博斯騰湖換水能力及其特征研究

王 劍

(新疆塔里木河流域干流管理局下游管理處，新疆 庫爾勒 841000)

1 概況

博斯騰湖是我國最大的內(nèi)陸淡水湖[1]，主要由開都河流域和孔雀河流域組成，總面積7.7×104km2[2]，流域內(nèi)行政區(qū)包括巴音郭楞蒙古自治州的6個縣和新疆生產(chǎn)建設兵等多個單位，人口110萬，灌溉農(nóng)田391529hm2。博斯騰湖屬極端干旱的大陸性氣候特征，特點是多晴少雨，光照充足，空氣干燥，風沙較多。近幾十年來，由于氣候變化和人為因素的影響，博斯騰湖出現(xiàn)了湖泊萎縮、水量減少、水體污染嚴重、植被減少等問題。為了改善博斯騰湖日趨突出的水環(huán)境問題，需對其水動力特征和水體交換能力進行分析。

2 研究目的及內(nèi)容

水體水動力條件的重要特征指標是用換水周期衡量，在復雜湖泊水動力環(huán)境作用下，換水周期不僅影響著污染物的稀釋和移動，還控制著水體中生物過程與化學過程反應所發(fā)生的時間，因此水體交換周期也是衡量水環(huán)境好壞的一個重要指標。對于博斯騰湖來說，影響水體水動力的重要因素有入吞吐流、風力和北岸水系。研究博斯騰湖水體的換水周期可以量化其水體交換能力，為揭示水環(huán)境變化的驅動因子，建立良好的水生生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

3 研究方法

3.1 換水周期的定義

研究采用換水周期(e-folding time)來定量表述博斯騰湖的水體交換能力，換水周期計算采用基于濃度變化的指數(shù)衰減函數(shù)來表示[3]：

Ct=C0·e-t/Tf

(1)

式中，t—時間，h；C0—示蹤劑初始濃度值，mg/m3；Ct—t時刻的剩余示蹤劑濃度值，mg/m3；Tf—涵數(shù)參數(shù)。

由公式(1)可得，當1=Tf(V/Q)時，濃度已經(jīng)衰減到初始濃度的e-1或37%。因此，換水周期定義為剩余濃度降低至初始濃度的37%時所需要的時間。

3.2 水動力學模型簡介

研究采用丹麥DHI公司開發(fā)的Mike軟件建立博斯騰湖二維水動力-粒子示蹤耦合模型進行博斯騰湖換水周期的模擬。該模型利用三角形靈活網(wǎng)格，對于湖岸復雜的彎曲邊界和地形具有較大優(yōu)勢。模型基于不可壓縮和雷諾值均分布的N-S方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。換水周期含義的概化圖如圖1所示。

圖1 換水周期含義概化圖

模型的水動力-水質模塊控制方程如下：

(1)水流連續(xù)性方程

(2)

(2)水流動量方程

(3)

(3)濃度對流擴散方程

(4)

(4)k-ε雙流體模型

(5)

(6)

式中，ρ—水的密度；CS—水中聲的傳播速度；ui—xi方向的速度分量；Ωij—克氏張量；p—壓力；gi—重力矢量；vT—紊動粘性系數(shù)；δ—克羅奈克函數(shù)；k—紊動動能；ε—紊動動能的耗散率；C—濃度；DT、DC—相關的濃度擴散系數(shù)；t—時間；SS—各自的源匯項(每個方程的均不相同)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε、σT—特征值；β—容量擴張系數(shù)；φ—浮力標量。

3.3 模型構建

3.3.1地形概化及網(wǎng)格劃分

博斯騰湖是西北干旱區(qū)典型的吞吐湖，東西長55km，南北寬25km，面積1646km2，湖面海拔1048m，平均深度9m，最深處17m[4]。入湖河流主要有開都河、黃水溝、清水河等，多年平均入湖徑流量為26.8億m3，其中只有開都河直接流入博湖，為博湖的主要補給水源，占到了補給總量的84.7%，其它河流因引水灌溉等原因，未直接徑流入湖，部分以地下徑流的方式流入博斯騰湖，孔雀河是博斯騰湖唯一的出湖河流，平均每年流出量為12.5億m3。

本次湖區(qū)地形資料在采用相關單位2019年實測成果的基礎上，通過實地勘測并進行了補充和修正，研究中采用非結構三角形網(wǎng)格對博斯騰湖區(qū)域進行劃分。計算網(wǎng)格尺寸100～300m，每個網(wǎng)格平均64439m2，計算區(qū)域共13257個網(wǎng)格節(jié)點，25583個網(wǎng)格單元。

3.3.2干濕水深設置

對于博斯騰湖水位變化的動邊界，采用“干濕判別法”處理計算。當退水水深小于0.005m時，不參與水動力計算，則該網(wǎng)格點為“干點”；當水深大于0.1m時，參與水域計算，令該網(wǎng)格點為“濕點”。當水深介于2者之間時，該網(wǎng)格點僅參與水流連續(xù)方程的計算。

3.3.3其他計算設定

根據(jù)數(shù)據(jù)資料完整度及博湖實際情況，選取COD、高錳酸鹽指數(shù)和礦化度作為水質指標進行模擬計算。模型計算步長設置為30s，CFL數(shù)為0.8。模型計算初始流速為0，初始濃度場為17個水質監(jiān)測點數(shù)據(jù)插值得到，每次模擬計算時，計算時間提前3個月開始，使模型達到穩(wěn)定的流場和濃度場。

3.4 模型參數(shù)率定與驗證

3.4.1計算條件

為驗證模型參數(shù)設置合理性及模型計算結果的準確性，需對模型相關參數(shù)進行率定，對模擬結果進行驗證。博斯騰湖水動力學模型需要率定的參數(shù)主要為湖泊糙率等。本次選用2018年水位數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定，2018年博湖水位、出入湖水量資料見表1；選用2019年水位數(shù)據(jù)進行模型驗證，2019年博湖水位、出入湖水量資料見表2。

表1 2018年博湖出入水量、水位

表2 2019年博湖出入水量、水位

3.4.2參數(shù)率定

通過反復計算、率定得到博斯騰湖湖底糙率分布。博斯騰湖攔污壩將育葦區(qū)和大湖區(qū)分割開，且育葦區(qū)內(nèi)種植有大量密集蘆葦，率定得到育葦區(qū)區(qū)域糙率為0.1。大湖區(qū)湖底糙率值隨水深變化而變化，湖岸區(qū)域水淺，糙率最大，約為0.03，湖心區(qū)域水深，糙率最小，約為0.02。

3.4.3模型計算結果驗證

使用率定的模型參數(shù)計算2019年博斯騰湖水位過程并與檢測結果進行比較，水位模擬值與實測值比較結果如圖2所示。模擬驗證結果表明，博斯騰湖水動力學模型可以較準確的反映博斯騰湖水動力變化過程，模擬結果可信。

3.4.4模擬方案與模型設置

通過對博斯騰湖多年出入水量進行排頻計算，選出了博斯騰湖豐水年(2010—2019年)、平水年(2002—2011年)、枯水年(1985—1994年)3種系列年，將3種系列年作為出入流基礎條件來研究吞吐流對博湖水體更新時間的影響。同時在已有的湖泊分區(qū)的基礎上，研究不同的湖泊分區(qū)換水周期的差異，得出博湖水體更新時間的空間分布特征。最后通過去除風速風向，以及湖區(qū)北岸加入點源輸入等邊界條件，研究風生湖流及北岸補水對博湖水體更新時間的影響。對于換水周期計算，將初始空間濃度場設定為單位濃度1，出入流點源濃度值設定為0，模擬湖水濃度到0.37所需要的時間。

基于以上模型設置方案，對各工況博斯騰湖水體更新進行模擬計算，評價湖泊吞吐流、風生湖流及水系連通等對換水周期的影響，對博斯騰湖湖水系統(tǒng)有更加全面和清晰的認識，從而對博斯騰湖水動力特性進行研究。主要工況見表3。

表3 博斯騰湖泊換水能力計算工況表

4 計算結果與分析

4.1 吞吐流對博湖水體更新時間的影響

對博斯騰湖進行換水周期模擬，得到博斯騰湖在不同系列年下整個湖區(qū)換水周期。湖區(qū)整體換水周期具有由湖岸向湖心遞減的特點，其中南北岸靠近進出水口區(qū)域水體更新最快，湖心區(qū)域換水周期最慢，這是由于博斯騰湖獨特的半封閉特點，進出流均位于湖泊西側，吐流的作用僅限于西南局部區(qū)域。將換水周期與COD濃度超標率聯(lián)系起來，可知總體上水功能區(qū)的換水周期與COD濃度超標率具有相同的變化趨勢，即水功能區(qū)的換水周期越長，COD超標率越高、持續(xù)時間越長。

為了更清晰的表征不同吞吐進出流條件下湖泊系統(tǒng)的換水能力，本文統(tǒng)計湖泊整體濃度變化曲線。豐、平、枯不同吞吐進出流條件下，湖區(qū)整體水體更新時間分別為5.0、5.9、6.3年。相較于其他湖泊換水周期(太湖150d、鄱陽湖30d)，博斯騰湖整體換水周期較長，水體自身循環(huán)能力偏弱，這進一步印證了水動力條件對湖區(qū)水環(huán)境質量有重要影響。

4.2 風生湖流對博湖水體更新時間的影響

為了驗證風力對博斯騰水體更新時間的影響，對博斯騰湖有無風力條件下的水體更新進行模擬研究，在考慮風生湖流的情況下，湖區(qū)整體水體更新時間呈湖岸向湖心遞減的趨勢，湖水環(huán)流效果明顯，水體更新時間最長區(qū)域在6.5年以上；不慮風生湖流的情況下，僅依靠出入水口水動力條件推動，湖水環(huán)流效果不明顯，水體更新時間最長區(qū)域集中在湖區(qū)西北角，最長時間可達16年以上。進一步統(tǒng)計全湖水體濃度變化，如圖3所示，2種條件下湖區(qū)整體平均濃度最初都呈現(xiàn)迅速下降的趨勢，在第1年末出現(xiàn)拐點，之后慮風生湖流的工況水體更新時間更快，湖區(qū)平均水體更新時間為5.9年，無風條件下的平均水體更新時間為10.1年。進一步證明風生湖流是影響博斯騰湖水體更新時間的主要因素。

圖3 博斯騰湖風生湖流水體更新時間影響圖

4.3 水系連通對博湖水體更新時間的影響

博斯騰湖北岸有清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等支流，考慮到博斯騰湖水動力條件較差的情況，依托開都河豐沛的水資源量及完善的渠灌系統(tǒng)，模擬實施支流水系連通，恢復博斯騰湖北岸黃水溝、烏拉斯臺河、清水河、烏什塔拉河等諸小河流過流能力，模擬清水河、曲惠溝、烏什塔拉河等北岸水系連通后向博斯騰湖補水后，博湖水體更新時間變化情況。

模擬支流補水條件下湖區(qū)水體更新時間變化，結果表明湖區(qū)整體水體更新時間減少，湖心區(qū)水體更新時間降至4.5年以上，水體自身循環(huán)能力明顯改善。進一步統(tǒng)計全湖水體濃度變化，如圖4所示，不考慮補水條件下的全湖平均水體更新時間為5.9年，考慮補水后水體更新時間為4.0年，因此北岸補水可以有效提高博斯騰湖水動力條件，顯著縮短博湖水體更新時間。

圖4 博斯騰湖水系連通對水體更新時間影響圖

4.4 分析結果

綜上分析，得出以下結論。

(1)豐、平、枯不同吞吐進出流條件下，湖區(qū)整體水體更新時間分別為5.0、5.9、6.3年。博斯騰湖整體換水周期較長，水體自身循環(huán)能力偏弱；對不同的湖泊分區(qū)進行換水周期研究，其中I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)和V區(qū)的平均水體更新時間分別為5.4、5.5、5.7、5.8、5.8年。I區(qū)靠近泵站出口，水動力條件最好，水體更新時間最短，水功能區(qū)的換水周期與COD濃度超標率具有相同的變化趨勢。

(2)考慮風生湖流下湖泊平均水體更新時間為5.9年，無風條件下的平均水體更新時間為10.1年。證明風生湖流是影響博斯騰湖水體更新時間的主要因素。

(3)模擬水系連通(北岸補水)條件下湖區(qū)水體更新時間變化，不考慮補水條件下的全湖平均水體更新時間為5.9年，考慮補水后水體更新時間為4.0年。

5 結語

水動力條件對湖泊水質具有重要影響。博斯騰湖水環(huán)境一直呈惡化趨勢，在對博斯騰湖現(xiàn)狀水動力特征進行分析的基礎上，通過設置不同進出流量以及風力條件，討論博斯騰湖在不同條件下的換水周期，旨在對博斯騰湖的水動力條件進行量化，明晰水動力對湖泊內(nèi)污染物輸移擴散的重要作用。通過分析探討可知，改善以風生湖流為主導的自然水循環(huán)現(xiàn)狀，增加進出湖吞吐流驅動是未來博湖水質提升的主要措施。在風生湖流主導驅動下，博湖水體更新時間約為6年；打通博湖北岸支流，增加湖區(qū)吞吐流驅動后，博湖水體更新時間可縮短至4年。為湖區(qū)污染物的輸移模擬和空間分布研究提供了借鑒。