大通湖生態(tài)補水周期及流場分布特征分析

趙偉明，劉 啟 ，盛 東，譚 軍*，黃 草

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

1 研究背景

平原淺水湖泊是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為人類和眾多生物群提供了生存與發(fā)展的環(huán)境條件和物質(zhì)條件，但長期的“掠奪式”開發(fā)導(dǎo)致多數(shù)平原湖泊存在面積萎縮、水質(zhì)惡化、物種消亡等環(huán)境和生態(tài)問題，破壞了平原湖泊的生態(tài)平衡與功能健康。生態(tài)補水是修復(fù)平原淺水湖泊生態(tài)與功能的重要技術(shù)之一，受到了國內(nèi)外的重視，并付諸實踐。在復(fù)雜的水動力條件下，湖泊的換水周期與流場形態(tài)對湖區(qū)污染物遷移和轉(zhuǎn)化、水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的影響顯著，是評價平原淺水湖泊生態(tài)補水效應(yīng)的重要因子[1-2]。

中國生態(tài)補水研究與實踐發(fā)展迅速，尤其是平原河湖地區(qū)。如為解決太湖流域水污染問題，中國實施了“引江濟(jì)太”生態(tài)調(diào)水工程，2013—2017年共計調(diào)水13次，在提升太湖流域水資源和水環(huán)境承載能力方面發(fā)揮了重要作用[3]。2002年12月，從長江應(yīng)急向南四湖生態(tài)補水1.1億m3，以基本滿足南四湖湖區(qū)魚類、水生植物、浮游生物和鳥類等生態(tài)鏈的最低用水需求[4]。此外，昆明滇池、杭州西湖、武漢東湖、南京玄武湖、雄安新區(qū)白洋淀等眾多湖泊先后開展了生態(tài)補水研究與實踐，在湖泊的水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮了重要作用。

大通湖原為洞庭湖的湖域，1954年后經(jīng)堵支、并流、并垸等形成大通湖垸，大通湖遂成為洞庭湖區(qū)最大的內(nèi)湖。近幾十年來，特別是三峽水庫正式運行以來，(長)江(洞庭)湖關(guān)系深度演變，虎渡、松滋和藕池三口分流水量顯著減少[5]，原三口分流入大通湖進(jìn)水通道均被淤堵，打破了大通湖“西—北進(jìn)，東—南出”的水動力格局?，F(xiàn)狀除湖泊北面的明山泵站、東南面的大東口泵站用于汛期排澇外，僅塞陽運河可溝通大通湖與洞庭湖，非汛期湖區(qū)水動力條件差，水資源與水環(huán)境均面臨嚴(yán)重問題[6]。2018年汛后，湖南省益陽市實施了大通湖生態(tài)補水工程，通過新建的五七閘引草尾河水至大通湖，再經(jīng)大東口泵閘排入東洞庭湖，改善了大通湖非汛期的水動力條件和湖區(qū)水質(zhì)，獲得了較好的生態(tài)環(huán)境效益。

為了深入研究大通湖生態(tài)補水工程的水動力和水環(huán)境效應(yīng)，優(yōu)化和完善生態(tài)補水方案，本研究采用MIKE 21構(gòu)建了大通湖水動力模擬模型，研究分析了不同補水方案的換水周期和流場形態(tài)，分析其影響因素以及最優(yōu)補水方案，可為大通湖的水生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)支持以及類似湖泊的水動力模擬和水生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)參考。

2 研究區(qū)及方法

2.1 研究區(qū)概況

大通湖位于益陽市大通湖區(qū)西北側(cè)，東臨東洞庭湖，西至沱江，南臨草尾河，北瀕藕池河?xùn)|支，是洞庭湖區(qū)最大的內(nèi)湖，地理范圍為東經(jīng)112°17′～112°42′，北緯29°4′～29°22′。大通湖現(xiàn)狀東西長15.8 km，南北寬13.7 km，呈三角形，水面面積為85.3 km2，湖底高程22～24 m，平均水深2.5 m，常年蓄水量2.32 億m3。大通湖垸內(nèi)外水系復(fù)雜，河流和人工溝渠總長度達(dá)546 km，河網(wǎng)密度為0.82 km/km2。大通湖垸內(nèi)的河湖主要有蓮湖、瓦崗湖、五七運河、老三運河、塞陽運河、金盆河以及大新河等，見圖1。作為保證南洞庭湖地區(qū)生態(tài)安全的重點水域，該區(qū)域是候鳥的重要棲息地，其中包括骨頂雞、小天鵝、鴛鴦等17種國家保護(hù)名錄鳥類[7-8]。

受圍湖造田以及江湖關(guān)系深度調(diào)整影響，大通湖垸內(nèi)河湖連通性降低，各水體交換受限，區(qū)域內(nèi)湖泊、河流和溝渠直接承納工業(yè)廢水、生活污水以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染物等。目前大通湖水質(zhì)為劣Ⅴ類，營養(yǎng)狀態(tài)評價為富營養(yǎng)，超出目標(biāo)水質(zhì)III類標(biāo)準(zhǔn)。

大通湖現(xiàn)狀常水位為25.88～26.08 m，汛期當(dāng)內(nèi)湖水位達(dá)到26.88 m，考慮開啟明山和大東口電力泵站，降低內(nèi)湖水位；非汛期內(nèi)湖水位低于25.28 m時，開啟五七閘引水入大通湖，調(diào)活內(nèi)湖水體，再經(jīng)塞陽河和大東口閘排入東洞庭湖。

2.2 水動力模型構(gòu)建

大通湖水動力模擬模型采用MIKE 21 FM構(gòu)建而成，屬于平面二維水流數(shù)學(xué)模型，在國內(nèi)外有諸多應(yīng)用，是水利和環(huán)境領(lǐng)域經(jīng)過大量實際工程檢驗的優(yōu)秀水動力模擬軟件之一。MIKE 21 FM的模型原理及建模過程可參考文獻(xiàn)[9-10]，本文不再重復(fù)。

根據(jù)大通湖的實測湖底地形建立模型的三角形網(wǎng)格，見圖2，三角形邊長為10～200 m。河底綜合曼寧系數(shù)M為32～50 m1/3/s；渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式計算，Cs取值為0.28；為防止模型在干涸地區(qū)溢出，水陸邊界采用水深干濕動態(tài)邊界判斷技術(shù)，干水深0.01 m，濕水深0.1 m。

a)引水路徑1

2.3 補水周期計算

補水周期是衡量湖泊生態(tài)補水效應(yīng)的重要因子，影響著水體中污染物與營養(yǎng)物的停留時間和濃度，以及水體中發(fā)生的生物與化學(xué)反應(yīng)過程時間長短[11]。傳統(tǒng)的補水周期被認(rèn)為是湖泊蓄水總量與日均出湖水量的比值[12-13]，但該定義無法體現(xiàn)湖泊由于自身形狀的不規(guī)則性導(dǎo)致不同位置湖體補水周期的空間差異性。研究中補水周期采用基于濃度變化的指數(shù)衰減函數(shù)來表示：

Ct=C0e-t/Tf

(1)

式中t——時間；Tf——補水周期；C0——示蹤劑的初始濃度值；Ct——t時刻示蹤劑的剩余濃度值。

由式(1)可知，當(dāng)t=Tf時，示蹤劑的濃度已經(jīng)衰減至初始濃度的1/e倍或37%。因此，換水周期定義為示蹤劑剩余濃度降低至初始濃度的37%時所需要的時間。

2.4 模擬方案與模型設(shè)置

依據(jù)大通湖生態(tài)補水工程規(guī)劃，五七閘的非汛期(10月至次年3月)設(shè)計引水流量為20.48 m3/s，汛期(4—9月)設(shè)計引水流量為28.92 m3/s。明山電排站設(shè)計排水流量為21 m3/s[14]。為了深入探討不同引水方式對大通湖水動力的影響，設(shè)計2種引水路徑及6種調(diào)度工況，見圖2、表1。

表1 調(diào)水工況 單位：m3/s

為了詳細(xì)研究大通湖生態(tài)補水周期及流場形態(tài)的空間異質(zhì)性，研究將大通湖水體染成單位濃度為1.0 的保守型示蹤劑，通過監(jiān)測水動力模型每個網(wǎng)格單元的剩余濃度與流速，分析大通湖換水周期和流場形態(tài)的空間分布。模擬過程中，生態(tài)補水的示蹤劑濃度以及出口邊界示蹤劑的初始濃度均為0。

3 結(jié)果分析

3.1 補水周期

大通湖不同工況下的剩余濃度低于37%的湖面面積占比隨時間變化曲線見圖3。從工況001—006，若湖泊生態(tài)補水時間較短時，完成換水的湖泊面積占湖面總面積的比例隨時間增長緩慢；而湖泊生態(tài)補水時間持續(xù)一段時間后，完成換水的湖泊面積占湖面總面積比例迅速增加。將完成換水的湖泊面積占湖面總面積的比例隨時間的增長速度的轉(zhuǎn)換處稱為補水效率臨界點，當(dāng)補水持續(xù)時間超過補水臨界時間后，生態(tài)補水的效益才能有效發(fā)揮。大通湖不同補水工況下，補水效率臨界點約為生態(tài)補水周期的1/2～2/3，見表2。對比示蹤劑法計算的湖泊生態(tài)補水周期和傳統(tǒng)水體置換法計算的補水周期，示蹤劑法考慮了水體置換過程中的擴(kuò)散和紊動，補水周期明顯小于同條件下水體置換法計算的補水周期。

圖3 不同工況下大通湖示蹤劑濃度低于37%的湖面面積占比隨時間變化曲線

表2 不同工況下補水周期

成對比較工況001和004、工況002和005、工況003和006，可以看出引水流量越大，湖泊的生態(tài)補水效率更高，補水周期越短。如工況004的補水周期比工況001縮短了約40 d，補水效率臨界點縮短了30 d；工況006的補水周期比工況003縮短了10 d，補水效率臨界點也縮短了10 d。

從生態(tài)補水進(jìn)出口分布來看，工況003和006的補水周期顯著低于工況001和003，如工況003比工況001的換水周期短70 d左右，比工況002短20 d左右?？芍笸ê皢芜M(jìn)單出”的生態(tài)補水方式，南部換水較快，但北部的水源運動緩慢，補水效率低，補水周期較長；考慮“單進(jìn)兩出”模式后，增加了明山電排站(北端)的出水口，生態(tài)補水的進(jìn)出水口分布更加均勻和合理，補水效率提高，補水周期縮短，但通過明山電排站排水需要消耗一定的電能，仍需從經(jīng)濟(jì)可行性的角度討論明山電排站的開始時間和運行方式。

3.2 流場形態(tài)

圖4所示為6種生態(tài)補水工況的湖區(qū)流場形態(tài)比較，P1—P4為湖區(qū)中心、西南、東南和北側(cè)的點流速監(jiān)測點，其中工況001和工況004的湖區(qū)北部區(qū)域，工況003的湖區(qū)東南部區(qū)域，存在較大的極小流速區(qū)，流速空間分布不均勻，如穩(wěn)定狀態(tài)下，工況001的P4、工況003的P3、工況004的P4點流速很小，分別為0.18、0.06、0.24 mm/s(表3)。這種空間分布不均勻的流速場都是在大通湖采用引水路徑1進(jìn)行生態(tài)補水的時候形成的，可見這種“單進(jìn)單出”模式的補水方案會降低大通湖的水體交換效率。相較于工況001、003、004，工況002、005、006的極小流速區(qū)域面積更小，流場形態(tài)良好，因此這種“單進(jìn)兩出”的補水模式更有利于提高湖區(qū)水體交換以及水質(zhì)凈化的效率。如穩(wěn)定狀態(tài)下，工況002、005、006中P1—P4的最小流速分別為0.75、1.00、1.11 mm/s。

a)工況001

從湖區(qū)流速分布的特征來看(圖5)，工況001—006中湖區(qū)流速大多為0.1～10.0 mm/s，流速在此區(qū)間的面積占湖區(qū)總面積的比例分別為96.32%、96.74%、94.85%、96.61%、97.08%和96.88%；從湖區(qū)流速分布的均勻性來看，工況002、005流速分布的均勻程度最高(圖5中，流速分布累計面積比曲線越接近x=1.0 mm/s的豎直線，則表示流速的空間分布越均勻)；工況002中流速為0.5～5.0 mm/s的湖區(qū)面積為總面積的79.96%，高于工況001、003的78.27%和75.30%，故在非汛期的3種調(diào)水工況中，相比 “單進(jìn)單出”的模式，大通湖采用“單進(jìn)兩出”的補水模式時，其流速分布均勻程度更加高；工況005中流速為0.5～5.0 mm/s的湖區(qū)面積占總面積87.82%，高于工況004、006的83.87%、83.48%(表3)，說明在汛期，大通湖采用“單進(jìn)兩出”的補水模式且明山渠強排流量只為10.5 m3/s時，該湖泊具有更高的流速分布均勻程度。

圖5 不同工況下大通湖流速分布特征曲線

表3 不同工況的流速及流場比較

此外，工況006中明山電排站的排澇泵全部工作，需要消耗更多的電能，生態(tài)補水的運行成本較大，因此非汛期建議采用工況002的閘泵調(diào)度方式，汛期建議采用工況005的閘泵調(diào)度方式。

4 結(jié)論

采用MIKE 21FM構(gòu)建了大通湖區(qū)水動力模擬模型，研究了6種工況下大通湖的補水周期、流場形態(tài)及流速分布情況。

a)大通湖生態(tài)補水工程能有效改善湖區(qū)的水動力，但現(xiàn)狀生態(tài)補水的進(jìn)出口分別位于湖泊的西南角和東南角，不利于湖泊北部區(qū)域水流改善；通過開啟明山泵站，采用“單進(jìn)兩出”的閘泵調(diào)控方案可改善湖泊北部的流場。

b)提出了大通湖生態(tài)補水效率臨界點，臨界點的時間為補水周期的1/2～2/3，單次補水持續(xù)時間宜超過生態(tài)補水效率臨界點。

c)比較分析了大通湖多種生態(tài)補水方式的差異與優(yōu)劣，建議大通湖非汛期采用工況002的閘泵調(diào)度方式，汛期建議采用工況005的閘泵調(diào)度方式。

尚未討論大通湖生態(tài)補水工程對湖區(qū)水質(zhì)的影響以及間歇式引水的影響，下階段將進(jìn)一步開展相關(guān)研究。