吞吐流對(duì)湖泊流場(chǎng)及特征污染帶模擬分析

趙宇巍，李翠梅，肖昭文，秦高峰

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046；3.昆山市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，江蘇 昆山，215300）

淺水湖泊的水動(dòng)力條件的影響因素較多[1]，而吞吐流是淺水湖泊流態(tài)形成的重要組成部分，湖水受到壓力梯度作用，徑流進(jìn)入湖泊會(huì)導(dǎo)致湖泊水面傾斜，進(jìn)一步產(chǎn)生重力水平分力而改變?cè)兴w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

目前較多學(xué)者對(duì)河流、湖泊進(jìn)行二維水動(dòng)力及水質(zhì)進(jìn)行模擬分析。國(guó)外Murthy、Endoh早在上個(gè)世紀(jì)八十年代對(duì)安大略湖和日本琵琶湖建立了數(shù)值模擬研究[2]，國(guó)內(nèi)李一平等學(xué)者對(duì)于太湖及望虞河引水工程已有較多研究分析[3-6]，楊倩倩等通過(guò)對(duì)比分析夏季短期調(diào)水前后的水體理化指標(biāo)和藻類群落數(shù)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)調(diào)水會(huì)對(duì)湖區(qū)藻類群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響[7]。劉福興等通過(guò)WQI評(píng)價(jià)了貢湖灣的水質(zhì)狀況，發(fā)現(xiàn)在水質(zhì)具有季節(jié)性、區(qū)域性差異[8]。多為調(diào)控對(duì)水體的影響因素研究，卻較少?gòu)臄?shù)值模擬分析吞吐流對(duì)貢湖灣湖泊流場(chǎng)及特征污染帶的影響。

本文著重聚焦于太湖的自然條件、水動(dòng)力因素、流態(tài)特征與水環(huán)境的時(shí)空變化聯(lián)系來(lái)展開研究，通過(guò)建立數(shù)值模型流體仿真的手段，分析與模擬太湖吞吐流污染物的轉(zhuǎn)輸與衰減過(guò)程，為太湖的水環(huán)境研究及污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

貢湖灣處于蘇州和無(wú)錫的交界處，屬于太湖東北部，長(zhǎng)約19 km，寬7~8 km，面積約164 km2，是“引江濟(jì)太”接納長(zhǎng)江水的直接受體，同時(shí)也是蘇州和無(wú)錫重要的水源地。根據(jù)《太湖健康狀告報(bào)告》（2015—2018年）顯示：太湖總磷為Ⅳ類，總氮為Ⅴ類，且湖體為中度富營(yíng)養(yǎng)，較往年報(bào)告太湖健康狀況有明顯改善，說(shuō)明太湖流域水環(huán)境綜合治理有一定的效果，因此進(jìn)一步研究水體交換作用對(duì)保障貢湖灣水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)尤為重要。

2 材料和方法

2.1 模型建立

湖泊研究主體為貢湖灣，垂直尺度遠(yuǎn)小于水平尺度。MIKE可模擬河道、湖泊各項(xiàng)水力條件及水質(zhì)的變化情況[9]，模型中將所有垂直于邊界流動(dòng)變量為零的陸地邊界定義為閉合邊界，開邊界條件用于指定研究對(duì)象的某一流量過(guò)程或是水位過(guò)程，將研究對(duì)象的湖岸線定義為閉合邊界，貢湖灣和太湖的交接處作為開邊界，該處理可以極大地保證水域沿岸處的動(dòng)量方程求解的穩(wěn)定性。在Surface Water Modeling System（SMS）中對(duì)貢湖灣區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格劃分，內(nèi)角范圍控制在10°~130°之間，相鄰有限元的面積比控制在0.5~2之間，兩單元之間的地形最大坡度小于10%。其中網(wǎng)格數(shù)為7 770個(gè)，4 052個(gè)節(jié)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及初始數(shù)據(jù)輸入

主要模型參數(shù)基于太湖流域管理局公布的數(shù)據(jù)，均為保證模型計(jì)算穩(wěn)定、收斂調(diào)整校核最優(yōu)值。除望虞河外，其它三條河流與太湖水體交換能力較差且河流入湖斷面嚴(yán)格把控，根據(jù)貢湖灣水循環(huán)實(shí)際狀況，選取與湖灣相連的蠡河、望虞河、大溪港、金墅港四條河流做源項(xiàng)處理，輸入流量分別為0.5、0.3、0.8 m3/s。初始流速為0 m/s；初始水位為太湖常年平均水位3.14 m；底部拖拽系數(shù)初始取值由于大型淺水湖泊地勢(shì)平坦，往往采取經(jīng)驗(yàn)值，通過(guò)模型校核確定底部糙率n為32；CFL數(shù)為保證計(jì)算結(jié)果收斂，經(jīng)調(diào)整校核確定為0.75；渦粘系數(shù)一般可用于降低模型的不確定問題，經(jīng)校核為0.28 m2/s。

將貢湖灣的點(diǎn)源污染概化為金墅港、望虞河、蠡河和大溪港四個(gè)輸入點(diǎn)，其中望虞河為“引江濟(jì)太”的調(diào)水入湖唯一途徑。模型中考慮了內(nèi)源污染和降塵、點(diǎn)源、面源諸多影響因素?；?008—2018年太湖流域水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心公布的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析污染物入湖情況，見表1。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的模擬初始濃度采用2018年貢湖灣的實(shí)測(cè)平均值，TN：2.17 mg/L,TP：0.07 mg/L,NH3-N：0.71 mg/L。通過(guò)模型的率定確定水平擴(kuò)散系數(shù)E=2 m2/s，降解系數(shù)K20TP=0.02、K20TN=0.01、K20NH3-N=0.04。

表1 污染物入湖情況

2.3 模擬工況設(shè)計(jì)

貢湖灣產(chǎn)生吞吐流的主要因素為“引江濟(jì)太”調(diào)水工作。如表2所列，根據(jù)太湖流域管理局公布的《引江濟(jì)太報(bào)告（2015—2019年）》，這五年望亭水利樞紐的調(diào)水工作，每年大致為兩個(gè)階段，且流量多為50~100 m3/s[10]。故本文結(jié)合實(shí)際調(diào)水工作對(duì)貢湖灣吞吐流流態(tài)下湖泊流場(chǎng)分布模擬演練，將整個(gè)模型劃分為以下幾個(gè)工況進(jìn)行水動(dòng)力模擬，水質(zhì)模型工況假定流態(tài)穩(wěn)定、凈入湖污染負(fù)荷穩(wěn)定，見表3。

表2 2015—2019年望亭水利樞紐調(diào)水情況表

表3 模擬工況表

3 結(jié)果和討論

3.1 模擬率定與驗(yàn)證

為使模型能較好反映貢湖灣的流場(chǎng)情況，采取湖泊水體流速驗(yàn)證法、水位序列驗(yàn)證法兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用2018年11月至12月實(shí)測(cè)點(diǎn)水位序列驗(yàn)證模型水位計(jì)算結(jié)果，采用10次無(wú)風(fēng)或微風(fēng)實(shí)測(cè)流速驗(yàn)證模型流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。模型驗(yàn)證點(diǎn)具體位置如圖1所示，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。水位驗(yàn)證點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為0.31%，流場(chǎng)驗(yàn)證的平均相對(duì)誤差為2.44%；水質(zhì)驗(yàn)證點(diǎn)的TN、TP、NH3-N的平均相對(duì)誤差分別為2.39%、5.39%、5.43%，皆小于10%，模型能較好反映貢湖灣的實(shí)際流場(chǎng)情況。

圖1 水位及水質(zhì)驗(yàn)證點(diǎn)分布圖

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果

3.2 吞吐流影響下水動(dòng)力分析

吞吐流會(huì)對(duì)貢湖灣局部流場(chǎng)造成明顯的影響。在假定靜風(fēng)狀態(tài)下，望虞河引水流量100 m3/s下，其入湖口處最大流速達(dá)30 cm/s，離望虞河入湖口較遠(yuǎn)的區(qū)域流速降至1 cm/s，再往遠(yuǎn)處逐漸降至0.1 cm/s，直至更遠(yuǎn)處的西南區(qū)域低于0.1 cm/s（見圖3）。這是因?yàn)槲葱纬煞€(wěn)定環(huán)流時(shí)，離入湖口處越近的地方流速越大，會(huì)對(duì)北部湖流有較明顯地推動(dòng)，逐步遠(yuǎn)離入湖口的西南區(qū)域流場(chǎng)受吞吐流影響遞減。這與吳堅(jiān)等人[11]、王震[12]、周杰源等人[13]的研究結(jié)果一致。

吞吐量的增加會(huì)相對(duì)改善低流速區(qū)域面積。圖3中A區(qū)域表示貢湖灣大部分區(qū)域的流速低于0.1 cm/s，水體流動(dòng)性較差。對(duì)比圖3三個(gè)不同工況下，發(fā)現(xiàn)隨著引水流量的增加A區(qū)域明顯縮小，在流量50 m3/s下，湖區(qū)流速小于0.1 cm/s的面積約為101.20 km2，大于2 cm/s的面積約為0.70 km2；在流量80 m3/s下，湖區(qū)流速小于0.1 cm/s的面積約為80.18 km2，大于2 cm/s的面積約為5.31 km2；在流量100 m3/s下，湖區(qū)流速小于0.1 cm/s的面積約為62.63 km2，大于2 cm/s的面積約為8.30 km2。工況2較工況1，湖區(qū)流速小于0.1 cm/s的面積減少幅度約為12.82%；工況3較工況1，湖區(qū)流速小于0.1 cm/s的面積減少幅度約為23.52%。從這一角度證明“引江濟(jì)太”工程對(duì)貢湖灣的水動(dòng)力條件有一定改善作用，可大大增加水體流動(dòng)性。

圖3 靜風(fēng)下望虞河不同引水流量流速分布圖

3.3 吞吐流影響下水質(zhì)分析

根據(jù)工況1、2、3的水動(dòng)力模擬結(jié)果，將貢湖灣劃分成三個(gè)區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)分析，如圖4所示。其中區(qū)域A為距望虞河入湖口7 km且局部流場(chǎng)變化明顯區(qū)域，區(qū)域B距望虞河入湖口7~13 km且受大、小貢山局部流場(chǎng)阻擋區(qū)域，區(qū)域C為距望虞河入湖口13~17.7 km且流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。各分區(qū)面積占比情況見表4。

表4 各區(qū)域面積占比

圖4 貢湖灣水質(zhì)模型結(jié)果分區(qū)

在流量不大的情況下，吞吐流會(huì)對(duì)各項(xiàng)污染物起推動(dòng)和削減作用，使貢湖灣更易接納“客水”。如圖5（a）所示，各指標(biāo)濃度呈現(xiàn)從望虞河入湖口不斷的往貢湖灣西南方向“階梯狀”降低的趨勢(shì)，入湖初始TN濃度為2.17 mg/L，在30天50 m3/s引水下，入湖口TN短期聚集，其濃度值為2.8~3.0 mg/L，而在湖中的深藍(lán)色區(qū)域，濃度值已經(jīng)降至到1.4~1.6 mg/L，相比初始值下降了近一半。而占據(jù)貢湖灣近一半面積的淺紫色區(qū)域，濃度值降至1.2~1.4 mg/L。TP出現(xiàn)了和TN相似的擴(kuò)散遷移現(xiàn)象，而吞吐流對(duì)貢湖灣整體的NH3-N濃度的削減作用尤為明顯，整體的NH3-N濃度已經(jīng)降至0.08 mg/L以下，達(dá)到了高于0.63 mg/L的降幅。這與朱偉等[14]的研究結(jié)果相符。

圖5 濃度場(chǎng)變化圖

表5為2008—2017年太湖流域水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心公布的數(shù)據(jù)，可見“引江濟(jì)太”入湖總氮、總磷、氨氮三項(xiàng)指標(biāo)均高于太湖。如圖6所示，相比流量50 m3/s，引水流量為100 m3/s時(shí)，B、C區(qū)域低濃度值的面積占比明顯縮小，TN濃度低于1.4 mg/L的區(qū)域由約83.25 km2下降至60.18 km2，面積減少幅度約為27.72%；TP濃度滿足地表水Ⅲ類限值的區(qū)域由約101.28 km2下降至83.46 km2，面積減少幅度約為17.59%；NH3-N濃度低于0.24 mg/L的區(qū)域由約134.17 km2下降至121.73 km2，面積減少幅度約為9.27%。對(duì)比圖6各區(qū)域污染帶占比情況，各污染物在距望虞河口7 km范圍內(nèi)的A區(qū)域濃度衰減明顯，在距望虞河口7~13 km范圍內(nèi)的B區(qū)域濃度變化幅度次之，而在距望虞河口13~17.7 km范圍內(nèi)的C區(qū)域濃度基本趨于穩(wěn)定。流量50 m3/s的TP濃度分布中，A區(qū)域TP濃度范圍為0.03～0.12 mg/L，B區(qū)域TP濃度范圍大部分為0.03～0.07 mg/L，C區(qū)域TP濃度范圍基本＜0.03 mg/L。綜上所述，隨著引水流量的增加，吞吐流對(duì)“客水”的稀釋效果會(huì)逐步加強(qiáng)，同時(shí)“客水”對(duì)湖區(qū)水環(huán)境影響范圍會(huì)擴(kuò)大。

圖6 各區(qū)域污染帶面積分布比例（百分比堆積圖）

表5 望虞河入湖水質(zhì)與太湖水質(zhì)比較mg/L

吞吐流會(huì)驅(qū)動(dòng)水體交換效果、改善水動(dòng)力條件。本研究以秋冬季常見的流量為基本條件，模擬了3種工況下吞吐流對(duì)貢湖灣污染物遷移的影響，結(jié)果表明，在吞吐流30天的持續(xù)作用下，污染物從入湖口向湖心擴(kuò)散，加速緩流湖泊的水體交換。逢勇等[19]在研究引江濟(jì)太對(duì)太湖水體交換時(shí)，也發(fā)現(xiàn)流量的增加會(huì)加速水體交換效果。由于本研究模擬的是秋冬季的引水，大量的引水尚會(huì)導(dǎo)致污染負(fù)荷的加劇，因此在藍(lán)藻易爆發(fā)的季節(jié)更應(yīng)該控制好“客水”的量，避免改善了水動(dòng)力卻增加了水華爆發(fā)的危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

吞吐流對(duì)貢湖灣水環(huán)境有著至關(guān)重要的影響。本文應(yīng)用MIKE21構(gòu)建了不同吞吐量下貢湖灣水動(dòng)力與水質(zhì)耦合模型，定量分析了吞吐流作用下貢湖灣流速及污染帶分布特征。研究表明：

（1）吞吐流會(huì)對(duì)貢湖灣局部流場(chǎng)造成明顯的影響且會(huì)相對(duì)改善低流速區(qū)域面積。在無(wú)風(fēng)情況下，流速?gòu)娜牒诘胶乃w呈階梯散射遞減狀。相比流量50 m3/s，在流量80 m3/s和流量100 m3/s下湖泊低流速區(qū)域面積減少幅度均大于12.00%。

（2）吞吐流會(huì)對(duì)各項(xiàng)污染物起推動(dòng)和削減作用。不同吞吐量下，削減后的NH3-N較于TN、TP更易滿足地表水Ⅲ類限值。相比流量50 m3/s，流量100 m3/s下TN濃度低于1.4 mg/L、TP濃度滿足地表水Ⅲ類限值以及NH3-N濃度低于0.24 mg/L的區(qū)域面積減少幅度均大于9%。

（3）在距望虞河口7 km范圍內(nèi)湖體流速較大且各項(xiàng)污染物濃度衰減明顯，但偶爾會(huì)不滿足地表水Ⅲ類限值。