太湖水齡分布特征及“引江濟太”工程對其的影響

黃春琳,李 熙,孫永遠(yuǎn)

(1:河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，南京 210098)(2：江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)

太湖水齡分布特征及“引江濟太”工程對其的影響

黃春琳1,李 熙1,孫永遠(yuǎn)2

(1:河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，南京 210098)(2：江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)

太湖作為典型的風(fēng)生流湖泊，風(fēng)場對水體運輸和交換的過程起著重要的作用. 基于環(huán)境水動力學(xué)模型EFDC源程序建立了染色劑模型以及水齡模型，借助水齡研究太湖水體的長期輸運過程和更新速率特征，從而為太湖的調(diào)水工程管理提供科學(xué)依據(jù). 本文在研究春、夏、秋、冬季不同風(fēng)場作用下太湖的水齡季節(jié)性分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合太湖實測風(fēng)速、流量數(shù)據(jù)及“引江濟太”工程調(diào)水運行的現(xiàn)狀，著重分析了望虞河樞紐調(diào)水運行以及新溝河工程對太湖水齡分布的影響. 數(shù)值試驗的模擬結(jié)果表明：太湖水體交換受季風(fēng)影響明顯，春、夏季的水齡相對較大、水體交換較差；靠近湖流入口處的地方水齡較小，遠(yuǎn)離入口的地方水齡較大；水流流向與風(fēng)向一致時水齡減小，水循環(huán)加快，反之則減慢. 望虞河引水引工程能夠減小貢湖及湖心區(qū)的水齡，加快貢湖湖區(qū)及湖心區(qū)的水循環(huán)；新溝河工程引水能夠減小梅梁湖區(qū)的水齡，改善該湖區(qū)的水質(zhì). 引水工程的實施對加快整個太湖的水循環(huán)做出重要貢獻.

太湖；風(fēng)場；染色劑；水齡；EFDC模型

入湖流量、風(fēng)場等在湖體的水體運動過程中起很重要的作用，三維環(huán)境流體動力學(xué)模型EFDC提供了一個高分辨率的工具來研究太湖的水體交換. 水齡可以定量反映水體的運動和交換程度以及滯留情況，對評估水質(zhì)的變化具有重要意義. Deleersnijder等[1]介紹了基于對流-擴散輸運方程的水齡理論，這個新的水齡定義提供了一個健全的方法來定量地研究歐拉坐標(biāo)框架下的物質(zhì)溶解的輸運特征. Li等[2]運用EFDC三維水動力模型，借助水齡的定義，研究了“引江濟太”引水量對太湖水循環(huán)的影響.

太湖作為中國的第三大淡水湖，由于富營養(yǎng)化而嚴(yán)重影響了飲用水的安全，政府部門近年來采取了許多措施來提升太湖水質(zhì)，包括建更多的污水處理廠，禁止使用含磷清潔劑等. 此外，一個重要的生態(tài)工程——“引江濟太”工程在2002年啟動，“引江濟太”工程將更優(yōu)質(zhì)的長江水通過望虞河引入太湖，最終從太浦河流出，以期通過此舉來加快太湖的水循環(huán)，改善太湖的水質(zhì)狀況[3-5]. 此外，在2014年太湖北部流域內(nèi)開始疏通新溝河、新孟河兩條河道，太湖將通過新孟河、望虞河補水，借助走馬塘、新溝河、太浦河向長江排水，形成“兩進三出”的循環(huán)系統(tǒng)，通過讓水體動起來改善水質(zhì). 本文基于EFDC三維水動力模型，建立水齡模型來研究太湖水體交換速率. 基于實測徑流、風(fēng)場數(shù)據(jù)、引水工程的調(diào)水運行數(shù)據(jù)，對太湖進行三維水動力模擬，研究風(fēng)場作用下太湖水齡分布的季節(jié)性特征以及“引江濟太”工程對太湖水齡分布特征的影響.

1 研究區(qū)域

太湖(30°55′40″～31°32′58″N，119°52′32″～120°36′10″E)橫跨江、浙兩省，西和西南側(cè)為丘陵山地，東側(cè)以平原和水網(wǎng)為主. 地處亞熱帶，氣候溫和濕潤，屬季風(fēng)氣候，夏季受熱帶海洋氣團影響，盛行東南季風(fēng)，溫和多雨；冬季受北方高壓氣團控制，盛行偏北季風(fēng)，寒冷干燥. 太湖是典型的風(fēng)生流湖泊，且水深極淺，湖域面積幾乎全年不變. 太湖水域面積為2338.1 km2，平均年出湖徑流量75×108m3，蓄水量44×108m3，年降水量1100～1150 mm，年平均氣溫16～18℃, 平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，年平均風(fēng)速3.5～5.0 m/s. 為分析“引江濟太”工程建設(shè)對太湖水齡的影響，環(huán)太湖共采集12個站點進行分析對比，其中1#、5#～7#站點位于引水口，1#～4#、12#站點位于取水口，2#、10#站點為水位驗證站，其余站點為流量控制點(圖1).

圖1 太湖地形及引水工程示意(1：望亭；2：犢山閘；3：梅梁湖泵站；4：大渲河泵站；5：龔巷橋；6：雅浦橋；7：百瀆口；8：浯溪橋；9：城東港；10：大浦口；11：長兜港；12：太浦)Fig.1 Bathymetry and sketch for water transfer layout of Lake Taihu

2 數(shù)值模型

2.1 EFDC三維水動力模型

2.1.1 三維水動力模型的建立 EFDC模型是一個多參數(shù)的有限差分模型，可用于河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學(xué)和水質(zhì)模擬[6]. 本文將其應(yīng)用于太湖的研究. 控制方程在水平方向上采用笛卡爾直角坐標(biāo)系或者曲線正交坐標(biāo)系，垂向采用Sigma坐標(biāo). 在Sigma坐標(biāo)系下EFDC模型的連續(xù)性方程和動量方程為[7-9]：

?t(mH)+?x(myHu)+?y(mxHv)+?z(mω)=QH

(1)

(2)

(3)

(τxz,τyz)=AvH-1?z(u,v)

(4)

(5)

(6)

式中，x、y為水平笛卡爾坐標(biāo)系；z為豎向Sigma坐標(biāo)；H為水深，ζ是水面高程，η為相對水位，定義ζ=H+η；u、v、w分別為x、y、z方向的流速；QH為體積源項，包括降雨、蒸發(fā)、滲流；Qu、Qv為x、y方向的動量源項；p為附加靜水壓力；f為柯氏參數(shù)；τxz、τyz為x、y方向的垂向剪切應(yīng)力；Av為垂向湍流動量擴散系數(shù)；ρ和ρ0分別為實際和參考密度，b為浮力. mx、my為水平坐標(biāo)因子，且 m=mxmy.Uw和Vw為水平面10 m高度處風(fēng)速x和y方向的分量，風(fēng)應(yīng)力系數(shù)為：

(7)

式中，風(fēng)速單位為m/s，ρa和ρw分別代表空氣和水的密度.

2.1.2 模型主要計算參數(shù)以及模型的率定 本文采用2014年太湖的流量、氣象、水位以及地形資料，基于EFDC建立三維水動力模型，EFDC模型的應(yīng)用已十分成熟，時間步長通過CFL(科朗數(shù))穩(wěn)定條件確定. 糙率與水深、床面形態(tài)等因素有關(guān)，根據(jù)計算率定. 紊動粘性系數(shù)采用Smagorinsky公式計，Cs為Smagorinsky系數(shù)，通常取0.28[8]. 數(shù)學(xué)模型的初始條件一般分熱啟動和冷啟動兩種. 前者一般通過計算得到計算區(qū)域內(nèi)相對準(zhǔn)確的水位、流速場，后者則假定一種均勻分布，與實際情況不一定相符，但通過邊界信息的傳入，誤差會逐漸消失；本文采用了冷啟動. 數(shù)學(xué)模型的邊界條件包括開邊界(水邊界)和固定邊界(岸邊界). 因入湖河流的斷面尺度相對于湖域面積很小，故本文的計算將太湖視為一個封閉的區(qū)域，入湖河流的流量通過源匯項輸入. 模型網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺度1000 m，最小網(wǎng)格800 m，網(wǎng)格數(shù)15625個，垂向分為4層，每層的厚度由湖底地形以及水面高程來決定. 模型主要受徑流、表層風(fēng)應(yīng)力的驅(qū)動，溫度在模型中視為常數(shù). 模型的率定通過驗證站的實測水位進行，選取犢山閘和大浦口站的水位進行模型的率定，模擬結(jié)果與實測值吻合較好，表明模型精度滿足要求(圖2). 由于實際情況下太湖的換水周期為300 d左右[3]，本文采用的流量邊界基本接近實際情況，因此模擬周期為365 d.

圖2 犢山閘(a)和大浦口(b)計算水位和實測水位的對比驗證Fig.2 Comparison of the measured and simulated water levels in Dushan Gate (a) and Dapukou (b) sites

2.2 水齡的定義

水齡被定義為某個固定的水質(zhì)點從入口傳輸?shù)侥硞€指定點所用的時間，通常入口處的水齡設(shè)為0. 水齡可以通過系統(tǒng)中示蹤劑的濃度分布以及一個虛擬的水齡濃度來計算. 假設(shè)系統(tǒng)中只有一種示蹤劑，那么示蹤劑濃度和水齡濃度滿足以下兩個控制方程[10-16]：

(8)

(9)

(10)

基于EFDC的源程序，增加了水齡的數(shù)值模塊. 為了率定風(fēng)場作用下的水齡，與Li等[2]的計算結(jié)果進行對比率定，在SE、N風(fēng)向下假設(shè)單入口流量下各測站水齡計算結(jié)果擬合結(jié)果良好(表1)，因此本文計算的風(fēng)場下水齡的精度滿足要求.

表1 本文水齡結(jié)果與Li等2011年水齡計算結(jié)果[2]對比

Tab.1 Comparison of water ages between present calculation and Lietal(2011)[2]

監(jiān)測點(風(fēng)向)Li等2011年計算的水齡/d本文計算的水齡/dB(N)310308B(SE)300295C(N)300300C(SE)200194

2.3 計算方案

本文的計算將太湖視為一個封閉的區(qū)域，太湖的環(huán)湖河道眾多，但其流量均較小，因此模型在設(shè)置流量邊界時，考慮上游主要入湖河流有從西苕溪水系流入的城東港、大渲河泵站、百瀆口和長兜港，下游的主要出湖河流有位于東南部的太浦河，太浦河的出水量占太湖總出水量的65%左右[17]. 由于缺乏所有站點的實測資料，根據(jù)水量平衡原理，由2014年城東港、百瀆口、大渲河、浯溪橋、梅梁湖泵站、望亭站的實測資料以及2014年的出湖總流量(約為104×108m3)，推算出長兜港以及太浦河的流量. 太湖是典型的風(fēng)生流湖泊，風(fēng)場在水體循環(huán)中起很重要的作用，為研究不同風(fēng)向?qū)μw交換的影響，對2014年NCEP再分析風(fēng)場資料(圖3)進行分析后，得出春、夏、秋、冬的常風(fēng)向分別為SE、ESE、NNE和N，采用1994-2014年的多年平均風(fēng)速.在太湖湖流入口處持續(xù)釋放濃度為1 mg/L的示蹤劑，在不改變流量的情況下分別對四季不同風(fēng)向作用下的水齡進行模擬計算，計算方案參見表2.

表2 計算方案

Tab.2 Calculation setup

計算方案風(fēng)向風(fēng)速/(m/s)染色劑入口(測站)出口(無染色劑測站)1SE(春季)3．442ESE(夏季)2．753NNE(秋季)3．074N(冬季)3．64城東港、大渲河、浯溪橋、百瀆口、長兜港(各方案相同)梅梁湖、太浦河(各方案相同)

圖3 太湖風(fēng)速矢量圖 Fig.3 Wind velocity vector diagram of Lake Taihu

3 水齡的計算以及模擬結(jié)果分析

3.1 染色劑和流場的季節(jié)性分布特征

梅梁湖口的流速實測值在0.02～0.06 m/s之間[17]，本模型計算結(jié)果顯示流速在0.03～0.07 m/s之間，與實測值吻合較好，表明模型的精度滿足要求. 染色劑和流場分布參見圖4，由模擬結(jié)果可知，湖流方向隨風(fēng)向的改變而改變，染色劑從太湖入口處放入，隨著湖流方向開始擴散. 春、夏偏南向季風(fēng)作用下，竺山湖、西北湖區(qū)、西南湖區(qū)的染色劑濃度較大；秋、冬偏北向季風(fēng)作用下，竺山湖、湖心區(qū)以及東部湖區(qū)的染色劑濃度較大.

3.2 水齡季節(jié)性分布特征

基于染色劑模型得出太湖水齡分布(圖4). 結(jié)果表明，染色劑濃度較大的地方水齡較??；相反，染色劑濃度較小的地方水齡較大. 湖體水齡分布統(tǒng)計參見表3. 春、夏、秋、冬季的湖體的平均水齡分別為220.45、235.62、217.47、211.80 d. 秋、冬季的平均水齡小于春、夏季. 春、夏在偏南向季風(fēng)作用下，竺山湖、西北湖區(qū)以及西南湖區(qū)的水齡較小，200 d等水齡線分布范圍較??；秋、冬季在偏北風(fēng)作用下，竺山湖、梅梁湖、西南湖區(qū)以及湖心區(qū)的水齡較小，東部湖區(qū)、東太湖湖區(qū)的水齡較春、夏季有所減小，200 d等水齡線分布范圍較大. 靠近湖流入口處的地方水齡較小，遠(yuǎn)離入口的地方水齡較大；水流流向與風(fēng)向一致時水齡減小，水循環(huán)加快，反之則減慢. 竺山湖是湖體水齡最小的地區(qū)，貢湖則是湖體水齡最大的地區(qū).

表3 不同水齡區(qū)間(天數(shù))所占湖區(qū)面積

Tab.3 The area covered by different water ages(days)

季節(jié)面積/km20～100d100～200d200～300d300d以上平均水齡/d春季422．36366．02714．10575．00220．45夏季309．06400．33598．28769．81235．62秋季433．69450．68554．53638．57217．47冬季417．85505．44627．87526．21211．80

3.3 “引江濟太”工程對水齡分布的影響

每年太湖都有低水位的“枯水期”，往年都是通過望虞河“引江濟太”，確保太湖水位保持在3 m以上. 為了更好地盤活太湖水體，在從長江引水進入太湖的同時，太湖流域內(nèi)在2014年開始疏通新溝河、新孟河兩條河道，太湖將通過新孟河、望虞河補水，借助走馬塘、新溝河、太浦河向長江排水，太湖將形成“兩進三出”的循環(huán)系統(tǒng)，通過讓水體動起來，改善水質(zhì). 為防止汛期太湖水位過高，新溝河將承擔(dān)太湖北部區(qū)域向長江排水的功能. 同時，應(yīng)急情況下也能通過新溝河向太湖調(diào)水，改善梅梁湖水質(zhì).

據(jù)實測資料分析，2014年新溝河和望虞河的引水時間并不在同一區(qū)間，2014年新溝河在6-8月進行引水20 d，共引水1.1522×108m3，而望虞河2014年1-3月、11-12月共引水130 d(圖5)，引水量10.5759×108m3. 據(jù)此本文對2014年望虞河引水和新溝河引水分別進行了計算對比，在引水時放入1 mg/L的染色劑，其余湖流入口采用實測流量，不放入染色劑，通過染色劑的面積可以得出進入湖體的引水水體面積，進一步分析對比從而評估引水的效益，模擬結(jié)果參見表4和圖6. 望虞河的引水量大于新溝河，因此染色劑擴散面積較大，染色劑濃度大于0.01 mg/L的面積約為新溝河的5倍；染色劑大于0.001 mg/L的面積約為太湖總面積的1/4，因此可以看出望虞河引水效果良好，表明引水量越大，引水效果越好. 但是望虞河引水量約為新溝河的10倍，染色劑面積未達到10倍，是由于新溝河入口附近水體交換較快.

圖4 季風(fēng)影響下太湖4個季節(jié)染色劑、流場和水齡分布Fig.4 Distributions of dye, flow field and water age of Lake Taihu in each season

圖5 2014年望亭站流量Fig.5 Discharge of Wangting site in 2014

圖6 2014年新溝河和望虞河引水運行條件下染色劑及水齡分布(其余湖流不放入染色劑)Fig.6 Distributions of dye and water age under operation of Xingou River and Wangyu River transfer in 2014 (other inlets with 0 mg/L dye)

為進一步評估引水方案對水齡的影響，在對實際風(fēng)場、流場下太湖的水齡進行計算的前提下，分別在望虞河和新溝河引水時也放入染色劑，其余湖流入口采用實測流量，均放入1 mg/L染色劑，模擬結(jié)果參見圖7～8. 結(jié)果表明望虞河引水工程可以加快貢湖的水體交換，減小該地區(qū)的水齡；從新溝河引水可以加快梅梁湖地區(qū)的水體交換，改善梅梁湖的水質(zhì)，但是由于引水量太小，因此對水齡的影響并不明顯.

表4 染色劑分布面積

Tab.4 Distribution area of dye

引水河流引水量/(×108m3)染色劑濃度大于0．01mg/L的面積/km2染色劑濃度大于0．001mg/L的面積/km2新溝河1．152267．0484．35望虞河10．5759324．16625．67

圖7 實際風(fēng)場下染色劑和水齡分布(其余湖流放入染色劑) Fig.7 Distributions of dye and water age in actual wind field (other inlets with 1 mg/L dye)

圖8 2014年望虞河和新溝河引水運行條件下染色劑及水齡分布(其余湖流放入染色劑)Fig.8 Distributions of dye and water age under operation of Wangyu River and Xingou River transfer in 2014 (other inlets with 1 mg/L dye)

4 結(jié)論

對于湖泊的水體交換評估，水齡是一個非常重要的指標(biāo). 它反映了水質(zhì)點從進入湖體到離開湖體的平均時間，并受到流量、風(fēng)場等因素的影響，因此可以用來評估水體的更新速率. 本文建立了基于EFDC的三維水動力模型來研究太湖水齡的分布以及“引江濟太”工程對其的影響. 春、夏季在偏南向季風(fēng)作用下，竺山湖、西北湖區(qū)以及西南湖區(qū)的水齡較小，200 d等水齡線分布范圍較小；秋、冬季在偏北風(fēng)作用下，竺山湖、梅梁湖、西南湖區(qū)以及湖心區(qū)的水齡較小，東部湖區(qū)、東太湖湖區(qū)的水齡較春、夏季有所減小，200 d等水齡線分布范圍較大. 靠近入口處的地方水齡較小，遠(yuǎn)離入口的地方水齡較大；水流流向與風(fēng)向一致時，水齡減小，水循環(huán)加快，反之則減慢. 望虞河引水工程能夠減小貢湖湖區(qū)的水齡，加快該湖區(qū)及部分湖心區(qū)的水循環(huán)，盤活太湖的東部地區(qū)，對太湖水污染的治理具有重要意義；而2014年新溝河工程采用的引水方案可以減小梅梁湖區(qū)的水齡，加快梅梁湖區(qū)的水循環(huán)，改善梅梁湖水質(zhì)，并且通過流水帶動，改善入湖口直湖港、武進港的水質(zhì). 在需要引水時，新孟河、新溝河、望虞河均可引水，可以組合使用，以實現(xiàn)最優(yōu)引水方案；需要排水時太浦河、新溝河、走馬塘均可排水，太浦河是主要通道. 引水工程的實施對加快整個太湖水體循環(huán)做出了重要貢獻.

致謝：感謝江蘇省水文水資源勘測局無錫分局的各位同仁在野外采樣工作中給予的無私幫助.

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Water age distribution of the Lake Taihu and impact of the Yangtze River to Lake Taihu Water Transfer Project on the water age

HUANG Chunlin1, LI Xi1**& SUN Yongyuan2

(1:KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinstryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,P.R.China)(2:JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourceInvestigationBureau,Nangjing210029,P.R.China)

Lake Taihu is a typical wind-driven lake, and wind plays an important role in process of water exchange and concentration transportation. Based on Environmental Fluid Dynamics Model (EFDC), water age model and conservative dye model were set up to study characteristics of seasonal water age distribution and to further reveal the impacts of the Wangyu River Water Transfer Project and the Xingou River to the Lake Taihu Transfer Project on water age distribution on basis of winds, inflow and outflow, operations of existing water transfer projects. It is concluded that by the numerical test results, water exchange of Lake Taihu is mainly influenced by the monsoons. Water age is comparably larger in the spring and summer, which indicates the water exchange rate in the spring and summer is lower than that in the autumn and winter. Water ages near inflow locations are comparably smaller, and the locations far from the inflows are larger. Water age is smaller when the flow direction is the same as wind direction, while the exchange of water is increased at the same time and on the contrary water exchange is reduced. During operation of the Wangyu River Water Transfer Project, the water ages of the Gonghu Bay and Middle Lake Taihu are basically reduced, and water exchange is increased in the areas. During operation of the Xingou River Water Transfer Project, the water ages of the Meiliang Bay are basically reduced, and water quality is improved in the area. The water exchange of Lake Taihu will be significantly improved with continuous or occasional transfer operations.

Lake Taihu; wind; dye; water age; Environmental Fluid Dynamics Model

*江蘇省水利科技項目(2015054)和江西省水利科技項目(KT201405)聯(lián)合資助. 2016-06-06收稿；2016-07-03收修改稿. 黃春琳(1992～)，女，碩士研究生；E-mail：805282052@qq.com.

*通信作者；E-mail：xili@hhu.edu.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 22-31

DOI 10.18307/2017.0103

?2017 byJournalofLakeSciences