風(fēng)生流和吞吐流共同作用對(duì)湖泊環(huán)流的影響及污染帶特征

倘佳舟，李翠梅，肖昭文，張紹廣，秦高峰，金國(guó)裕

（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.中水科水利環(huán)境研究院（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215300；4.昆山市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215347）

湖泊環(huán)流是影響區(qū)域內(nèi)水流結(jié)構(gòu)和水質(zhì)狀況的重要因素。 湖泊環(huán)流按其成因可分為風(fēng)對(duì)水面的切應(yīng)力引起的風(fēng)生流［1］、湖水與河流水體交換引起的吞吐流［2］、水面溫度差引起的密度流［3］3 種。 風(fēng)生流在太湖分布較廣泛，平均流速量級(jí)為10-2m／s，普遍存在于太湖各區(qū)域；受汛期和地形影響，吞吐流在太湖南部與西部分布較廣，平均流速量級(jí)為10-3m／s；密度流一般在海洋及深水河湖中分布較廣，而太湖為典型的淺水湖泊，密度流的影響可忽略不計(jì)。 因此太湖環(huán)流主要為風(fēng)生流和吞吐流［4-6］。

近年來，眾多學(xué)者對(duì)太湖水動(dòng)力流場(chǎng)及各流場(chǎng)影響下的水質(zhì)狀況進(jìn)行了研究，取得了許多成果。 舒葉華等［7］發(fā)現(xiàn)，在定常風(fēng)影響下，太湖北部湖灣區(qū)存在數(shù)個(gè)小尺度環(huán)流，為污染物的聚集創(chuàng)造了條件。 胥瑞晨等［8］提出影響水體交換的主要因素為流量，不同風(fēng)向下太湖水體交換區(qū)域存在空間差異。 施媛媛等［9］研究發(fā)現(xiàn)，湖灣區(qū)沉積物中的溶解態(tài)磷更容易受風(fēng)浪擾動(dòng)而釋放。 林怡雯等［10］研究指出，生物活性降低和動(dòng)植物殘?bào)w的分解是導(dǎo)致冬季枯水期金墅港、漁洋山營(yíng)養(yǎng)鹽濃度偏高的原因。 太湖流域望虞河西岸在2017—2019年存在污染負(fù)荷波動(dòng)的情況［11-13］，“引江濟(jì)太”工程近年來是否仍然對(duì)太湖地區(qū)水質(zhì)改善起到明顯效果目前尚無定論。 匡翠萍等［14］研究表明，在3 m／s東南風(fēng)條件下，望虞河輸入流量越大，污染物應(yīng)急去除效果越好。

本文以太湖風(fēng)生流和吞吐流兩種流態(tài)共同存在的典型區(qū)域貢湖灣為例，基于MIKE21 水動(dòng)力模型，根據(jù)實(shí)際水位、地形和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)水質(zhì)情況，構(gòu)建太湖貢湖灣二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，綜合考慮風(fēng)場(chǎng)和調(diào)水引流工程對(duì)貢湖灣環(huán)流的影響，對(duì)貢湖灣湖區(qū)的污染帶分布特征進(jìn)行分析，以期為“引江濟(jì)太”工程的管理與調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

貢湖灣位于太湖東北部，地處蘇州與無錫交界處，長(zhǎng)約19 km，寬約8 km，面積約163.8 km2，常水位下水深1.89 m。 貢湖灣位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為 16 ℃，年降水量 1 100～1 150 mm。 4—8月，受熱帶海洋氣團(tuán)影響，湖區(qū)溫和多雨，以東南風(fēng)為主；10月至次年2月，受北方高壓氣團(tuán)控制，湖區(qū)寒冷干燥，以東北風(fēng)或西北風(fēng)為主［15］。

隨著太湖“引江濟(jì)太”工程實(shí)施，流域水資源供需矛盾得到一定程度緩解，2007—2014年望虞河起到了很好的入湖水位調(diào)蓄、水質(zhì)改善作用，但近年來水質(zhì)存在波動(dòng)［16］，而每年“引江濟(jì)太”時(shí)間段不固定，因此存在太湖流域污染負(fù)荷增大的可能性。

1.2 模型構(gòu)建及率定驗(yàn)證

（1）模型構(gòu)建。 MIKE21 模型由丹麥水利研究所研發(fā)，采用二維有限元法劃分非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在空間上采用中心有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，在時(shí)間上采用顯式積分求解，被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、環(huán)境的模擬研究，能夠動(dòng)態(tài)模擬二維水動(dòng)力環(huán)流與污染物擴(kuò)散情況。 筆者將MIKE21 模型應(yīng)用于貢湖灣水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)值模擬。 以貢湖灣湖岸線為閉合邊界，貢湖灣與太湖湖心主水體交界處為開邊界，共劃分非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格7 770 個(gè)，節(jié)點(diǎn) 4 052 個(gè)，內(nèi)角 10°～130°，相鄰有限元面積比0.5 ～2.0，任意兩個(gè)網(wǎng)格單元最大坡度小于10%，見圖1。

圖1 貢湖灣區(qū)域概化

入湖邊界為東部沿岸的4 條河流（蠡河、大溪港、望虞河、金墅港），出湖邊界與開邊界相同。 蠡河、大溪港、金墅港3 條支流流量變化不大，2018年平均流速分別為 0.5、0.3、0.8 m／s，作為常值輸入；望虞河流量變化較大，分為50、100 m3／s 兩種典型引水流量輸入貢湖灣（數(shù)據(jù)來源于水利部太湖流域管理局網(wǎng)站http：／／www.tba.gov.cn／）。 初始水位為 2018年太湖實(shí)測(cè)平均水位（3.14 m）。 由于湖區(qū)內(nèi)存在漲落潮現(xiàn)象，流速隨時(shí)間、空間變化較大，因此初始流速設(shè)定為0。模擬時(shí)間與“引江濟(jì)太”時(shí)間一致，為2018年10月23日至 12月 3 日，共 42 d，時(shí)間步長(zhǎng)取 80 s。 風(fēng)向與風(fēng)速取模擬時(shí)間段內(nèi)盛行風(fēng)向（北東）和最高頻率風(fēng)速（5 m／s）。

選取貢湖灣主要污染因子總氮、總磷、氨氮［17-18］作為污染物指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分析，污染物初始質(zhì)量濃度見表1，貢湖灣湖區(qū)及各支流污染物質(zhì)量濃度采用2018年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

表1 研究區(qū)污染物初始質(zhì)量濃度 mg／L

（2）模型率定與驗(yàn)證。 風(fēng)應(yīng)力拖曳系數(shù)為1.8×10-6，河床底部拖曳系數(shù)為32，收斂條件判斷數(shù)（CFL 數(shù)）為0.75，渦黏系數(shù)為0.28，干水深、淹沒水深、濕水深分別為0.006、0.050、0.120 m。 污染物水平擴(kuò)散系數(shù)為 2 m2／s，總氮、總磷、氨氮降解系數(shù)分別取 0.01、0.02、0.04。

模型水動(dòng)力參數(shù)選取2018年10月至12月的平均水位及流速數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，見圖2。 水位、流速模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度較高，平均相對(duì)誤差分別為0.34%、3.1%，能較好反映研究區(qū)實(shí)際情況。 選取貢湖灣6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（WQ1 ～WQ6）作為水質(zhì)驗(yàn)證點(diǎn)，見圖1（b）。 模擬時(shí)長(zhǎng)共 42 d，取前 10 d 的實(shí)測(cè)總氮、總磷、氨氮質(zhì)量濃度代入模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果見圖3。 10 d 內(nèi)6 個(gè)采樣點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差約為12%，在模型可以接受范圍內(nèi)。

圖2 模型水動(dòng)力驗(yàn)證（2018年）

圖3 模型水質(zhì)驗(yàn)證

（3）計(jì)算方案。 為確定風(fēng)生流和吞吐流共同作用對(duì)貢湖灣環(huán)流的影響，共設(shè)計(jì)3 種工況進(jìn)行計(jì)算，其中工況1 僅有風(fēng)生流作用，工況2、工況3 為風(fēng)生流和吞吐流共同作用，望虞河引水流量分別為50、100 m3／s，見表2。

表2 模型計(jì)算方案

2 結(jié)果與討論

2.1 水動(dòng)力結(jié)果討論

將不同工況引水流量代入模型進(jìn)行計(jì)算，得到的不同條件下貢湖灣二維流場(chǎng)見圖4。 由圖4（a）可知，在僅有北東風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)生流作用下（工況1），貢湖灣流場(chǎng)北部為逆時(shí)針環(huán)流、南部為順時(shí)針環(huán)流，這與姜加虎［19］的研究結(jié)果相符。 風(fēng)浪受地形阻擋引起波浪反射與疊加效應(yīng)［6，19］，岸邊形成沿岸流，流速（0.036～0.050 m／s）明顯高于湖區(qū)其他部位的（0.008～0.012 m／s），這與李一平等［20］的研究結(jié)果一致。 由圖 4（b）、圖 4（c）可知，在風(fēng)生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣流場(chǎng)呈現(xiàn)與工況1 類似的環(huán)流，3 個(gè)流場(chǎng)的環(huán)流方向、數(shù)量、位置沒有發(fā)生改變，工況2、工況3 岸邊與湖心的平均流速?zèng)]有發(fā)生顯著變化（岸邊 0.03 ～ 0.05 m／s，湖心 0.01 ～ 0.02 m／s），說明影響貢湖灣流場(chǎng)分布的主要因素是風(fēng)的驅(qū)動(dòng)，主導(dǎo)貢湖灣流場(chǎng)整體分布的是風(fēng)生流，這與周杰源等［4，21］的研究結(jié)果一致。

圖4 貢湖灣流場(chǎng)分布

望虞河入湖口處，工況2、工況3 風(fēng)生流和吞吐流共同作用下的流速（0.130、0.200 m／s）遠(yuǎn)大于僅有風(fēng)生流作用下的流速（0.012 m／s）。 姜恒志等［22］研究表明，太湖吞吐流對(duì)其水流結(jié)構(gòu)的影響不大，但在一定程度上影響出入口處局部區(qū)域流態(tài)。 “引江濟(jì)太”工程望虞河引水流量為 50 ～ 100 m3／s， 秋冬季北東風(fēng)作用下，貢湖灣吞吐流對(duì)流場(chǎng)的改變是有限的，影響區(qū)域主要集中在北部望虞河入湖口區(qū)域。

2.2 水質(zhì)結(jié)果討論

工況2、工況3 條件下貢湖灣總氮、總磷、氨氮質(zhì)量濃度分布見圖5，可以看出，TN、TP、NH3-N 污染帶分布規(guī)律相似。 為方便水質(zhì)分析，根據(jù)污染物質(zhì)量濃度分布，分區(qū)討論研究區(qū)水質(zhì)狀況，見圖6。 由圖5 可以看出，A 區(qū)污染物質(zhì)量濃度整體低于B1、B2 區(qū)的，沿岸污染帶D2、D3 區(qū)污染物質(zhì)量濃度明顯高于貢湖灣其他區(qū)域的，其中D2 區(qū)最高。 入湖口處流速較大，望虞河引水入貢湖灣后主要受南部順時(shí)針環(huán)流影響，而沿岸流的流速大于湖區(qū)其他區(qū)域的，污染物順東部至南部沿岸向下游輸移擴(kuò)散。 總體而言，貢湖灣北部區(qū)域的污染情況較南部區(qū)域輕微，污染物質(zhì)量濃度較高區(qū)域出現(xiàn)在東部至南部沿岸一帶（D2、D3 區(qū)）。

圖5 工況2、工況3 貢湖灣污染物質(zhì)量濃度（單位：mg／L）

圖6 貢湖灣水質(zhì)模型結(jié)果分區(qū)

在南北環(huán)流間隙存在兩個(gè)污染物滯留帶（C1 區(qū)、C2 區(qū)），C1、C2 區(qū)污染物質(zhì)量濃度較其周圍 A、B1、B2區(qū)的更高。 根據(jù)逄勇等［23］太湖風(fēng)生流輻散區(qū)與輻合區(qū)理論，以及貢湖灣北部逆時(shí)針環(huán)流、南部順時(shí)針環(huán)流的水動(dòng)力特征，中間地帶污染物在沿環(huán)流邊界擴(kuò)散過程中，受南、北兩大環(huán)流擠壓作用，以及大貢山、小貢山的地形阻擋，出現(xiàn)污染物堆積、滯留。

工況2 和工況3 條件下，貢湖灣所有區(qū)域TN 質(zhì)量濃度均超出地表水Ⅲ類水限值（1.0 mg／L），表明秋冬季在風(fēng)場(chǎng)和引水影響下，貢湖灣存在嚴(yán)重TN 污染。同時(shí)，25%以上區(qū)域TP 質(zhì)量濃度超出地表水Ⅲ類水限值（0.05 mg／L），其中 C1、C2、D1、D2、D3 區(qū)最為明顯，表明此時(shí)貢湖灣存在較為嚴(yán)重的TP 污染，部分區(qū)域（D2）約為地表水Ⅲ類水限值（0.05 mg／L）的 2 倍。 湖區(qū)NH3-N 質(zhì)量濃度較低，所有區(qū)域NH3-N 質(zhì)量濃度均在地表水Ⅲ類水限值（1.0 mg／L）以內(nèi)。

在工況2 條件下，A 區(qū)TN 質(zhì)量濃度由外環(huán)1.654 mg／L分梯度降至內(nèi)環(huán)1.201 mg／L，B1 區(qū)TN 質(zhì)量濃度由外環(huán) 1.815 mg／L 分梯度降至內(nèi)環(huán) 1.615 mg／L，B2 區(qū) TN質(zhì)量濃度由外環(huán) 1. 855 mg／L 分梯度降至內(nèi)環(huán)1.632 mg／L。 工況3 條件下各污染物質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)類似規(guī)律。 朱偉等［24］對(duì) 2014—2016年“引江濟(jì)太”調(diào)水典型過程中貢湖灣TP 質(zhì)量濃度分析表明，TP 質(zhì)量濃度整體由望虞河入湖口向太湖湖心下降，即貢湖灣南、北兩大污染帶由外環(huán)至內(nèi)環(huán)污染物質(zhì)量濃度呈減小趨勢(shì)。

隨著引水流量由 50 m3／s 增大至 100 m3／s，貢湖灣北部A 區(qū)污染帶TN≤1.35 mg／L 面積由1 574.35 hm2降至651.77 hm2，在 A 區(qū)的面積占比由 26.20%下降至11.06%，其他污染物在A 區(qū)也有類似規(guī)律。 結(jié)合圖7（圖中“*”表示流量100 m3／s，其他為流量50 m3／s）不同質(zhì)量濃度污染物面積占比情況，整體上高濃度區(qū)域面積增大，低濃度區(qū)域面積減小。 B1 區(qū) TN 質(zhì)量濃度1.50～1.65 mg／L占比由 16.46%減小至 4.90%，1.65 ～1.80 mg／L占比由39.79%減小至29.62%，1.80～1.95 mg／L占比由43.75%減少至32.80%，新增了面積為336.61 hm2的 1.95 ～ 2.10 mg／L質(zhì)量濃度帶和面積為 7.98 hm2的2.10～2.25 mg／L 質(zhì)量濃度帶；D2 區(qū) TN 質(zhì)量濃度 2.70 ～2.85 mg／L占比由21.49%增大至33.52%，2.85～3.00 mg／L占比由7.47%增大至10.49%。 TP、NH3-N 也存在類似現(xiàn)象。 可見，在風(fēng)生流和吞吐流共同作用下，吞吐流量增大導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度較大區(qū)域比例增大，質(zhì)量濃度較小區(qū)域比例減小。 2018年秋冬季望虞河水質(zhì)劣于貢湖灣的，在引水流量增大的同時(shí)，入湖污染物通量也增大，部分區(qū)域污染物質(zhì)量濃度相應(yīng)增大，這與姚俊等［25］的研究結(jié)果一致。

圖7 各區(qū)域不同質(zhì)量濃度污染物面積比例

3 結(jié) 論

風(fēng)生流和吞吐流是形成貢湖灣湖泊流場(chǎng)的主要形式。 基于MIKE21 建立了貢湖灣二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，研究了風(fēng)生流、吞吐流共同作用下貢湖灣的水動(dòng)力環(huán)流規(guī)律及流速分布情況，并在此基礎(chǔ)上分區(qū)定量分析了污染物分布特征。 結(jié)果表明：風(fēng)生流主要影響湖區(qū)整體水動(dòng)力流場(chǎng)特征，吞吐流主要影響湖區(qū)污染物濃度分布，對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)的影響僅局限于望虞河入湖口區(qū)域。 秋冬季在風(fēng)生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣呈現(xiàn)北部逆時(shí)針環(huán)流、南部順時(shí)針環(huán)流的水動(dòng)力特征，且沿岸流的形成使岸邊流速更快。 在風(fēng)生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣污染物質(zhì)量濃度呈現(xiàn)南部高、北部低的特征，不同區(qū)域污染物質(zhì)量濃度分布存在空間差異。 秋冬季節(jié)形成的環(huán)流是影響其東部至南部沿岸濃度高于其他區(qū)域的重要因素，并且受大貢山、小貢山地形阻擋的協(xié)同影響，環(huán)流間隙出現(xiàn)兩個(gè)污染物滯留帶。 秋冬季節(jié)貢湖灣污染物以TN 和TP 為主，且大部分區(qū)域超過地表水Ⅲ類水限值，應(yīng)予以關(guān)注。秋冬季節(jié)水質(zhì)相對(duì)較好的貢湖灣接受水質(zhì)相對(duì)較差的望虞河水，隨著引水流量的增大，污染物高質(zhì)量濃度區(qū)域面積增大，低質(zhì)量濃度區(qū)域面積減小，湖區(qū)水質(zhì)變差。 因此需要調(diào)整“引江濟(jì)太”時(shí)段，避免引入污染負(fù)荷較高的河水，造成湖區(qū)污染物質(zhì)量濃度局部升高。