果，各導(dǎo)流堤方案對太湖污染物置換率改善效果不理想，除方案五使污染物置換率增加0.71個百分點，年增加污染物交換量約3 374 t外，其余各導(dǎo)流堤方案對太湖污染物置換率都弱于無導(dǎo)流堤方案。

由模型試驗可知，方案五在風(fēng)況1條件下的污染物置換效果相對較好，以下重點對風(fēng)況1下方案五和方案一全湖及各分湖區(qū)污染物剩余率(某時間段內(nèi)湖內(nèi)剩余污染物總量與初始狀態(tài)時湖內(nèi)污染物總量的比)變化進行對比分析。結(jié)果見圖3(恒定風(fēng)向東南風(fēng))。

注：風(fēng)向東南風(fēng)。圖3 湖內(nèi)污染物剩余率隨時間的變化Fig.3 The curve of contaminants remaining in the lake changes with time

由圖3可知，從全湖看，導(dǎo)流堤方案五總體污染物置換率大于無導(dǎo)流堤方案；在恒定東南風(fēng)向條件下，導(dǎo)流堤方案五污染物剩余量曲線低于無導(dǎo)流堤方案，污染物置換率也較之快些。從各湖區(qū)來看，梅梁湖和貢湖導(dǎo)流堤方案五污染物置換率高于無導(dǎo)流堤方案；竺山湖在計算時間前130 d內(nèi)導(dǎo)流堤方案五污染物置換率低于無導(dǎo)流堤方案，130 d后導(dǎo)流堤方案五污染物置換率高于無導(dǎo)流堤方案；由于模型計算出口位于東太湖，為水質(zhì)交換路徑末端，相比于導(dǎo)流堤方案五，無導(dǎo)流堤方案污染物置換率要高些?？傮w上，導(dǎo)流堤方案五對太湖污染物置換率有所改善，對各湖區(qū)的改善效果受風(fēng)作用和導(dǎo)流堤位置影響明顯。

3.4.2 流場變化

由于數(shù)值試驗的方案較多，限于篇幅只給出對太湖污染物置換率的改善相對最明顯的導(dǎo)流堤方案五的流場變化(圖4)。由圖4可以看出，導(dǎo)流堤方案五對太湖環(huán)流系統(tǒng)影響明顯，西太湖環(huán)流系統(tǒng)和湖心區(qū)環(huán)流系統(tǒng)在導(dǎo)流堤的作用下，環(huán)流系統(tǒng)范圍變?。辉陲L(fēng)向西北風(fēng)下，湖心區(qū)的大環(huán)流變?yōu)閿?shù)個小環(huán)流；不同風(fēng)況下，西太湖靠岸環(huán)流系統(tǒng)范圍仍然較大，說明導(dǎo)流堤方案還需進一步優(yōu)化、調(diào)整。

圖4 導(dǎo)流堤方案五流場圖、流線圖Fig.4 Figures of flow field and streamline under dike scheme 5

4 結(jié)語

提出了太湖污染治理的新思路，即在太湖內(nèi)結(jié)合清淤、航道疏浚及景觀美化工程建設(shè)導(dǎo)流堤，以阻隔太湖在風(fēng)力作用下形成無效的“死”循環(huán)系統(tǒng)，有組織地引導(dǎo)、控制水體流動，從而促進湖體的有序水循環(huán)，大幅度、高效地改善太湖調(diào)水清污效果。

研究表明：1)風(fēng)是太湖環(huán)流運動的主要驅(qū)動力，環(huán)流作用對太湖水質(zhì)輸移和空間分布起到關(guān)鍵作用；2)在太湖配合引水工程建導(dǎo)流堤，對促進太湖污染物置換有較大的改善作用，導(dǎo)流堤方案五對太湖污染物置換率的改善相對最明顯，污染物置換率有明顯提高；3)從目前設(shè)置的導(dǎo)流堤方案效果來看，雖然每年能增加的污染物交換量相對有限，但其顯示的結(jié)果是積極的、值得進一步探討的，不失為一種治理太湖水環(huán)境的新思路。

作為一種太湖調(diào)水清污的研究思路，在假設(shè)條件下，利用數(shù)值模擬手段對導(dǎo)流堤的布置及效果進行了探討，對導(dǎo)流堤的分布形式、位置、長度等還需要結(jié)合太湖多年實測風(fēng)況、水質(zhì)等資料進行進一步的優(yōu)化比選研究。從社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益上考慮，下一步應(yīng)結(jié)合太湖清淤、航運、防洪、景觀生態(tài)和旅游等需求，以及工程造價和安全性等方面開展綜合研究、統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化導(dǎo)流堤方案設(shè)計，使之適應(yīng)于不同風(fēng)況條件并滿足工程設(shè)計要求。

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