太湖竺山湖湖流和水体迁移规律研究

2020-07-01韩景

水利规划与设计 2020年7期

韩景

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

太湖是中国第三大淡水湖泊，是太湖流域水生态系统和水调节的中心。太湖水面积 2338km2，多年平均蓄水量 44.28 亿 m3[1]。太湖可分为8个湖区，中间是湖心区，四周沿逆时针方向分别为竺山湖、西部沿岸区、南部沿岸区、东太湖、东部沿岸区、贡湖和梅梁湖[2]，湖区分布如图1所示。

图1 太湖湖区分布

竺山湖位于太湖西北角，为半封闭型湖湾，以自然的山体为湖岸线，行政隶属常州武进区和无锡宜兴市。竺山湖湖区面积68.3km2，为太湖总面积的2.9%。竺山湖是水质最差的太湖湖区，水体呈中度富营养状态。

学者们对于太湖湖流的模拟研究已有几十年，技术日益成熟，应用日趋广泛。王谦谦[3](1987)等人建立了太湖二维湖流整层积分模式；吴坚(1987)等人为了研究湖流的垂直差异特性，提出了太湖三维湖流数值模式；胡维平[4](2000)等人用太湖三维湖流数值试验方法研究了马山围垦对太湖湖流的影响；展永兴[5](2010)利用太湖二维水动力模型，研究分析太湖流域水环境综合治理中调水引流工程的实施效果；魏清福[6](2013)采用太湖二维湖流数值模型，探讨了马山内河规模对梅梁湖和竺山湖的水动力和水环境的影响；朱勇[7](2014)采用丹麦自主研发的MIKE 21 二维水动力数学模型，计算整个大太湖的水流和水质，研究了新孟河延伸拓浚工程对太湖水环境和水资源的影响。三维模式计算比较精细，但是对计算机配置和计算时间要求较高；太湖水面宽阔且水深较浅，水平尺度远大于垂直尺度，二维模式的计算精度和时间基本可以满足使用要求，应用更为广泛。

以上学者均把竺山湖作为太湖的一个部分参与模拟研究，受研究目的和空间分辨率的限制，仅对竺山湖的湖流特征进行简要分析，没有研究竺山湖水体运动轨迹。本文采用二维水动力数值模型，以竺山湖为主要研究对象，详细探讨不同风况条件下的竺山湖湖流和水体迁移规律，以便进一步研究竺山湖污染及悬移物质的迁移扩散规律，从而为竺山湖退圩还湖、生态修复、水环境治理等工程提供科学依据。

1 研究思路和方法

1.1 模型介绍

湖泊二维水动力模型基于Boussinesq假定和静压假定的二维不可压雷诺平均N-S方程[8]，可用于计算各种不同作用力引起的水位和水流变化。方程采用单元中心的显式有限体积法求解，可以保证水量和动量在计算域内的守恒[9]。模型采用由三角形或四边形组成的非结构网格，可以更准确地拟合复杂岸线。同时利用干湿网格判断法处理岸滩边界的移动，增加模型稳定性。

太湖等浅水湖泊的垂直尺度远小于水平尺度，流速、流向等水力参数沿垂直向的变化较之沿水平向的变化要小很多[10]，可以将三维控制方程沿水深积分，从而得到沿水深平均的二维浅水控制方程组，包括；连续性方程和动量方程。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

1.2 计算范围及网格

太湖地形比较复杂，研究竺山湖地区水域水动力，离不开整个大太湖的水动力研究，因此本次计算范围为整个太湖。

根据太湖的地形特点和计算要求，网格划分采用三角形网格，根据地形和岸线特点及研究目的进行网格设置。竺山湖区域网格尺寸为10～30m，其他湖区网格尺寸为100～200m，网格总数为24512个。太湖模型计算范围及网格示意图如图2所示。水下地形资料以太湖1∶50000～1∶10000水下地形资料为主，如图3所示。

图2 太湖模型计算范围及网格示意图

图3 太湖水下地形示意图

1.3 模型设置

旁侧出入流采用环湖主要口门平均出入湖流量，流量按照太湖流域相关规划中的走马塘拓浚延伸[11]、新沟河延伸拓浚[12]、新孟河延伸拓浚[13]、望虞河西岸控制等工程都实施后的情况考虑。

模型计算中对环湖225个口门按出入湖特点概化为22个，其中包括望虞河、太浦河、漕桥河、殷村港等。

初始水位取全太湖平均水位3.11m，降雨与水面蒸发按太湖多年平均取值，风条件取太湖区域平均风速4.1m/s，风切应力系数取为0.0026；曼宁系数取为0.025～0.30。

本模型计算成果与实测数据和国内外相关研究成果基本吻合，可应用于太湖湖流的研究。

2 结果与分析

2.1 湖流

计算湖流采用的风况包括无风、定常东南风和定常西北风，对应的太湖和竺山湖流场分布见如图4—9所示。

太湖地形和形态特殊，东北部湖岸曲折多湖湾，西南部湖岸平滑呈圆弧形，太湖内部岛屿和出入湖口门众多，所以太湖湖流比较复杂。无风条件下，太湖以吞吐流为主，入湖流量较大的口门附近流速较大，其他区域流速较小；东南风条件下，太湖湖流的流场分布受地形、风速、风向及出入湖流的共同影响，以风生流为主，太湖形成以西南部为中心的主回流场和湖湾内若干副回流场，太湖西南侧以大雷山为中心有一个比较大的顺时针环流，而东侧有一个更大的逆时针环流，两个环流几乎覆盖了整个太湖，两个环流的“齿合”处在大雷山与小雷山的东南侧，东侧大逆时针环流中还有众多相互“齿合”的小环流；西北风条件下，太湖形成以西南部为中心的主回流场和湖湾内若干副回流场，环流和沿岸流方向与东南风作用时相反。

竺山湖形似一个倒立的花瓶，瓶颈位于西岸竺山咀和东岸胥山的连线上，以瓶颈为界可将竺山湖分为南北两部分，瓶颈的存在是竺山湖湖流不畅的一个重要因素。无风条件下，太湖以吞吐流为主，入湖流量较大的漕桥河、殷村港等的口门附近流速较大，其他区域流速较小，竺山湖平均流速为0.017m/s；盛行东南风条件下，竺山湖以风生流为主，湖区北部形成两个主要环流，西侧为顺时针方向，东侧为逆时针方向，东侧环流范围比西侧稍大，中间流速大，东西两侧流速小，两侧沿岸水流流向都是由南向北，湖区南部东、西两侧以沿岸入流为主，分别呈逆时针、顺时针流向，在中部汇集北部湖流，流入大太湖，总体流态复杂，存在多个缓流区，竺山湖平均流速为0.031m/s；盛行西北风条件下，竺山湖流态与东南风时差别较大，湖区北部无明显环流，湖流形态与右倾的字母Z近似，中间流速小，东西两侧流速大，两侧沿岸水流流向都是由北向南，湖区南部大部分区域流速较小，大部分湖水顺着东部沿岸流入大太湖，竺山湖平均流速为0.028m/s。

图4 无风条件下太湖流场

图5 东南风条件下太湖流场

图6 西北风条件下太湖流场

图7 无风条件下竺山湖流场

图8 东南风条件下竺山湖流场

图9 西北风条件下竺山湖流场

2.2 水量交换

统计不同风况条件下竺山湖口断面的进出流量，详见表1。

表1 竺山湖和大太湖流量交换统计表单位：m3/s

无风条件下，从竺山湖进入大太湖的流量为131.9m3/s，没有水从大太湖进入竺山湖；盛行东南风条件下，从竺山湖进入大太湖的流量为283.9m3/s，从大太湖进入竺山湖的流量为152.0m3/s，净出竺山湖流量为131.9m3/s，每年净出竺山湖水量约为41.6亿m3；盛行西北风条件下，从竺山湖进入大太湖的流量为194.7m3/s，从大太湖进入竺山湖的流量为62.8m3/s，净出竺山湖流量为131.9m3/s，每年净出竺山湖水量约为41.6亿m3。

竺山湖和大太湖的水量交换受湖流影响明显，净出竺山湖流量主要取决于竺山湖口门的吞吐流量。东南风产生的环流使竺山湖和大太湖的水量交换更充分，但不同风况下的净出湖流量相同。根据竺山湖容积和出湖流量估算竺山湖水体的平均换水周期约为10d，但由于竺山湖环流众多，流速分布不均，不同区域水体的换水周期差别很大。越靠近环流中心流速越小，换水周期越长，易发生水华等问题。

2.3 水体迁移

在竺山湖平均分布30个水质点，通过水质点的运动轨迹分析竺山湖水体的迁移规律。模拟的基本风况包括无风、定常东南风和定常西北风，因为蓝藻等现象在夏季发生频率较高，所以增加计算夏季实际风情况。以2010年夏季风数据为例，7—8月的最大风速为12.8 m/s，7—8月的平均风速为3.9m/s，西北风频率很低，东南风、东东南风和东风频率较高。夏季实际风过程线如图10所示，夏季实际风玫瑰如图11所示。不同风况条件下的水质点迁移轨迹如图12—15所示，图中淡蓝色线表示竺山湖水质点在60d内运动的轨迹，彩色圆点表示水质点的瞬时位置。

图10 夏季实际风过程线

图11 夏季实际风玫瑰

无风条件下，竺山湖水体平顺缓慢地往南运动，经过约60d时间可到达湖心西部；盛行东南风条件下，水体运动轨迹受环流影响，竺山湖水体主要往南运动，到南太湖沿岸后分为两部分，一部分水体往东流入东太湖，另一部分水体往西按顺时针方向依次流入南部沿岸区、西部沿岸区、湖心区西部，最终再流入东太湖，最早到达东太湖的时间小于60d；盛行西北风条件下，水体运动轨迹受环流影响，竺山湖水体在竺山湖出口处分为两部分，一部分水体往东依次流入梅梁湖、贡湖、湖心区、东部沿岸区，最终流入东太湖，另一部分水体往西依次流入西部沿岸区、南部沿岸区，最后流入东太湖，最早到达东太湖的时间小于60d。

夏季实际风条件下，由于西北风频率很低，东南风、东东南风和东风频率较高，所以竺山湖水体的运动轨迹与定常东南风条件下的运动轨迹相似。水体总体往南运动，由于风速风向随时间变化，水体运动轨迹比较不规则，有震荡现象，经过约60d时间到达南太湖沿岸，分为两部分，一部分水体往东流入东太湖，另一部分水体往西按顺时针方向依次流入南部沿岸区、西部沿岸区、湖心区西部，最终再流入东太湖。

太湖的湖流比较复杂，所以竺山湖水体离开竺山湖后的运动轨迹比较复杂。不同风况条件下，竺山湖水体都会经过其他湖区到达东太湖，无风时到达时间最长，东南风时到达时间最短，西北风时竺山湖水体流经的湖区最多。