引江济太调水工程对太湖水动力的调控效果

郝文彬,唐春燕,滑 磊,ACHARYA Kumud

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学环境学院,江苏 南京 210098;3.Desert Research Institute,Las Vegas,USA 89119)

引江济太调水工程利用初步建成的治理太湖骨干水利工程体系,调整枢纽工程运行方式,通过长江口常熟水利枢纽和望亭立交水利枢纽工程调度,经望虞河将长江水引入太湖,并通过太浦河由太湖向上海等下游地区供水,以期由此带动流域内其他诸多水利工程的优化调度,加快水体流动,缩短太湖换水周期,缓解地区用水紧张状况[1-2].目前,关于引江济太调水工程对太湖及其周边地区水环境的改善效果存在很大的争议.为了定量地描述其改善效果,运用美国环保局开发的三维水质模型:环境流体动力学模型(EFDC模型),利用三维水量模拟技术来模拟和研究引江济太调水工程中望虞河引水和太湖水体的交换速度和交换程度.利用水龄的概念,一方面描述通过望虞河入湖水与太湖水体的交换速度与交换程度,从而分析引江济太调水工程对太湖水动力过程的改善情况;另一方面,可描述可溶解性污染物在入湖后的迁移特征.

1 研究区域

太湖具有主要环湖河道219条,本研究将环湖河道概化为30条河道(图1),包括主河道、天然河道和人工河道.

河道编号如图1所示.将太湖划分为8个子区域:竺山湖、梅梁湾、贡湖、西北湖区、西南湖区、湖心区、东部湖区、东太湖湾[3].另外,以太湖北部的直湖港(图1中编号9)和南部的鼓楼港(图1中编号20)为界将太湖流域分为上游和下游[4].太湖水体流向是自西向东、自北向南.上游主要入湖河流有从西苕溪水系流入的陈东港(图1中编号2)、太运河(图1中编号7)和长兜港(图1中编号25),它们的入湖流量占太湖入湖流量的80%[5].下游的主要出湖河流有位于东南部的太浦河(图1中编号15)和胥江(图1中编号18).每年通过望虞河直接向太湖调入的总水量为0.8亿m3(相当于太湖总水量的 1/6),平均调水流量为 20～240m3/s[1,6].太湖流域夏天的主导风向是东南风,平均风速为3.5～5.0 m/s.

图1 计算区域概化图Fig.1 Schematic map of computational area

2 研究方法

2.1 数学模型

秦伯强[7]进行太湖水动力模型研究后指出,太湖表面流场与风向一致,而底层流场与表面流场的方向完全相反,表现为明显的补偿流,而且在风场作用下可产生垂直环流系统,所以使用简单的二维模型来研究太湖水动力是不够精确的,应当采用垂向分层的三维数学模型来模拟太湖水体的水动力情况.笔者用EFDC模型来模拟水位、流量、水龄.EFDC模型可以模拟河流、湖泊、河口、水库、湿地和沿海地区表层水体的三维流量、营养盐输送和生化过程.该模型基于笛卡尔正交曲线和垂直 σ坐标系统的有限差分方法对方程进行求解[8-9].水龄定义为颗粒物从入口传输到指定点的时间(往往入口的水龄设为零).水龄越大,说明水体运动越慢,水体被交换程度越弱;反之亦然.水龄计算公式见文献[5].

2.2 模型的建立

用笛卡尔直角坐标网格建立太湖水动力模型,水平面总计4465个网格,每个网格单元边长相当于实际长度750m.为了较好地模拟湖底地形,垂直方向采用σ坐标,分为3层.用湖底和表层水体厚度来定义垂向网格的高度.每个网格的初始平均水深从岸边的0.5m到湖中心地区的2.5m.根据流体静力学连续性和避免产生σ坐标带来的压力梯度错误,应使湖底坡度小于0.33m[5].EFDC模型以大气、表面风力和出入湖流量为动力边界条件.出入湖河流边界条件为30条河流(图1),将剩余的小河就近并入邻近主河道.日降雨量数据是太湖附近8个监测站获取的数据平均值.每日风速风向数据从中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖站的气象中心(靠近图1中监测点C)获得.

初始条件设置了水位、流量和水龄.在假设湖面水平条件下,初始水位设置为模拟时段第1天的平均值.水深是根据水位和湖底高程得出的,并且设置初始流速为0m/s.在入湖河流入口处连续释放的示踪剂在任意单元格的质量浓度设为单位1.水龄主要取决于调入的净水量和湖面的风场.为了确定调水量对水龄的影响,设计了一系列方案(15个,表1)进行计算.方案1是对2005年水体流速和风场的分析;方案2依然采用2005年水体流量数据并假设没有调水和风场的情况;方案3～6系考虑望虞河在没有其他出入湖河流的理想状态,根据2005年观测值,流量50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s分别代表望虞河低、中、高和极高流量;方案7～14通过设置8个不同风向来模拟风向对湖体水龄的影响;方案8～15计算了在夏季主导风向——东南风情况下风速对水龄的影响.所有方案所采用的模型及参数都是一致的,时间步长取为100s,共计算365d.

3 模型率定

对于数值模型,通过对模型进行灵敏性分析来阐明模型参数取值对模型结果的影响十分重要.由于水流运动的物理特性已经十分成熟,在EFDC模型的应用中,模型中大部分物理参数都未作改变.例如,Mellor-Yamada紊流模型[10]中有关的参数与其他水力模型(如普林斯顿海洋模型[11]与河口海岸海洋模型[12])中所设置的参数是一致的.类似地,Smagorinsky公式[8]中的量纲黏度系数是恒定的,取0.2[13].本模型确定100s的时间步长来保证模型运行的稳定性.

在水位率定过程中,经常需要调整的参数是底部粗糙高度Z0,该系数一般取0.02m[9,12].本模型中该参数的默认值也设为0.02m.研究表明,粗糙高度的明显变化对模型运行结果中的水深和流速所造成的影响很小.水面高程和流速的均方根误差小于1%.湖泊的水深主要受风场、降雨和支流影响.运用以上参数计算2005年太湖的水位和流速,模拟结果与太湖4个监测站(大浦口、夹浦、小梅口和西山)的实测值吻合较好.灵敏度分析结果显示,支流的入流和出流对湖泊的纵向流速影响不大,风场对流速分布有较大影响.进行流场率定使用2001年4月12—14日和8月15—19日的湖区流场监测结果,率定结果表明模型模拟结果整体上反映了太湖风生湖流的特点.

表1 模型计算方案Table 1 Model simulation scenarios

4 讨 论

4.1 环湖河道对太湖水龄的影响

为了研究环湖河道对太湖水龄的影响,模型假设风速为零,在其他条件与方案1相同的情况下进行模拟,219d和365d的水龄用于代表夏天大流速和冬天小流速的情况.冬季和夏季的模拟结果表明:(a)西北湖区、竺山湾、梅梁湾和贡湖等水龄较小,这些湖区都与主要入流河流相连接,并且水龄从入口到湖心依次增大.(b)湖心区、东部湖区和东太湖湾的部分区域水龄较大.(c)模拟区最小的水龄小于10d,最大的水龄超过350d,表明入流支流对水龄分布具有很大影响,尤其是在河道的入湖口处.同时也说明湖体水龄存在很大的时空差异,不同湖区的水龄存在很大的差别,这种差别主要与入湖河道的位置以及风场等因素密切相关.

4.2 引江济太调水工程对太湖水龄的影响

为了评估引江济太调水工程对太湖水动力改善所起的作用,结合目前的实际调水流量,考虑望虞河4种不同流量入湖的情况,即50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s(方案3～6,表1),并假定没有风场的影响,假定除了望虞河和太浦河外没有其他支流影响.为保持湖泊水位变化幅度不大,各方案中太浦河的流量与望虞河保持一致.模型除了表1所示的望虞河、太浦河流量,以及风速、风向等驱动条件不同之外,其他条件和参数设置与方案1相同,模拟时长均为365d.

第365天的模拟结果(模型模拟的最后一天结果)表明(图2),望虞河流量分别为50m3/s,100m3/s,150m3/s和200m3/s时湖区水龄平均值小于360d所占的比例分别为26%,53%,71%,78%.该比例随着望虞河引水流量的增加而升高,说明水量越大则交换越快.然而,比例变化的幅度在不同的方案下不尽相同.从图2可以看出,当望虞河入湖流量从50m3/s增加到200m3/s,以50m3/s的幅度增加时,水龄小于360d的区域所占比例分别增加了27%,18%和7%.可见当望虞河引水量从50m3/s增加到100m3/s时水龄获得了最大的变化率,而入湖流量从150m3/s增加到200m3/s时水龄变化率最小.结果表明,考虑到投入产出比,引水工程对改善湖体水动力及水循环效果最佳的流量为100m3/s.另外,从空间分布来看,水龄较小的区域从贡湖蔓延到附近的区域(水龄小于30d),再到整个湖心区(直至水龄等于360d).然而,梅梁湾、竺山湾和西南湖区水龄保持不变(水龄最大的为365d).说明引江济太调水工程对于改善贡湖、湖心区及东部湖区的水循环有很大的促进作用.然而,对于改善梅梁湖、竺山湖及太湖西岸的帮助不大,而这几个湖区刚好是太湖水体的重污染区.综上所述,引江济太调水工程能够改善太湖部分湖区的水动力特征,而不是整个太湖的水动力特征.

图2 模型模拟第365天时望虞河在不同入湖流量条件下的水龄分布(单位:d)Fig.2 Distributions of water age for different discharges from Wangyu River into Taihu Lake on 365th day simulated by model(Unit:d)

4.3 风场对太湖湖体水龄的影响

太湖是典型的风生流湖泊,所以评估其风场对水龄的影响十分重要.笔者模拟了恒定风速5m/s时8种不同风向下(表1中方案7～14)太湖湖体水龄的分布情况.位于梅梁湾内的监测点C和位于湖心区的监测点B(位置见图1)分别用来代表半封闭湖区和开放湖区.模拟结果表明:在相同风速、不同风向下2个监测点的水龄差别较大.对于监测点B,水龄最大达到335d(西北风状况)和305d(东南风状况),最小为207d(西南风状况)和254d(西北风状况).而对于监测点C,最大的水龄为305d(东北风状况)和300 d(西南风状况),最小为169d(西北风状况)和174d(东南风状况).对同一监测点,由于风向引起的水龄差别超过100d,而在空间分布上不同监测点的水龄变化超过了150d,因此风向对水龄的时间和空间分布均具有重要影响.由于在太湖东部湖区有7个水厂取水口(图1),故笔者研究了风场对该饮用水源区域水龄的影响.研究结果表明西北风和东南风有助于梅梁湾的水体交换.在东南风时,梅梁湾、竺山湾和湖心区北部的区域水龄较小(小于200d),西北湖区、西南湖区和东部湖区的水龄较大(250～365 d).西北风时,东南湖区的水龄较小(小于220d),西南湖区的水龄较大(365d).湖区水龄较小的区域均接近7座水厂的取水口,表明西北风是引江济太调水工程对饮水水质改善最有效的风向.

5 结 论

引江济太调水工程对太湖所产生的影响可通过水龄的时空分布来反映.总体来说,风场和环湖河道对太湖水龄的时空分布产生重要的影响,水龄在时空分布上具有很强的异质性.引水工程实施后,能有效地改善贡湖、湖心区及东部湖区的水动力特征,促进湖体的水循环.然而,其对改善梅梁湖、竺山湖及太湖西岸的水动力状况帮助不大.综上所述,引江济太调水工程能够改善太湖部分湖区的水动力状况,而不是整个太湖的水动力状况.当太湖湖面风向为东南风——夏季主导风向时,重污染湖区梅梁湾能够有效地与引入的水流进行交换,说明就风场条件而言,最佳的引水时机为夏季.另外,考虑到投入产出比,引水工程对改善湖体水动力及水循环效果的最佳调水流量为100m3/s.总之,引江济太调水工程仅能改善局部湖区的水循环特征,而不是整个太湖.因此,引江济太调水工程可当作紧急情况下的应急措施,而不是解决太湖水体污染的根本措施.另外,在实施引江济太调水措施时,要控制入湖水质,保证其优于太湖水体水质,否则将达不到预期的效果.

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