陽(yáng)澄西湖圍堰施工中懸浮物輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬

汪靜嫻，孟玉生,逄 勇，徐博文,吳 為

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098; 3.甘肅省酒泉市水利科學(xué)研究院，甘肅 酒泉 735000;4.江蘇匯智工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化建設(shè)腳步的加快，涉水工程項(xiàng)目日漸增加，同時(shí)帶來(lái)了很多環(huán)境問(wèn)題，局部水域懸浮物濃度升高就是其中之一[1]。從20世紀(jì)50年代起，一些學(xué)者對(duì)涉水工程造成的懸浮物對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)懸浮物會(huì)造成水中溶解氧降低、水體渾濁，對(duì)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)、繁殖及行為等產(chǎn)生負(fù)面影響[2-3]，嚴(yán)重時(shí)致死[4]。

近年來(lái)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方法研究涉水工程引起的懸浮物及其他水體污染已逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)，如計(jì)紅等[5]以概率統(tǒng)計(jì)法為基礎(chǔ)建立懸浮物輸移擴(kuò)散模型模擬河道多點(diǎn)疏浚工程產(chǎn)生的懸浮物對(duì)水環(huán)境的時(shí)空影響；辛小康等[6]采用泥沙模型預(yù)測(cè)河道疏浚施工對(duì)水體懸浮物質(zhì)量濃度影響；賈怡然等[7]建立了近海懸浮物二維輸移擴(kuò)散數(shù)值模型，預(yù)測(cè)模擬港池疏浚過(guò)程中懸浮物的輸移擴(kuò)散對(duì)海域環(huán)境的影響；趙迎春等[8]采用平面二維數(shù)值模型MIKE21FM,預(yù)測(cè)港口建設(shè)工程產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散對(duì)海洋環(huán)境的影響；崔雷等[9]利用物質(zhì)輸運(yùn)數(shù)值模型和二維淺水水動(dòng)力的耦合模型模擬了填海工程產(chǎn)生的懸浮物輸移擴(kuò)散海域環(huán)境的影響。上述研究主要集中在海洋或河道工程上，目前對(duì)于湖泊水體的研究尚不多見(jiàn)。由于湖泊水體平面形態(tài)相對(duì)閉合，水流緩慢，易受風(fēng)浪影響[10]，并受四周陸地生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件制約，因而與更新期短且稀釋自凈能力強(qiáng)的河流和受潮汐作用、洋流涌動(dòng)影響的海洋相比，湖泊的動(dòng)力過(guò)程、化學(xué)過(guò)程及生物過(guò)程均具有明顯的個(gè)性和地區(qū)性的特點(diǎn)[11]，湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境干擾特別敏感，故以上研究結(jié)論并不適用。我國(guó)對(duì)工程建設(shè)跨越生態(tài)敏感區(qū)域、水源保護(hù)區(qū)的研究較少，多側(cè)重于水利水電工程建設(shè)方面的環(huán)保研究，如三峽工程、南水北調(diào)項(xiàng)目、引江濟(jì)太等[12]。科學(xué)回答工程建設(shè)對(duì)生態(tài)敏感水域的影響程度，才能最大程度地避免環(huán)境事故，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)建立二維湖泊水動(dòng)力模型對(duì)陽(yáng)澄西湖隧道工程建設(shè)前后湖體的水文動(dòng)力變化及圍堰施工產(chǎn)生的懸浮泥沙輸移擴(kuò)散進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)施工過(guò)程中懸浮物對(duì)陽(yáng)澄西湖水環(huán)境的影響，旨在為圍堰施工引起的懸浮物水污染控制研究和管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

陽(yáng)澄湖位于蘇州相城區(qū)、工業(yè)園區(qū)和昆山市交界處(31°21′N～31°30′N，120°39′E～120°51′E)，是蘇州及周邊區(qū)域的第二水源地，也是水生生物苗種放養(yǎng)、大閘蟹繁殖、濕地及物種資源庫(kù)的區(qū)域，水域功能顯著[13]。該地區(qū)春夏季多東南風(fēng)，秋冬季多西北風(fēng)。陽(yáng)澄湖屬于輸入型污染湖泊，受內(nèi)源污染和外源污染的共同影響，處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[14]。陽(yáng)澄湖形不規(guī)則，湖中有兩條帶狀圩埂縱貫?zāi)媳?，將湖分割為東湖、中湖、西湖3部分，合計(jì)總面積118.93 km2[15]，其中陽(yáng)澄西湖面積32.30 km2。陽(yáng)澄湖底地形略有起伏，西湖湖底傾斜較大，實(shí)測(cè)水深在5m左右，平均水深2.65 m。

陽(yáng)澄湖隧道工程在支線、主線段以路基、橋梁和隧道形式穿越陽(yáng)澄湖(相城區(qū))重要濕地二級(jí)管控區(qū)，穿越里程共計(jì)4 210 m，最近距離陽(yáng)澄湖(相城區(qū))重要濕地一級(jí)管控區(qū)3.6 km，所在區(qū)域水網(wǎng)眾多，水系發(fā)達(dá)，水生生物資源豐富，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)。工程擬分兩期進(jìn)行施工，一期圍堰為湖域北段鋼板樁圍堰，總長(zhǎng)度1 710 m，二期圍堰位于湖域南段和北段盾構(gòu)井位置，總長(zhǎng)度1 828 m(部分與一期重疊)，施工位置見(jiàn)圖1。

圖1 陽(yáng)澄西湖隧道工程位置

2 研究方法

淺水湖泊流場(chǎng)主要是由風(fēng)場(chǎng)作用引起的[16-17]，故確定模型計(jì)算條件并確定懸浮物設(shè)計(jì)水文條件、風(fēng)況及設(shè)計(jì)情景[18]。本研究在水動(dòng)力模擬驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上，建立陽(yáng)澄湖懸浮物模型，對(duì)懸浮物產(chǎn)生位置、范圍及濃度、擴(kuò)散路徑等進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并評(píng)價(jià)陽(yáng)澄西湖水域圍堰施工所產(chǎn)生的懸浮物的影響。

2.1 陽(yáng)澄湖二維水動(dòng)力模型的構(gòu)建

將整個(gè)陽(yáng)澄湖水域作為模擬區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(三角形)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行剖分。由于本研究重點(diǎn)關(guān)注圍堰施工區(qū)及其所在的陽(yáng)澄西湖西南部，因此圍堰施工區(qū)所在的陽(yáng)澄西湖網(wǎng)格分辨率約為 100 m，其余水域網(wǎng)格分辨率約為350 m。按照此劃分原則，將全湖剖分為2 153個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，湖底地形及網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖2 陽(yáng)澄湖湖底地形及網(wǎng)格剖分

利用2016年1—6月陽(yáng)澄湖湘城水文站實(shí)測(cè)逐日平均水位資料采用試錯(cuò)法進(jìn)行率定[19]，同時(shí)使用2016年7—12月的水位資料進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)率定得到陽(yáng)澄湖水域糙率系數(shù)為0.02～0.03，風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001～0.001 5。率定點(diǎn)水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3(a)，模型計(jì)算結(jié)果的水位相對(duì)誤差最大為5.8%，誤差基本滿足水位要求。

而通過(guò)對(duì)湘城站水位的驗(yàn)證，水位驗(yàn)證結(jié)果如圖3(b)所示。計(jì)算水位值與實(shí)測(cè)值吻合較好，誤差基本滿足要求。上述率定驗(yàn)證結(jié)論說(shuō)明水動(dòng)力模塊參數(shù)設(shè)置合理，模型穩(wěn)定性好，能夠模擬陽(yáng)澄湖的水流特性。

2.2 陽(yáng)澄湖懸浮物模型的構(gòu)建

2.2.1模型參數(shù)選取

根據(jù)收集的陽(yáng)澄湖相關(guān)資料及參考其他二維湖泊模型，對(duì)建立的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，懸浮物模型的基本參數(shù)取值如下：懸浮物沉降速度為0.021 m/s，臨街淤積切應(yīng)力和侵蝕剪切力分別為0.02 Pa和0.06 Pa，河床密度為180 kg/m3，床面糙率為0.02 m，水平擴(kuò)散系數(shù)為1 m2/s。本文主要研究施工引起的湖區(qū)懸浮物濃度變化，因此懸浮物濃度的本底值取0?？紤]各種條件以及圍堰工程對(duì)陽(yáng)澄西湖懸浮物的影響，模擬不同風(fēng)向和5 m/s風(fēng)速時(shí)，不同施工工況下陽(yáng)澄西湖懸浮物的濃度變化情況。

2.2.2情景設(shè)計(jì)

圍堰施工期的主要影響為圍堰拆除、抽排水時(shí)擾動(dòng)水體造成的懸浮物濃度增高。隧道施工圍堰拆除時(shí)，因挖泥機(jī)施工對(duì)泥土、水體的攪動(dòng)與混合所產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)在圍堰最后拆除鋼板時(shí)瞬間釋放，水體中懸浮物濃度增加，污水量為圍堰內(nèi)全部水量，懸浮物質(zhì)量濃度為2.8 kg/m3。圍堰抽排水時(shí)則由于泵的抽吸對(duì)圍堰內(nèi)底部淤泥的擾動(dòng)，按底泥被全部攪起產(chǎn)生懸浮物的情況計(jì)算，懸浮物的質(zhì)量濃度為3 kg/m3。

(a) 率定結(jié)果

氣象情景考慮模擬4種風(fēng)向(東北風(fēng)、東南風(fēng)、西北風(fēng)和西南風(fēng))和多年平均風(fēng)速5 m/s，根據(jù)施工情況設(shè)計(jì)了兩種情景：①情景a，一期圍堰建成后，圍堰正在進(jìn)行抽排水作業(yè)；②情景b，一期圍堰拆除，二期圍堰進(jìn)行建設(shè)作業(yè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同風(fēng)向的流場(chǎng)分布

一二期圍堰施工對(duì)流場(chǎng)影響區(qū)別不大，對(duì)施工前和一期圍堰施工后的流場(chǎng)進(jìn)行分析，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：①圍堰施工前后，在東北風(fēng)和東南風(fēng)的條件下，流場(chǎng)在圍堰施工所在流域內(nèi)北側(cè)有一較大的逆時(shí)針環(huán)流，南側(cè)為順時(shí)針環(huán)流；西北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，北側(cè)環(huán)流則為順時(shí)針?lè)较颍蟼?cè)為逆時(shí)針?lè)较?；②受?yáng)澄西湖南灣的岸線影響，流域邊界位置流速較大，流域中心流速相對(duì)較小，且東北風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)的流速整體大于東南風(fēng)和西北風(fēng)時(shí)的流速，這主要是因?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng)時(shí)風(fēng)生流場(chǎng)受南灣岸線限制影響；③圍堰施工后，圍堰對(duì)水流的阻擋作用會(huì)使圍堰東西兩側(cè)局部流速有所增大，但隧道圍堰施工前后陽(yáng)澄西湖南灣的流場(chǎng)分布情況變化不明顯。模擬結(jié)果表明，隧道圍堰建成對(duì)陽(yáng)澄西湖南灣整體的流場(chǎng)影響不大，圍堰附近流場(chǎng)的流速略微增大。

(a) 東北風(fēng)(施工前)

3.2 不同風(fēng)向的懸浮物質(zhì)量濃度

圖5和圖6分別為兩種施工情景下連續(xù)2 d的懸浮物不同風(fēng)向的質(zhì)量濃度增量場(chǎng)。由圖5可知，情景a中東北風(fēng)時(shí)懸浮物自產(chǎn)生起從圍堰南側(cè)主要向西南角擴(kuò)散，16 h時(shí)質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.03 km2，中心區(qū)域質(zhì)量濃度逐漸消散，且48 h時(shí)質(zhì)量濃度已降至20 mg/L以下；東南風(fēng)時(shí)懸浮物從圍堰南側(cè)向東北擴(kuò)散并在圍堰右側(cè)形成堆積，16 h時(shí)質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.03 km2，隨著時(shí)間推移懸浮物逐漸消散，至48 h時(shí)質(zhì)量濃度降至20 mg/L以下；西南風(fēng)時(shí)懸浮物主要向西南擴(kuò)散并在西南角堆積，16 h時(shí)質(zhì)量濃度大于 60 mg/L 的面積為0.05 km2，隨著時(shí)間推移懸浮物逐漸消散，至48 h時(shí)質(zhì)量濃度已降至 20 mg/L 以下；西北風(fēng)時(shí)懸浮物向西北擴(kuò)散，至圍堰左側(cè)后又逐漸按環(huán)流方向朝西南角擴(kuò)散，16 h時(shí)質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.07 km2，隨著時(shí)間推移懸浮物逐漸消散，至48 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度降至 30 mg/L 以下。由上可知懸浮物的消散速度從大到小順序?yàn)闁|北風(fēng)、東南風(fēng)、西南風(fēng)、西北風(fēng)，其中東北風(fēng)與東南風(fēng)時(shí)中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度較低且大于60 mg/L的面積較小，西北風(fēng)時(shí)中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度最高，且大于60 mg/L的面積最大。

由圖6可知，情景b中東北風(fēng)時(shí)懸浮物從圍堰北側(cè)主要向東北角擴(kuò)散，8 h時(shí)質(zhì)量濃度大于 60 mg/L 的面積為0.02 km2，之后中心區(qū)域懸浮物逐漸消散且28 h時(shí)懸浮物已全部沉降；東南風(fēng)時(shí)懸浮物向北擴(kuò)散并在北側(cè)的盾構(gòu)井附近堆積，8 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.1 km2，之后懸浮物逐漸消散，但28 h時(shí)中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度仍達(dá)到60 mg/L；西南風(fēng)時(shí)懸浮物先向西北擴(kuò)散再分別向西南和東北擴(kuò)散，8 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.04 km2，隨著時(shí)間推移懸浮物逐漸消散，至28 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度已降至 20 mg/L 以下；西北風(fēng)時(shí)懸浮物向西南擴(kuò)散至堆積圍堰右側(cè)后繼續(xù)擴(kuò)散，8 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度大于60 mg/L的面積為0.05 km2，隨著時(shí)間推移懸浮物逐漸消散，至28 h時(shí)懸浮物質(zhì)量濃度已降至 20 mg/L 以下?？梢?jiàn)，懸浮物的消散速度從大到小順序?yàn)闁|北風(fēng)、西北風(fēng)、西南風(fēng)、東南風(fēng)，其中東北風(fēng)時(shí)中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度較低且大于60 mg/L的面積較小，東南風(fēng)時(shí)中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度最高且大于60 mg/L的面積最大。

由圖5與圖6對(duì)比可知，情景a產(chǎn)生的懸浮物所需要的消散時(shí)間長(zhǎng)于情景b，且情景a的懸浮物質(zhì)量濃度和污染面積大于情景b。

模擬結(jié)果表明，圍堰抽排水引起的懸浮物影響大于圍堰拆除所引起的懸浮物影響。另外，東北風(fēng)為最有利條件，抽排水和圍堰拆除擾動(dòng)水體所造成的懸浮物質(zhì)量濃度最低，擴(kuò)散范圍最小，且懸浮物消散速度最快。抽排水和圍堰拆除的最不利風(fēng)向分別是西北風(fēng)和東南風(fēng)，這主要是因?yàn)闁|北風(fēng)時(shí)流速較大且情景a中懸浮物產(chǎn)生處流向?yàn)槲髂舷?，情景b為東北向，懸浮物隨流場(chǎng)擴(kuò)散，路徑不受岸線影響，故懸浮物消散速度快且不易堆積。而西北風(fēng)下抽排水時(shí)，懸浮物產(chǎn)生處有一逆時(shí)針環(huán)流且流速較小，故懸浮物易在圍堰附近堆積，中心點(diǎn)處質(zhì)量濃度較高且大于 60 mg/L 的面積較大，消散速度也較慢；東南風(fēng)下圍堰拆除時(shí)，懸浮物產(chǎn)生處流向?yàn)槲鞅毕蚯伊魉佥^小，懸浮物受北側(cè)盾構(gòu)井的阻擋而堆積，故中心區(qū)域懸浮物質(zhì)量濃度高且消散速度慢。當(dāng)懸浮物質(zhì)量濃度高于60 mg/L時(shí)(60 mg/L為浮游動(dòng)物的半致死質(zhì)量濃度[20])，會(huì)增加浮游動(dòng)物的死亡率，對(duì)陽(yáng)澄西湖水環(huán)境造成不利影響。由于陽(yáng)澄西湖所在地區(qū)春夏季多東南風(fēng)，秋冬季多西北風(fēng)，根據(jù)上述模擬結(jié)果，情景a建議在春夏季施工，情景b建議在秋冬季施工，以減少工程產(chǎn)生的懸浮物對(duì)陽(yáng)澄西湖南灣水環(huán)境的影響。

(a) 東北風(fēng)(16 h)

(a) 東北風(fēng)(8 h)

本文模擬得到陽(yáng)澄西湖圍堰施工所產(chǎn)生的懸浮物質(zhì)量濃度增量為10～180 mg/L，大于60 mg/L的影響范圍最大為0.1 km2。與同類其他圍堰工程所產(chǎn)生的懸浮物質(zhì)量濃度增量和最大影響范圍的研究成果對(duì)比，蔣紅等[21]通過(guò)二維非穩(wěn)態(tài)水動(dòng)力模型對(duì)湛江港圍堰施工產(chǎn)生的懸浮物進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)懸浮物質(zhì)量濃度增量為10～400 mg/L，大于10 mg/L的影響范圍為0.353 km2；崔雷等[9]通過(guò)耦合二維淺水動(dòng)力模型對(duì)唐山海域拋石圍堰施工產(chǎn)生的懸浮物進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)懸浮物質(zhì)量濃度增量為10～150 mg/L，大于 50 mg/L 的影響范圍為0.263 km2，模擬成果與本文結(jié)果雖略有差別，但基本上是一致的。

4 結(jié) 論

a. 圍堰抽排水引起的懸浮物影響時(shí)間明顯長(zhǎng)于圍堰施工及拆除所引起的懸浮物影響，圍堰抽排水引起的懸浮物消散時(shí)間達(dá)48 h，圍堰施工及拆除引起的懸浮物消散時(shí)間約為28 h。

b. 不同風(fēng)向條件下，受流場(chǎng)影響，懸浮物質(zhì)量濃度面積和消散時(shí)間不同。抽排水和圍堰拆建時(shí)的最有利風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，懸浮物高質(zhì)量濃度面積分別 0.03 km2和0.02 km2，消散時(shí)間分別為40 h和16 h；最不利風(fēng)向則是西北風(fēng)和東南風(fēng)，西北風(fēng)條件下抽排水時(shí)的懸浮物高質(zhì)量濃度面積為0.07 km2且消散時(shí)間超過(guò)48 h，東南風(fēng)條件下圍堰拆除時(shí)的懸浮物高質(zhì)量濃度面積為0.1 km2且消散時(shí)間超過(guò)28 h。

c. 在施工期間內(nèi)，一期圍堰抽排水建議在春夏季施工，圍堰拆除建議在秋冬季施工，以減少對(duì)陽(yáng)澄西湖南灣環(huán)境的不利影響。