基于環(huán)境流體動力學模型的蠡湖補水方案數(shù)值模擬

鄢碧鵬 柳自強 王 磊 貝超其

(揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

蠡湖屬于典型的城市淺水湖泊，是無錫市的重要旅游景點，自20世紀60年代以來，圍湖造田、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及污水排入等因素造成蠡湖水生態(tài)環(huán)境逐步惡化，一度成為太湖地區(qū)富營養(yǎng)化最嚴重的區(qū)域[1]。近年來，無錫市采取了截污、清淤、退漁還湖、景觀改造等一系列措施[2]，使得蠡湖的水質和景觀環(huán)境有了相當程度的改善，2015—2017年水質逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，蠡湖水質總體以Ⅲ類、Ⅳ類為主(基于《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)評價)，水體富營養(yǎng)化得到了基本控制，但蠡湖的透明度(SD)和懸浮物(SS)濃度等感官指標沒有顯著改善[3]，秋季水體的平均SD小于0.3 m，嚴重影響其觀賞功能，原因可能是蠡湖湖底沉積了大量死亡藻體、動植物殘體以及黏土礦物等形成的高有機質污泥，這種污泥極易在風浪、魚類、游船等因素的擾動下發(fā)生再懸浮，使湖水渾濁，導致SD降低。

生態(tài)補水是改善景觀湖泊水環(huán)境的重要措施，中國水利水電科學研究院、河海大學等研究了通過梅梁湖泵站向蠡湖補水和抽貢湖水經(jīng)長廣溪向蠡湖補水兩種方案，但梅梁湖、貢湖和蠡湖水質相比差異不大，需要大流量、長時間補水才能達到較好效果。由于蠡湖附近沒有清潔水源，因此擬將太湖水體中的藍藻和泥沙消除后再引入蠡湖進行生態(tài)補水，補水方案擬采用“一進兩出”的運行模式，即經(jīng)長廣溪濕地向蠡湖補水，由梅梁湖和曹王涇泵站排出。蠡湖生態(tài)補水的主要目的是提高水體SD，同時兼顧其他水質指標改善。張運林等[4]通過對蠡湖SD主要影響因子進行分析后發(fā)現(xiàn)，蠡湖水體SD主要受SS的影響，與葉綠素等的相關性不大，因此SS濃度是評價蠡湖補水效果的重要指標。通過建立蠡湖SS濃度和SD的關系，模擬不同補水工況下蠡湖SS濃度隨時間的變化規(guī)律，可以預測生態(tài)補水對SD改善效果。

國內(nèi)很多學者利用數(shù)值模擬方法對補水工程進行了研究。黎育紅等[5]通過建立湖泊群二維水動力-水質耦合模型，模擬了不同調(diào)水方案對武漢東湖水質改善效果；華祖林等[6]采用二維水質水量模型對玄武湖不同的引水規(guī)模、引水方式、引水口和出水口流量分配的引調(diào)水方案進行模擬計算，綜合分析得出相對最優(yōu)的引調(diào)水方案；潘泓哲等[7]通過構建太湖流域走馬塘東南片平原河網(wǎng)區(qū)一維水動力水質數(shù)學模型，研究不同引調(diào)水方案對區(qū)域水環(huán)境改善效果，從多個目標層面優(yōu)選引調(diào)水方案，實現(xiàn)水量水質綜合優(yōu)化調(diào)控。

本研究以擬建的蠡湖生態(tài)補水工程為研究對象，利用環(huán)境流體力學(EFDC)模型建立三維數(shù)值模型，結合相關文獻資料，研究不同補水方案對蠡湖水體SD的改善效果，明確最佳補水規(guī)模和工程運行方式。研究結果為確定工程建設規(guī)模和運行方式提供了依據(jù)。

1 蠡湖SD模擬模型

1.1 研究區(qū)域概況

蠡湖位于江蘇省無錫市西南郊，是太湖北部的一個內(nèi)湖，屬于典型的平原淺水湖泊。湖泊東西長約6 km，南北寬0.3～1.8 km，正常水位時湖體周長約為21 km，面積約為8.6 km2[8]。蠡湖多年平均水位3.17 m，正常蓄水位3.30 m左右，相應庫容約1 800萬m3。為研究不同補水方案對蠡湖SD改善效果，選取整個蠡湖為研究范圍進行建模。同時將其分為A、B、C、D 4個區(qū)域以更清晰地反映補水過程中不同區(qū)域的水質變化，其中A區(qū)為退漁還湖區(qū)，B區(qū)在蠡堤至寶界橋之間，C區(qū)在寶界橋至蠡湖大橋之間，D區(qū)為蠡湖大橋以東區(qū)域。在每區(qū)設置兩個監(jiān)測點，分別設在湖中和湖邊位置(見圖1)。

圖1 蠡湖研究范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research scope of Lihu Lake

1.2 蠡湖SD與SS濃度的關系

水體SD是評價水體富營養(yǎng)化和水生態(tài)健康的重要指標[9-10]，一般認為水中的SS、浮游藻類和可溶性有機物是影響SD的主要因素。在進行水質模擬時，無法將SD作為一個模擬指標，必須建立SD和某種物質之間的對應關系。由于蠡湖水體SD主要受SS濃度的影響，因此對于蠡湖而言，可將SS濃度作為影響SD的唯一指標。王書航等[11]利用水質監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)蠡湖水體SD與SS濃度呈顯著負相關，計算公式見式(1):

ISD=220.61ISS-0.545

(1)

式中：ISD為SD，cm；ISS為SS質量濃度，mg/L。

在進行湖泊斷面測量時，同步開展了水體采樣和SD現(xiàn)場測試工作，共采集不同區(qū)域8個水樣，在實驗室測定了SS濃度，對式(1)精度進行了驗證。結果表明，SD實測值和計算值誤差較小，最大誤差為2.7%，說明利用式(1)可將蠡湖SS濃度和SD進行轉換，通過模擬蠡湖水體中SS濃度變化來表征SD變化，解決了數(shù)值模擬技術無法模擬SD的問題。本次蠡湖補水工程計劃將蠡湖SD提高到1 m，根據(jù)式(1)，對應的SS限值約為4 mg/L。

1.3 模擬模型與方法

EFDC模型由美國弗吉尼亞海洋研究所開發(fā)，主要包括水動力模塊、溫度和傳熱模塊、物質輸送模塊、泥沙輸送模塊、水質與富營養(yǎng)化模塊、有毒物質污染與運移模塊以及拉格朗日粒子追蹤模塊等[12]，經(jīng)過多年來的發(fā)展，該模型已成功應用于水庫及其流域營養(yǎng)物質預測、沉積物模擬等領域。本次SS濃度模擬采用EFDC模型中的染色劑模型，以難溶于水的染色劑替代SS進行模擬，將染色劑設置為保守物質，即在對流擴散過程中不考慮物質的降解、轉化和形態(tài)變化。

采用Google Earth軟件在1∶5 000的比例尺下對蠡湖二維地形測量資料進行劣化處理，考慮計算機性能與模型尺度，采用矩形網(wǎng)格，將蠡湖平面圖劃分為35 m×35 m的矩形網(wǎng)格，共建立有效網(wǎng)格6 201個，面積為7 596 225 m2。

利用聲學多普勒流速儀(ADCP，RiverRay)開展了蠡湖不同斷面流速和水深測量工作，該儀器通過向水中發(fā)射聲波短脈沖，接受并處理回波后得到電信號，再通過轉換關系計算出斷面流速和水深[13]。采用走航式測量法由南向北共測量了50個蠡湖斷面，將測量得到的水深文件導入EFDC模型中，系統(tǒng)自動生成水深分布(見圖2)?？梢钥闯?，蠡湖中心處水深，兩邊岸坡水淺，A區(qū)是湖水最深區(qū)域。

圖2 蠡湖水深Fig.2 Water depth of Lihu Lake

1.4 參數(shù)設置及模型率定

蠡湖屬于典型的寬淺型湖泊，通過截污建閘，已形成一個封閉的水體，其驅動力主要為風力，模擬季節(jié)為秋季，以東南風為主導，依據(jù)氣象資料和前人的研究結果，確定風應力系數(shù)為1.63×10-3，水溫21 ℃，計算區(qū)域的粗糙率為0.02，縱向與橫向擴展系數(shù)為4 m2/s。蠡湖水體容量為1 800萬m3，按照補水規(guī)模數(shù)值模擬時長，對應的進水流量為22.5、15.0、7.5 m3/s。模擬最大時間步長根據(jù)線性方程顯式差分的CFL條件來計算，為了提高模擬的精度，將時間步長確定為10 s，模擬時間序列內(nèi)每隔1 d輸出1次結果。蠡湖水質在同一季節(jié)分布差異不大，模擬時認為蠡湖初始水質分布均勻，選取秋季測量時SD最小值所對應的SS濃度作為初始值，即蠡湖SS模擬初始質量濃度為28 mg/L，原水凈化后SS質量濃度為3 mg/L。

影響EFDC模型中染色劑模型精度的主要因素是水動力條件和參數(shù)，對比湖泊不同斷面實測與模擬的平均流速可以驗證參數(shù)設置的合理性和模型的準確性。2019年9月10日，根據(jù)ADCP對蠡湖斷面的測量結果，模擬邊界條件、氣象資料采用當天實測數(shù)據(jù)，選取其中8個典型斷面實測平均流速與模擬結果對比，最小誤差為5.2%，最大誤差為9.1%，說明模型的精度較高，參數(shù)設置合理。

1.5 模擬方案

蠡湖是一個封閉的水體，邊界條件相對簡單，根據(jù)規(guī)劃，補水工程流量將在7.5、15.0、22.5 m3/s中選擇，采用“一進兩出”的運行方式，由于依靠已建泵站抽水，其流量調(diào)節(jié)只能通過開停機實現(xiàn)，出水流量只能是單機流量的整數(shù)倍，因此在模擬小試基礎上，確定了湖泊左(梅梁湖泵站)右(曹王涇泵站)兩個出水點流量分配比例為1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0，結合3種進水流量，共獲得9個模擬方案。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，由于梅梁湖泵站的位置緊靠蠡堤，造成蠡湖A區(qū)存在大片死水區(qū)，補水效果差，因此提出了在A區(qū)設置兩種擋水墻方案，擋水墻布置見圖3。

圖3 兩種擋水墻方案Fig.3 Two types of water retaining wall scheme

2 模擬結果與討論

2.1 不同運行工況模擬結果

在A區(qū)不設置擋水墻的情況下，9種運行工況下蠡湖全區(qū)平均SS隨時間的變化情況見圖4。隨著補水時間的延長，蠡湖平均SS濃度逐漸下降，下降速率由快變慢，最后趨于平緩，在同一進水流量下，梅梁湖泵站和曹王涇泵站出水流量分配比例為1.5∶1.0時效果最佳。以進水流量15.0 m3/s、補水28 d為例，分配比例為1.0∶1.0時SS降低至5.4 mg/L，分配比例為1.5∶1.0時SS降低至4.7 mg/L，分配比例為2.0∶1.0時SS降至4.9 mg/L。

圖4 9種運行工況下蠡湖全區(qū)平均SS變化Fig.4 Change of average SS concentration in Lihu Lake under nine operating conditions

在相同出水流量分配比例下，補水流量越大，蠡湖全區(qū)的平均SS濃度下降速率越快，到達相同補水效果耗時越短。以分配比例1.5∶1.0為例，蠡湖全區(qū)平均SS由28 mg/L降低至8 mg/L(對應SD分別約為0.30 m和0.71 m)時，進水流量為7.5 m3/s時需要補水27 d，進水流量為15.0 m3/s時需要補水13 d，進水流量為22.5 m3/s時只需要補水9 d。同時可以看出，小流量方案在補水較長時間后湖泊中的平均SS濃度才趨于平衡，且離目標值差距較大。如進水流量為7.5 m3/s時，SS只能降至7.8 mg/L左右；而進水流量為15.0、22.5 m3/s時，SS可以分別降低至4.7、4.2 mg/L。

2.2 蠡湖不同區(qū)域補水效果

模擬結果表明，雖然9種工況對蠡湖水質凈化效果略有差異，但就分區(qū)補水效果來看，補水后湖泊中的平均SS濃度變化趨勢相同，改善效果總體表現(xiàn)為B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)的水質改善效果較差，均存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。特別是A區(qū)，由于梅梁湖泵站進水口靠近蠡堤西側，補水水源經(jīng)過蠡堤后直接進入泵站引水河道，使得A區(qū)存在大片的死水區(qū)，要保證A區(qū)換水效果，可以設置擋水墻，引導清潔水源繞行A區(qū)。

2.3 設置擋水墻后蠡湖補水效果

2.3.1 設置擋水墻后流場變化

圖5展示了在蠡湖A區(qū)設置擋水墻1前后(工程已穩(wěn)定運行)，區(qū)域的流場分布。平均流速大約0.01 m/s，設置擋水墻1后A區(qū)的死水區(qū)明顯減少，補水效果顯著提高。

注：無箭頭處為死水區(qū)。圖5 A區(qū)設置擋水墻前后蠡湖流場Fig.5 Flow field of Lihu Lake before and after setting water retaining wall in zone A

2.3.2 設置擋水墻后補水效果

圖6展示了蠡湖A區(qū)設置擋水墻前后，出水流量分配比例為1.5∶1.0時，3個進水流量工況下蠡湖全區(qū)的平均SS變化情況。

由圖6可以看出，在A區(qū)設置擋水墻后，兩個擋水墻方案都可以極大改善蠡湖全區(qū)換水效果。出水流量分配比例為1.5∶1.0，進水流量為7.5 m3/s時，全湖平均SS降到4 mg/L，設置擋水墻1、2分別需要補水45、40 d；當進水流量為15.0 m3/s時，全湖平均SS降到4 mg/L，設置擋水墻1、2分別需要補水22、19 d；當進水流量為22.5 m3/s時，采用擋水墻1、2分別需要補水21、18 d。

圖6 設置擋水墻前后不同工況下補水時蠡湖全區(qū)平均SS變化Fig.6 Changes of average SS concentration of Lihu Lake under different conditions before and after setting wate retaining wall

將EFDC模型模擬得到的不同補水工況下蠡湖SS的變化結果，結合式(1)可以得到相應的蠡湖SD變化情況。以進水流量22.5 m3/s、出水流量分配比例1.5∶1.0工況為例，如圖7所示，在補水時間均為28 d時，隨著新鮮水源的進入，未設擋水墻時蠡湖平均SD為1.00 m；在A區(qū)設置擋水墻1 后，蠡湖平均SD為1.17 m；在A區(qū)設置擋水墻2后，蠡湖平均SD可以達到1.23 m，遠超目標值。

圖7 設置擋水墻前后蠡湖全區(qū)平均SD變化Fig.7 Change of mean SD of Lihu Lake before and after setting water retaining wall

2.4 討 論

通過清潔水源補水，在對流、擴散作用下攜帶湖泊本身難以降解的污染物出湖，可以降低湖泊SS濃度，提高水體SD。另外，補水工程通過加速水體流動，利于水體富氧，改善沉水植物所需要的光照和溶解氧條件，促進沉水植物的生長，增加水體生物多樣性[14]，由此能進一步去除水中溶解性污染物，抑制湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生，提高水體的自凈能力，最終達到自凈能力與污染負荷的平衡，并維持較好的水質狀態(tài)。本研究僅從降低湖泊SS濃度角度研究了補水方案，實際上生態(tài)補水是從多方面改善湖泊水生態(tài)環(huán)境的，還需對其他水質指標進行數(shù)值模擬，并對工程實際運行的效果進行監(jiān)測和分析，進一步闡明其作用機理，關于水體SD對沉水植物生長的影響機理和定量關系尚需深入研究；生態(tài)補水降低水體中SS濃度、提高SD只是應急措施，需要建立長效機制解決底泥上浮問題，綜合采用清淤、微生物治理、底泥固化等技術。

3 結論與建議

(1) 模擬結果表明，相同的進水流量，左右兩個出水點流量分配比例為1.5∶1.0時蠡湖SD改善效果最好，在此分配比例下，進水流量7.5、15.0、22.5 m3/s工況下SD達到0.71 m(SS降至8 mg/L)分別需要補水27、13、9 d。從分區(qū)補水效果來看，B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)SD改善效果較差，主要是存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。

(2) 通過在A區(qū)設置擋水墻，可以提高補水效果。要將平均SD提高至約1 m，進水流量為7.5 m3/s時，設置擋水墻1、2分別需要補水45、40 d；進水流量為15.0 m3/s時，分別需要補水22、19 d；進水流量為22.5 m3/s時，分別需要補水要21、18 d。

(3) 蠡湖生態(tài)補水工程在A區(qū)建設擋水墻后，總體上能在較短時間內(nèi)使SD提高到1 m，對于局部死水區(qū)，可以采用潛水推流的方式，強化與主流區(qū)的水體交換，提高補水效果。