“引江濟(jì)太”新建工程對(duì)梅梁灣總磷總氮分布的影響

陳典坤，楊 顯

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 211100)

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，太湖流域因水體富營(yíng)養(yǎng)化等原因常暴發(fā)藍(lán)藻水華[1]，嚴(yán)重影響了區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2007年太湖流域暴發(fā)大規(guī)模藍(lán)藻事件后，為治理太湖水環(huán)境，開(kāi)始了以“引江濟(jì)太”工程為核心的一系列治理工程。“引江濟(jì)太”工程通過(guò)實(shí)施以“靜態(tài)河網(wǎng)、動(dòng)態(tài)水體、科學(xué)調(diào)度、合理配置”為戰(zhàn)略目標(biāo)的重大舉措，適時(shí)通過(guò)望虞河將長(zhǎng)江水引入太湖以實(shí)現(xiàn)改善太湖水環(huán)境的目標(biāo)[2]。太湖富營(yíng)養(yǎng)化等水體環(huán)境問(wèn)題一直受到廣泛關(guān)注[3-6]，“引江濟(jì)太”工程運(yùn)行以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)工程在提升太湖水體水質(zhì)與改善區(qū)域水環(huán)境等方面進(jìn)行了研究，成果眾多[7-12]，但目前對(duì)“引江濟(jì)太”工程的研究主要集中在望虞河引水工程對(duì)貢湖與太湖水質(zhì)的影響，而對(duì)2020年建成并投入使用的新孟河延伸拓浚工程和新溝河延伸拓浚工程的研究較少。新孟河延伸拓浚工程北起長(zhǎng)江，沿老新孟河拓浚至京杭運(yùn)河，拓浚太滆運(yùn)河和漕橋河入太湖；新溝河延伸拓浚工程從長(zhǎng)江沿現(xiàn)有新溝河至京杭運(yùn)河后，分別疏浚直湖港、武進(jìn)港至太湖(圖1)。在2016年以后，太湖總磷(TP)濃度出現(xiàn)反彈現(xiàn)象[13-14]并在2017年暴發(fā)大面積藍(lán)藻[15]，截至2019年太湖TP濃度沒(méi)有明顯下降[16]。本研究模擬新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程、望虞河引水工程運(yùn)行時(shí)，梅梁灣在盛行風(fēng)向下的TP和總氮(TN)的遷移擴(kuò)散規(guī)律，研究成果可為改善梅梁灣及太湖水質(zhì)提供新的解決方案。

太湖是淺水湖泊，風(fēng)場(chǎng)是影響其流場(chǎng)特征的主要因素[17]，水面的夏季盛行風(fēng)和冬季盛行風(fēng)是東南風(fēng)和西北風(fēng)[18]。本文以太湖梅梁灣(圖1)為研究對(duì)象，模擬“引江濟(jì)太”新建工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)，梅梁灣在夏半季盛行風(fēng)(東南風(fēng))與冬半季盛行風(fēng)(西北風(fēng))兩種風(fēng)向下TP和TN的遷移擴(kuò)散規(guī)律。

圖1 “引江濟(jì)太”工程示意圖和梅梁灣觀測(cè)點(diǎn)Fig.1 Sketch Map of “Yangtze River-Taihu Lake Water Diversion” and Observation Point of Meiliang Bay

1 水動(dòng)力水質(zhì)模型的建立

1.1 模型建立

守恒型二維淺水方程與對(duì)流擴(kuò)散方程耦合的矢量表達(dá)[6]如式(1)，守恒物理向量如式(2)，x方向的通量向量如式(3)，y方向的通量向量如式(4)，源匯項(xiàng)如式(5)。

q=[h,hu,hv,hCi]T

(2)

f(q)=[hu,hu2+gh2/2,huv,huCi]T

(3)

g(q)=[hv,huv,hv2+gh2/2,hvCi]T

(4)

b(q)={0,gh(s0x-sfx),gh(s0y-sfy), ▽[Di▽(hCi)]-μihCi+Si}T

(5)

其中：q——守恒物理量；

t——時(shí)間，s;

h——水深，m；

u、v——x和y向的垂線平均流速分量，m/s；

T——表示轉(zhuǎn)置；

g——重力加速度，m/s2；

Ci——溶質(zhì)垂線平均質(zhì)量濃度，mg/L；

s0x、sfx——x方向的河底坡度及摩阻坡度；

s0y、sfy——y方向的河底坡度及摩阻坡度，摩阻坡度由曼寧公式估算；

Di——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

▽——梯度算子，m-1；

μi——降解系數(shù)，s-1；

Si——源匯項(xiàng)，mg/(L·s)，模型中考慮風(fēng)力。

模型包括兩個(gè)部分：(1)應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對(duì)耦合方程組進(jìn)行數(shù)值求解；(2)根據(jù)WASP5模型中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)規(guī)律原理編寫(xiě)計(jì)算污染物源匯項(xiàng)程序。通過(guò)模型模擬出水體的流動(dòng)過(guò)程和相應(yīng)的污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程。

1.2 模擬區(qū)域及網(wǎng)格生成

本研究主要關(guān)注梅梁湖，邊界輸入主要考慮新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程和望虞河引水工程。本文建立的模型及計(jì)算區(qū)域是整個(gè)太湖，為模擬出“引江濟(jì)太”新建工程對(duì)太湖梅梁灣區(qū)域的TP和TN影響，在工況運(yùn)行過(guò)程中保持新孟河、新溝河、望虞河和太浦河共4個(gè)河道呈開(kāi)啟狀態(tài)。采用無(wú)結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，計(jì)算區(qū)域內(nèi)有6 348個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和5 943個(gè)計(jì)算單元，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為744 h。

1.3 模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)邊界條件及初始條件

根據(jù)太湖小雷山氣象站2007年12月—2008年11月的測(cè)量資料[18]，太湖湖面風(fēng)速集中在4.0～6.0 m/s，盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng)。入口邊界條件為2014年1月環(huán)湖河道進(jìn)出太湖的流量時(shí)間過(guò)程線和濃度時(shí)間過(guò)程線，出口為水位時(shí)間過(guò)程線，濃度過(guò)程取紐曼條件，太湖初始水位H=3 m。

(2)參數(shù)的率定

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合WASP5模型提供的參考值，通過(guò)多次調(diào)試得到模型的參數(shù)值。表1是部分模型參數(shù)率定值。

表1 WASP5模型參數(shù)值Tab.1 Parameters of WASP5 Model

1.4 模型的率定

利用本模型模擬太湖在東南風(fēng)風(fēng)速為4.0 m/s時(shí)的流場(chǎng)，將模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)的流場(chǎng)[10]進(jìn)行對(duì)比(圖2)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致：湖西區(qū)流場(chǎng)大致呈順時(shí)針狀，湖心區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)逆時(shí)針流場(chǎng)，貢湖與梅梁灣水流呈逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，流速大小也與實(shí)測(cè)值接近。計(jì)算結(jié)果表明，本模型可以反映太湖實(shí)際的水動(dòng)力學(xué)特性。楊顯[19]通過(guò)將該模型模擬的貢湖觀測(cè)點(diǎn)TP濃度值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，也驗(yàn)證了該模型的可靠性與實(shí)用性。

圖2 東南風(fēng)下流場(chǎng)Fig.2 Flow Field under Southeast Wind

2 方案設(shè)計(jì)

因改善梅梁灣湖體水動(dòng)力條件及水環(huán)境狀況的需要，新溝河延伸拓浚工程設(shè)計(jì)外排流量為150 m3/s。新孟河延伸拓浚工程設(shè)計(jì)最大泵引為300 m3/s，為考慮經(jīng)濟(jì)性，日常引水流量按100 m3/s考慮[20]。為探究盛行風(fēng)向下不同引排水量對(duì)梅梁灣TP與TN濃度分布的影響，在東南風(fēng)與西北風(fēng)下改變新溝河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的引排水量，并將梅梁灣泵站關(guān)閉、太浦閘開(kāi)啟，其他觀測(cè)河道在模擬期間保持關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)計(jì)多種運(yùn)行工況。

模擬方案如表2所示。(1)模擬4月—6月的太湖水環(huán)境，此時(shí)太湖盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，單一工況的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為31 d(744 h)。設(shè)置工況1、工況2、工況3共3種運(yùn)行工況，工況2與工況1為對(duì)比工況，增加新溝河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工況3與工況2為對(duì)比工況，增加新孟河延伸拓浚工程的引水量50 m3/s。(2)模擬10月—12月的太湖水環(huán)境，此時(shí)湖面盛行風(fēng)為西北風(fēng)，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為31 d(744 h)。設(shè)置工況4、工況5、工況6共3種運(yùn)行工況，工況5與工況4為對(duì)比工況，增加新溝河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工況6與工況5為對(duì)比工況，增加新孟河延伸拓浚工程引水量50 m3/s。

表2 模擬方案Tab.2 Simulated Scheme

圖3 梅梁灣的流場(chǎng)模擬結(jié)果 (工況1～工況6)Fig.3 Flow Field Simulation Results in Meiliang Bay (Working Condition 1～Working Condition 6)

3 流場(chǎng)及水質(zhì)模擬結(jié)果

3.1 流場(chǎng)模擬結(jié)果

如圖3所示，工況1中梅梁灣水流呈逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)。工況2與工況1相比，灣內(nèi)西部水流的流動(dòng)方向發(fā)生了變化，水體從梅梁灣北部向南部流動(dòng)并流向新溝河排水口，灣內(nèi)水流流速增大。工況2的西部流速為0～0.01 m/s，北部流速為0.01～0.03 m/s，東部近岸流速為0.02～0.03 m/s。工況3與工況2相比，不同區(qū)域的流速大小和水流流動(dòng)方向基本一致。

在西北風(fēng)作用下，工況4、5、6下，梅梁灣水流整體流向未發(fā)生改變，均呈順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，東部近岸水流流速大于西部。工況5與工況4相比，灣內(nèi)各區(qū)域的流速增加，特別是新溝河排水口附近，工況5的西部流速在0.01～0.02 m/s，北部流速在0.01～0.03 m/s，東部近岸流速在0.02～0.03 m/s。工況6與工況5相比，流速大小和水流流動(dòng)方向基本一致。

3.2 水質(zhì)模擬結(jié)果

根據(jù)實(shí)測(cè)[21]，梅梁灣初始TP質(zhì)量濃度為0.29 mg/L，初始TN質(zhì)量濃度為5.01 mg/L，引水水體的TP質(zhì)量濃度為0.08 mg/L，TN質(zhì)量濃度為0.98 mg/L。如圖4所示，盛行風(fēng)為東南風(fēng)時(shí)，在工況1下，經(jīng)過(guò)31 d后，梅梁灣水體TP質(zhì)量濃度為0.07～0.17 mg/L，下降41%～76%，梅梁灣的TN質(zhì)量濃度為1.30～3.35 mg/L，下降33%～74%，灣區(qū)水體水質(zhì)大幅度提升。在工況2下，與工況1相比，梅梁灣東部水域TP與TN濃度明顯下降，以TP作為衡量指標(biāo)，Ⅳ類水體面積增大。工況3與工況2相比，梅梁灣東部水域TP與TN濃度出現(xiàn)小幅度升高，說(shuō)明在東南風(fēng)作用下保持新溝河排水量不變，大幅度增加新孟河引水量時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽隨水流沉積在灣區(qū)東部。

圖4 東南風(fēng)向下湖灣TP與TN濃度 (工況1～工況3)Fig.4 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under Southeast Wind (Working Condition 1～Working Condition 3)

圖5 西北風(fēng)向下湖灣TP與TN濃度(工況4～工況6)Fig.5 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under the Northwest Wind (Working Condition 4～Working Condition 6)

圖6 湖灣觀測(cè)區(qū)域TP與TN濃度Fig.6 Concentrations of TP and TN in Observation Areas of Meiliang Bay

如圖5所示，盛行風(fēng)為西北風(fēng)時(shí)，在工況4下，經(jīng)過(guò)31 d后，梅梁灣水體TP質(zhì)量濃度為0.08～0.19 mg/L，下降幅度34%～72%，灣區(qū)TP濃度表現(xiàn)為東高西低、北高南低。水體TN下降至1.50～3.75 mg/L，下降幅度25%～70%。工況5與工況4相比，湖灣西部水體水質(zhì)改善明顯，TP低于0.1 mg/L，達(dá)到Ⅳ類水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工況6與工況5相比，增加了新孟河引水流量，梅梁灣西部水域TP與TN質(zhì)量濃度繼續(xù)下降，且TN的下降幅度遠(yuǎn)大于TP。

3.3 觀測(cè)點(diǎn)水質(zhì)的模擬結(jié)果

分別在梅梁灣觀測(cè)區(qū)域采集TP與TN濃度，分析各區(qū)域在不同工況下TP與TN的擴(kuò)散及分布情況，如圖6所示。在東南風(fēng)向下，工況1、工況2、工況3均表現(xiàn)為湖灣左岸濃度最高，中部濃度次之，右岸濃度最低。工況2與工況1相比，新溝河段排水量增加，梅梁灣各區(qū)域TN與TP濃度下降明顯。工況3與工況2相比，增加新孟河工程引水量，對(duì)梅梁灣灣內(nèi)側(cè)如L1、L2、M1、M2、M3、R1、R2、R3處TP與TN影響較小，而梅梁灣外側(cè)L3、L4、M4、M5處濃度下降，因此，主要降低太湖湖心區(qū)一側(cè)的污染物濃度。

在西北風(fēng)向下，工況4、工況5、工況6均表現(xiàn)為湖灣右岸濃度最高，左岸濃度最低。工況5與工況4相比，增加了新溝河排水量，梅梁灣左岸和中部TP與TN濃度下降明顯。工況6與工況5相比，增加新孟河引水量，梅梁灣左岸即L1、L2、L3、L4處的TP與TN濃度下降，湖灣中部和右岸的TP與TN濃度無(wú)明顯變化。

4 結(jié)論

(1)“引江濟(jì)太”新建工程——新溝河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的建成投入使用，增加了進(jìn)出太湖水量，可以降低梅梁灣水體的TP與TN濃度，表明新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程的運(yùn)行可以有效提升梅梁灣水域水質(zhì)，為“2016年太湖TP出現(xiàn)反彈”引起的水質(zhì)問(wèn)題提供新的解決方案。

(2)通過(guò)分析梅梁灣水體在不同季節(jié)風(fēng)向下進(jìn)行引排水作業(yè)時(shí)TP與TN濃度的變化情況，發(fā)現(xiàn)在東南風(fēng)即夏半季的盛行風(fēng)向下，梅梁灣的TP與TN降幅大于西北風(fēng)作用下的降幅，說(shuō)明在夏半季進(jìn)行“引江濟(jì)太”新建工程的引排水作業(yè)更有利于降低梅梁灣的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，提升太湖水質(zhì)。

(3)分析不同工況下梅梁灣左岸、中部、右岸的TP與TN濃度，當(dāng)新孟河增加引水量時(shí)，梅梁灣TP與TN下降并不明顯，對(duì)梅梁灣特別是中心區(qū)域的水質(zhì)影響范圍較小，提升梅梁灣水質(zhì)的效果有限。當(dāng)新溝河增加排水量時(shí)，梅梁灣左岸、中部及右岸的TP與TN出現(xiàn)較大幅度下降。這說(shuō)明相較于新孟河引水作業(yè)，進(jìn)行新溝河排水作業(yè)時(shí)可以更快速地降低梅梁灣TP和TN的濃度，在短時(shí)期內(nèi)能有效改善梅梁灣的水體環(huán)境。