“引江濟星”工程及風場環(huán)境影響廣東肇慶星湖水齡分布特征*

李金華，李一平**，唐春燕，程一鑫，施媛媛，程 月，伍 欣

(1：河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)(2：河海大學環(huán)境學院，南京 210098)(3：肇慶市環(huán)境保護監(jiān)測站，肇慶市環(huán)境科學研究所，肇慶 526000)

城市景觀湖泊通常兼具景觀生態(tài)、接納雨污、儲蓄調洪等多種功能[1]，由于地處人口相對密集的區(qū)域，周邊分布著復雜的小區(qū)、工廠、商戶，城市景觀湖泊的水質往往更容易受到人為排污等活動的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之此類湖泊水系連通性差，缺少補水源水，出入流河道、閘門較少，湖泊相對封閉，導致湖泊換水周期較長. 城市景觀湖泊在人為布局下往往呈現(xiàn)形狀不規(guī)整的特點，容易使湖灣水體滯留形成死水區(qū)，在夏季高溫時期，藻類極易滋生堆積形成水華，湖泊水體健康面臨嚴重危機[2]. 星湖位于廣東省肇慶市，是國家級重點風景名勝區(qū)，近年來星湖富營養(yǎng)化問題日益加劇，為改善部分湖區(qū)水體流通性差、水質不達標的現(xiàn)狀，肇慶市政府提出“一滴污水不進星湖”，并對星湖周邊排污口、排水溝實行嚴格的控源截污，同時為縮短星湖換水周期，改善星湖水質，提升星湖水體透明度，提出了“引江濟星”工程，即引西江水和北嶺山山水進入星湖.

對于大型湖泊而言，入湖流量和風場在驅動湖泊水體運動和水動力交換過程中發(fā)揮著重要的作用，水齡作為衡量水體交換速率的重要指標，已有大量關于水齡研究的成果. Li等[3]引入水齡的概念，分析“引江濟太”工程引水量對太湖水動力調控效果的影響，研究表明太湖水體的輸移過程受出入流水動力條件和風場的強烈影響；Gao等[4]研究了引水工程對人為布局下的城市人工湖水齡的影響，揭示了引水量和湖區(qū)布局與水體交換速率間的關系，并基于EFDC模型模擬了風場及水位對七里海瀉湖水體更新能力的影響[5]，發(fā)現(xiàn)東北風顯著提升了七里海瀉湖的水體更新能力；王鐘等[6]分析“引江濟淮”工程和風應力對蔡子湖水齡分布的影響，結果表明：風應力對蔡子湖水齡分布有重要影響；黃春琳等[7]基于EFDC模型研究“引江濟太”工程對太湖水齡分布的影響；張素香等[8]構建鄱陽湖染色劑和水齡模型，計算不同入流河道對湖區(qū)的影響，論證了鄱陽湖水利樞紐工程調水方案的合理性；戚文等[9]利用EFDC模型建立天鏡湖的三維非穩(wěn)態(tài)水量、水齡、污染物顆粒追蹤數學模型. 此外，通過建立水齡和水質的相關關系，可便于明晰水體中營養(yǎng)鹽含量與水齡的聯(lián)系；Zhang等[10]構建三維水動力水質耦合模型，分析牛欄山引水工程對滇池水齡和水質的影響，發(fā)現(xiàn)滇池水齡的大小與總磷濃度呈正相關，與總氮、葉綠素a濃度無明顯相關性. 以上研究雖然都取得了很多有意義的成果，但大多是針對引調水工程、風場或季節(jié)變化對大型湖泊水體輸移速率方面的研究，涵概因素單一，特別是針對南方季風氣候區(qū)城市景觀湖泊，缺少全面考慮進出水通道布局、流量配比及風場對工程效益的影響等方面的研究.

近年來，隨著引調水工程在西湖[11]、太湖、滇池的成功運用，調水引流已經作為提升湖泊水體交換速率、改善湖泊水質的重要措施之一[12]，本研究以南方季風氣候地區(qū)典型城市景觀湖泊——星湖為例，以EFDC模型為工具，基于實測風場、水位和地形數據以及基于湖泊水量平衡換算的流量數據構建星湖三維水動力—風場耦合模型，綜合考慮季節(jié)變化、風場、調水引流工程對星湖水齡時空分布的影響，并結合實際情況，對進水線路和進水比例進行優(yōu)化，全面考慮引調水工程的效益、經濟投資、生態(tài)占地和生態(tài)開發(fā)等各個方面，遴選最優(yōu)引調水方案、最佳調水季節(jié)和風向，從水動力的角度模擬星湖在不同調水引流情景下以及不同風向下星湖水齡的時空分布情況，以提供星湖平均水齡較低的最優(yōu)調水引流方案，為“引江濟星”工程的實施管理提供科學依據.

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

星湖(23°3′27″～23°5′15″N, 112°26′38″～112°29′20″E)位于廣東省肇慶七星巖風景區(qū)內，北倚北嶺山，南接端州城區(qū)，地處南亞熱帶，年均溫度21.2℃，氣候溫暖濕潤，屬于季風氣候，且降水主要集中在4-9月，年平均降水量約1650 mm，2018年全年主導風向為西南風，年平均風速約1.25 m/s，星湖為城市內景觀湖泊，平均水深為2.34 m，最大水深為3.65 m，總面積約為5.82×106m2(相應水位為4.91 m)，總容積約為13×106m3，目前星湖水生植物較少，常見水生植物約15種，其中沉水植物僅有4種，群落結構簡單[13].

星湖由波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖、里湖五大湖區(qū)組成(圖1)，其中波海湖、仙女湖、中心湖和青蓮湖通過橋涵互相連通，水可以自由流動，補水源水由北部及周邊集水區(qū)的澇水和北嶺截洪渠的山洪溢流提供，里湖相對封閉，主要由湖面降雨和中心湖補給水量，且與其他湖區(qū)存在約1 m的水位落差，本文以波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖4個子湖區(qū)為主要研究對象，由于自然條件下里湖與其它4個子湖區(qū)互不存在水體交換，故暫不考慮引水工程及風場對里湖水齡分布的影響. 星湖的主要入湖口為外坑A1、盤古坑A2、石牌坑A3以及概化的雨水口B1、排污口B2、排污口B3，主要出水口為中心湖南部的牌坊換水涵C1、青蓮湖東南部的芹田水閘C2以及仙女湖北部的東崗節(jié)制閘C5，青蓮湖出水口C3和仙女湖出水口C4為規(guī)劃擬建的出水口.

圖1 研究區(qū)域概況

1.2 模型的構建及率定驗證

1.2.1 模型構建 EFDC模型最早由美國美國弗吉尼亞大學和海洋科學研究所開發(fā)，應用笛卡爾坐標或曲線正交坐標系統(tǒng)[14]，在空間上運用二階精度有限差分格式，水平擴散方程采用時間顯示、空間隱式格式，水平輸運方程采用 Blumberg-Mellor 模型的中心差分格式或者正定迎風差分格式[15]. 被廣泛應用于河流[16]、湖泊[17]、濕地[18]、河口[19]以及水庫[20]的水動力、水質和水生態(tài)模擬中，能夠動態(tài)展現(xiàn)三維水動力及污染物遷移擴散的軌跡. 本文將EFDC模型應用于星湖的水動力模擬研究中，構建三維水動力模型，在水平上采用笛卡爾直角坐標系，垂向上采用Sigma坐標，水平網格數共計2212個，網格空間分辨率為52 m，垂向分為3層，每層厚度由水面高度和湖底地形決定. EFDC模型以風速、風向、入湖流量、出湖水位為水動力模塊的邊界條件，其中入湖邊界為3條排水坑(外坑、盤古坑、石牌坑)、6個排污口和1個雨水口，出湖邊界包括3個出水閘門(牌坊換水涵、芹田水閘和東崗節(jié)制閘).

由4215個實測點位高程數據內插形成星湖底部地形，初始水位為2018年1月1日星湖水位監(jiān)測站實測水位(4.88 m)，四季風速(圖2)數據采用2018年實測值(數據來源：http://data.cma.cn/)，模擬時間2018年1月1日—12月31日，動態(tài)時間步長取0.5 s. 為了適應水位波動，尤其是相對淺水區(qū)域，模型設置臨界干水深0.05 m.

圖2 星湖2018年風玫瑰圖

1.2.2 模型率定驗證 模型中的參數取值會對模擬結果產生重要的影響，本研究重點率定風場參數及底部粗糙系數，最終取糙率參數為0.02 ，風拖曳系數為3×10-3，風遮擋系數為1. 通過對星湖水位監(jiān)測點位2018年全年的模擬值與實測值比較可知(圖3)，星湖水位的絕對誤差為0.007 m，均方根誤差為4.4%，選取2017年星湖水位監(jiān)測站實測水位及基于水位平衡換算的出入流量數據作為模型的驗證數據，模擬值與實測值比較可知(圖3)，2017年星湖水位絕對誤差為0.024 m，均方根誤差為3.4%，模擬值與實測值誤差較小且吻合較好，說明模型的模擬結果能較好地反映星湖的水位變化情況.

1.2.3 水齡的定義 本研究利用水齡和拉格朗日顆粒物追蹤的概念來描述湖體交換快慢及交換程度，獲取最佳調水流量、調水時機，提出多種改善湖體水齡、加速水體交換的有效組合.

圖3 星湖水動力模型率定(2018年)和驗證(2017年)結果(珠基高程)

水齡模型是基于對流擴散模型發(fā)展起來，用于衡量湖泊和水庫污染物遷移的有效參數[21]. 水齡定義為：對單個粒子來說，粒子從進入水體到達指定位置所需的時間. 針對不同的研究問題，水齡可以定義為不同的形式. 例如研究水體垂向交換時，水齡定義為水體離開水體表面，到達垂向某一位置所需的時間；當研究水體與外部水體交換時可定義為顆粒物從入口傳輸到指定點的時間(往往入口的水齡設為零). 水齡能夠反映出水質點或者污染物從邊界傳輸到研究區(qū)域內任何一點的時間，定量反映出水體交換能力的時間和空間異質性，定性反映污染物傳輸特征和水體富營養(yǎng)化程度. 水齡越小，說明水體交換程度越強，反之亦然. 水齡計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2.4 計算方案 為確定入湖口通道布局、入湖流量分配比例、出入湖口數量以及風場對星湖水齡的影響，本文共設計4個方案共計12種工況(表1)進行計算. 星湖是典型的城景觀湖泊，湖區(qū)面積較小，工況1和工況10分別計算現(xiàn)狀情景下有風和無風時星湖的水齡分布，并基于實測氣象數據模擬星湖水齡的季節(jié)性變化規(guī)律，方案一、方案二和方案三分別計算了不同引調水方案下星湖的水齡空間分布，其中工況3、4、5、7、8、9計算不同入湖口位置分布和入湖流量比例情景下星湖水齡空間分布，工況6模擬擬建的青蓮湖出水口和仙女湖出水口對星湖水齡的影響，工況61～16則模擬恒定風速，16種不同風向下星湖水齡的時空分布特征.

表1 模型計算方案*

2 結果與討論

2.1 星湖水齡時空分布特征及風場對水齡分布的影響

現(xiàn)狀情景下工況1和工況10分別計算了有風和無風情景下星湖水齡的季節(jié)性分布情況(圖4)，在無風情景下水齡的季節(jié)性變化從小到大依次為：秋季(123.95 d)<夏季(131.89 d)<冬季(155.21 d)<春季(182.23 d)，而有風情景下四季水齡從小大依次為：秋季(96.63 d)<夏季(114.78 d)<冬季(142.42 d)<春季(179.77 d)，較無風情景而言，有風情景下星湖春、夏、秋、冬季整體平均水齡分別降低了2.46、17.11、27.31、12.78 d，主要原因是秋季入流流量大，且秋季主導風向與湖流運動方向相近，利于水體交換，而春、冬季節(jié)出入流流量小，水體交換速率較弱；由于湖區(qū)邊界形狀差異，水齡的季節(jié)變化在湖區(qū)空間分布上也有顯著區(qū)別，對比無風情景，有風情景下中心湖、青蓮湖、仙女湖水齡分別降低了52.37、11.65、43.95 d，波海湖水齡反而增加了21.6 d，主要是因為波海湖南、西、北三面為岸線形成“小湖灣”，A1、A2兩個入流口與風向相悖，唯一的出流口僅為波海湖與中心湖中間的相通橋涵，因此主導風抑制了波海湖的水體交換，而中心湖、青蓮湖和仙女湖的水體交換受到風場正向驅動. 夏、秋季風(西南風)作用提升了星湖的水體交換速率，而春季季風(南西南風)對星湖的水齡分布影響較小.

圖4 星湖水齡季節(jié)性差異(a)和空間分布差異(b)

對于大型淺水湖泊，風應力是湖泊形成環(huán)流的主要驅動力之一，分析不同風向下湖泊水齡的時空分布特征可以更好地論證調水引流工程對湖泊水體交換速率的改善效益，同時，水齡的時空分布也可以作為評估調水引流對湖泊水質改善效益的重要參考指標.

研究中模擬了恒定風速2 m/s時16種不同風向下、以及強風向(南東南風)下不同風速時星湖湖體水齡的時空分布，計算了波海湖、中心湖、青蓮湖以及仙女湖在不同風向下的水齡，計算結果見圖5. 模擬結果表明：在相同風速、不同風向下，南東南風對星湖整體水齡的改善最為顯著(湖區(qū)整體平均水齡為19.95 d)，北東北風對水體交換的影響最弱(湖區(qū)整體平均水齡為27.76 d)，不同子湖區(qū)的影響結果也有很大的差異，青蓮湖是水齡最大的湖區(qū)，仙女湖是受風場影響最小的湖區(qū)(16個風向下水齡在13.52～21.54 d之間)，這表明靠近引水點區(qū)域的水體最先被交換，其它區(qū)域在不同風向情景下呈現(xiàn)不同的差異，波海湖平均水齡范圍為6.53 d(南風)～21.54 d(西西北風)；中心湖平均水齡范圍為16.89 d(南西南風)～27.93 d(東北風)；青蓮湖平均水齡范圍為39.86 d(西風)～63.46 d(北風)；仙女湖平均水齡范圍為13.52 d(西南風)～21.54 d(北風).

在南東南風(強風向)0、2、4、6 m/s風速下，星湖平均水齡分別為18.44、19.95、18.18和18.35 d，對于同一湖區(qū)，由風向差異引起的水齡的最大差值為34.38 d(波海湖)，最小為8.03 d(仙女湖)，不同湖區(qū)在對同一風向(南東南風)不同風速下水齡的表現(xiàn)也有所差異，最小為2.50 d(波海湖)，最大為26.31 d(青蓮湖)；不同風向對星湖整體水齡的影響在0.02～7.81 d之間，因此風場對星湖水齡時空分布影響較小. 研究結果表明：不同風向對星湖各個湖區(qū)的改善效果不同，南風有助于波海湖的水體交換，南西南風有助于中心湖的水體交換，西西南風有助于青蓮湖的水體交換，東風有助于仙女湖的水體交換，而對于星湖整體而言，風向為南東南風時水齡較小，表明南東南風是“引江濟星”工程提升星湖換水速率和改善水質最有效的風向.

圖5 各湖區(qū)水齡受風向影響情況

2.2 不同出入湖點位設置及入流配比情景下水齡分布特征

為了進一步明晰不同入湖通道布局以及配水比例下“引江濟星”工程對星湖水齡的影響，結合星湖現(xiàn)有進水通道和“引江濟星”工程擬規(guī)劃設計3個進水口，對于波海湖入湖口的選擇，一是由外坑直接入波海湖，二是新建輸水管道后由盤古坑入波海湖，其入湖點需進一步評估，其余入中心湖和仙女湖的點位相對明確；補水進入星湖后，通過芹田水閘、牌坊換水涵和東崗節(jié)制閘3處向外排水，星湖形成“三進三出”的水體交換格局，讓星湖各個湖區(qū)的水體得到充分交換，減少死水區(qū)面積，通過增強水體循環(huán)來改善水質，由模擬結果可知，經外坑入波海湖的配水點位設置要略優(yōu)于經盤古坑入湖的路線，其中波海湖的改善效果尤為顯著，波海湖水齡由68 d降至43 d，水體交換速率提高了37%，但對其它湖區(qū)影響甚微.

此外，進水口的配水比例也會對湖泊水體交換產生一定的影響，本文模擬了4種配水比例工況下“引江濟星”工程對星湖水動力的影響，結果表明：工況5為最優(yōu)方案，即波海湖入湖口、中心湖入湖口、仙女湖入湖口的配水比例為4∶3∶3時星湖整體水齡最低，此時波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖以及星湖整體平均水齡分別為42.79、33.20、73.28、28.25和37.40 d(表2).

表2 不同工況下各湖區(qū)水齡統(tǒng)計

2.3 不同引調水方案下星湖水齡分布特征

為評估不同工況下“引江濟星”工程對星湖水動力的改善效果，基于最優(yōu)入湖通道布局以及最優(yōu)入湖流量比例，模擬3種調水引流方案下星湖的水齡分布情況，即方案一：北嶺山來水(q=0.988 m3/s)，方案二：西江引水(q=6 m3/s)，方案三：北嶺山來水+西江引水(q=0.988 m3/s+5.8 m3/s)，方案一充分考慮北嶺山山洪和降雨資源，通過新修截洪渠和集水池收集水資源，并利用現(xiàn)有進水坑道(盤古坑和石牌坑)對星湖實施補水；方案二從西江引水，通過修建引配水管道達到合理分配引水資源、盤活星湖水體和提升星湖換水速率的目的；方案三綜合考慮利用北嶺山山洪、降雨資源和西江引水資源. 星湖現(xiàn)階段主要通過牌坊換水涵、芹田水閘和東崗節(jié)制閘向外排水，另有兩處規(guī)劃建設排水口，即青蓮湖出水口和仙女湖出水口，本研究在評估“引江濟星”工程對星湖水動力改善的過程中，假定：1)忽略風場的影響；2)各個工況除入、出湖邊界條件(邊界位置及入流流量)等不同之外，其它條件及參數設定均相同，模型模擬時長為365 d.

基于水動力-風場耦合模型得出的不同引調水工況下星湖的水齡空間分布(圖6～圖9)，顏色為藍色代表水齡越小，顏色為紅色則說明該點水齡越大，模擬結果表明，入湖流量與水齡呈反比，即隨著流量的提升，湖區(qū)整體水齡水齡越小，且隨著流量的增加，4、15、30、60 d等水齡線分布范圍不斷增加(表3). 其中方案三為降低湖區(qū)水齡值的最優(yōu)調水引流方案(工況10)，方案二次之(工況5)，方案一對星湖的水齡改善效果最差(工況1)，三種工況下星湖水齡均值分別為30.62、33.30、106.70 d，表明“引江濟星”工程可以加快星湖的水體交換速率，減小星湖水齡，特別針對波海湖、中心湖和仙女湖中北部，水體交換速率有很大的提升，但青蓮湖仍存在水體交換速率較差的區(qū)域，而青蓮湖東部恰是藻類暴發(fā)的高發(fā)區(qū).

表3 不同工況下水齡區(qū)間所占湖區(qū)面積

為減少青蓮湖東部和仙女湖東部“死水區(qū)”的分布范圍，降低水華的暴發(fā)風險，“引江濟星”工程規(guī)劃擬建青蓮湖出水口和仙女湖出水口，其建設的效果和必要性仍需進一步評估，工況6模擬了新增青蓮湖出水口和仙女湖出水口對青蓮湖和仙女湖的水齡改善，結果表明，工況6情景下青蓮湖和仙女湖水齡分別為30.45和12.92 d，工況5情景下青蓮湖和仙女湖水齡分別為73.70和33.30 d，較工況5而言，工況6情景下青蓮湖和仙女湖水體交換速率分別提升了58.68%和61.20%，說明青蓮湖出水口和仙女湖出水口能有效增加青蓮湖和仙女湖的水體交換速率.

圖6 現(xiàn)狀情景水齡時空變化

圖7 方案一(工況1)水齡時空變化

圖8 方案二(工況5)水齡時空變化

圖9 方案三(工況10)水齡時空變化

2.4 調水引流工程及湖泊水齡改善的討論

基于EFDC構建的三維水動力模型對“引江濟星”工程的評估是以水齡為定量評價指標，同時考慮風場對湖流運動的影響，能夠準確反映不同引調水方案實施后對星湖水體交換速率的提升效果，為工程方案選取、實施及管理提供科學依據，并已成功應用到蔡子湖[6]、鄱陽湖[8]、滇池[10]、太湖[22]等引調水工程評估中，但由于湖泊類型不同，所受風場的影響也有所差異，導致各研究結果均有所差異. 太湖是大型淺水湖泊，其出流入邊界明確，湖邊帶相對平滑，風生流在湖流運動中起著至關重要的作用，在相同點位由風向引起的水齡差異大于100 d，在不同點位的水齡差異則超過150 d[22]. 星湖是小型景觀湖泊，其在人為布局的影響下呈現(xiàn)形狀不規(guī)整的特點，各湖區(qū)水體連通性較弱，在湖灣地區(qū)易發(fā)生水體滯留形成死水區(qū)，其水動力交換過程主要受到入湖通道布局(包括流量配比、點位設置、出入湖道數量)的影響，受風場影響較小，其由風向引起的水齡最大差值為34.38 d，由風向引起的水齡最小差值為26.18 d. 引調水工程對湖泊的影響表現(xiàn)在水質、水動力、透明度、水生生物群落等各個方面，為得出更為科學客觀的引調水方案，水齡值不能作為選定調水引流工程的唯一判據，引調水工程的實施需綜合考慮以上指標并結合當地水資源的配置、引水工程的經濟投資[23]、對生態(tài)環(huán)境的開發(fā)及影響[24]等進行綜合評定. 在論證調水引流方案可達性、合理性、可行性的過程中，本文以減小水齡為主要目標的同時，綜合了調水引流方案在實施過程中的經濟投資、生態(tài)占地和開發(fā)，最終擬定方案二為最優(yōu)調水引流方案，方案二(西江引水)和方案三(西江引水+北嶺山來水)情景下星湖平均水齡分別為33.30和30.62 d，方案三水齡略小于方案二，但方案三需新建更多的箱涵、集水池、輸水管道，其中涉及對北嶺山森林資源的開發(fā)，相較于方案二，方案三需多投資近四千萬(其中不含征地、拆遷費用).

3 結論

“引江濟星”工程對星湖的影響可通過水齡的時空分布來體現(xiàn)，本文基于EFDC構建了星湖三維水動力—風場耦合模型，研究了星湖水齡的季節(jié)性分布特征、不同入湖通道布局和不同流量配比下星湖的水齡時空分布及“引江濟星”工程和風場對湖泊水齡時空分布的影響. 模擬結果表明，“引江濟星”工程對星湖水齡時空分布有十分重要的影響，風場對星湖水齡的時空分布影響較小.

1)星湖水齡分布存在季節(jié)和空間差異. 季風作用有效地降低了星湖平均水齡，秋季季風對水體交換影響最顯著；風場促進了中心湖、青蓮湖、仙女湖的水體交換，抑制了波海湖的水體交換，對于星湖整體而言，由風向為南東南風時水齡最小.

2)波海湖的最優(yōu)入湖線路河道為外坑，且波海湖入流流量∶中心湖入流流量∶仙女湖入流流量最優(yōu)分配比為4∶3∶3. 綜合比較“引江濟星”工程的不同方案的平均水齡，結合考慮調水引流綜合效益、經濟投資、生態(tài)開發(fā)和和占地等成本，方案二(工況5，引西江水由外坑、雨水口和石牌坑入星湖)為最優(yōu)調水引流方案. 規(guī)劃擬建的青蓮湖出水口和仙女湖出水口能有效加快青蓮湖東北部和仙女湖東南部的水體交換速率.

3)針對形狀不規(guī)則的城市內湖，在湖心大面積敞風區(qū)，風場是驅動湖體環(huán)流的主導因素，在岸線復雜的湖灣區(qū)，出入湖口布局及風場風向的一致性是影響湖區(qū)水齡的主控因素.