新沟河排水对太湖水环境影响研究

陈 翔,陈江海

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

前 言

太湖流域地处长江三角洲南翼，人口众多，产业密集，城镇化率极高，是我国经济最发达、大中城市最密集的区域之一。近十年来，国家高度重视太湖流域水污染防治和水环境综合治理工作，流域污染源得到一定程度控制，流域河湖水质呈现总体趋好的良好态势。但由于太湖整体水动力条件较弱，同时流域污染物排放量远超过水体纳污能力，蓝藻水华事件时有发生，以太湖为核心的流域水环境保护形式依然严峻，位于太湖西北区的梅梁湖水质污染尤为严重，2018年水质为Ⅴ类[1]。研究探索基于太湖水动力提升改善太湖水环境是太湖治理的重要思路，主要技术方案包括调水引流、筑岛筑堤、地形塑造等，除筑岛筑堤[2]外，调水引流、地形塑造等工程在太湖水环境治理中均有应用，新沟河延伸拓浚工程是太湖流域新实施的引排水项目，研究工程实施对太湖水环境改善效果，是工程效益评估的重要一环，对后续优化调度也具有重要价值。

新沟河延伸拓浚工程是《太湖流域水环境综合治理总体方案》规划实施的提高太湖水环境容量(纳污能力)6项引排工程之一[3]。工程地理位置及总平面布置见图1。新沟河工程的主要任务之一是通过东支河道将水质较差的梅梁湖水外排，最大外排流量50 m3/s，促进太湖特别是梅梁湖区水体流动，进一步改善水质环境；同时结合望虞河等引水工程，进一步优化太湖引排格局。本文通过Mike21[4]建立太湖二维水动力水质数学模型，深入分析新沟河工程实施后对太湖水动力及水质环境的影响。

图1 新沟河工程地理位置及总平面布置Fig.1 Geographical position and general layout of xingou River project

1 数学模型

1.1 基本方程

基于不可压缩的N-S水流方程，通过静水压强假定导出三维水流运动方程，三维水流方程进行垂向积分后得到目前广泛应用的二维水流运动基本方程：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；u、v分别为x、y方向的垂线平均流速分量；H为全水深，H=h+ζ，h为基准面以下的水深，ζ为自由水面到基准面的距离；q为单宽流量；g为重力加速度；ρ为水的密度；f为科氏力系数，f=2Ωsinθ，Ω为地球自转角速度，θ为计算水域的地理纬度；α为水流粘性系数；τxs、τys为水面风摩阻，τxb、τyb为水底摩阻[5]。

描述污染物在水流中扩散的基本方程为：

(4)

式中：c为污染物浓度；Dx、Dy为x、y方向的扩散系数；k为综合降解系数；S为源汇项。

1.2 模型计算范围和网格

本次计算范围为整个太湖，采用太湖1∶50 000水下地形资料，局部水域采用最新地形资料进行修正，计算范围及地形见图2。根据太湖地形特点，采用矩形网格划分，空间步长500m，网格数为142×142。计算区域网格划分见图3。

图2 计算范围及地形图Fig.2 Calculation range and topographic map

图3 计算区域网格划分图Fig.3 grid division diagram in calculation range

1.3 参数选取

模型初始水位按太湖多年平均水位取为3.11m，太湖典型风况下风速为4.1m/s，风向为SE。降雨与水面蒸发均按多年平均值考虑。曼宁系数取0.025～0.300。对太湖水量的影响主要为环湖口门的吞吐流(旁流)。旁侧入流采用环湖主要口门近年实测出入湖流量，包括望虞河、武进港、直湖港、太浦河等。水质模块中边界条件采用环湖主要口门近年实测入湖污染物量，扩散系数取17 m2/s，CODMn衰减速率取0.008～0.001 (1/d)，单位面积底泥释放磷的速率SP为0.442～0.581(mg/m2·d)，单位面积底泥释放氮的速率SN为3.09～5.79(mg/m2·d)，磷的沉降速率Pj为0.03(1/d)；脱氮速率常数Pk为0.02(1/d)[6]。

1.4 模型验证

由于太湖实测流速资料较少，主要对太湖流场、重点是环流形态进行验证。图4为本次模拟得到的太湖流场，图5为其他学者研究得到的太湖流场[7～11]，东南风作用下，环流形态与其他学者的研究基本一致，4～5m/s风速下，流速约在3cm/s左右，也与其他学者研究一致。说明本次所建水动力模型可靠，计算结果可信，可用于太湖水动力研究分析并为水质计算提供基础。

太湖水质模拟对CODMn、TP、TN等主要指标进行验证，验证资料为近年太湖各湖区年平均污染物浓度。验证结果见表1，竺山湖、梅梁湖以及湖心区的CODMn、TP、TN模拟结果与实测误差均在15%以内，太湖平均水质模拟结果与实测值基本一致，误差仅为3%左右，各湖区及太湖平均水质类别均与实测一致。表明本次建立的水质模型能较好的反映太湖水质分布状况，可进一步用于太湖水质的相关研究分析。

图4 太湖流场模拟结果Fig.4 Simulation results of flow field in Taihu Lake

图5 太湖流场分布(秦伯强 著)Fig.5 Flow of Tuoshan section before and after drainage of Xingou River

表1 各湖区年平均水质验证结果Tab.1 Verification results of annual average water quality in each lake area

1.5 太湖水动力水质特征分析

根据水动力模拟结果，风场作用下，太湖存在多个不同尺度的环流。太湖西岸出现一个较大尺度的顺时针环流，东岸对应出现一个逆时针环流，两个环流几乎覆盖了整个太湖。湖心区域存在多个相互“齿合”的小环流，此外，贡湖和梅梁湖内均存在小尺度逆时针环流。风为太湖水体流动的主要驱动力之一，总体上太湖水动力条件较弱，水深总体较浅(平均水深1.89m)，因地形因素影响呈现复杂的风生环流形态，对污染物输移扩散较为不利，容易造成局部重污染。

从太湖水质结果分析来看，竺山湖、梅梁湖水质要劣于湖心区，是太湖水质污染最严重区域，一方面与近岸污染有关，另一方面也是湖湾水动力较弱、与湖心水体交换较少导致的。因而通过新沟河工程外排梅梁湖水提升湖湾水动力、增强与湖心水体交换，对改善梅梁湖水质具有积极效益。

2 影响分析

2.1 水动力影响

梅梁湖经新沟河东支河道排水前后的流场见图6和图7，由于排水规模为50m3/s，相对整个太湖水量而言规模较小，因而排水对整个太湖流场的影响不大，梅梁湖湾顶排水口区域流态发生变化，但未改变环流形态。

图6 新沟河排水前湖区流场图Fig.6 Flow field map of lake area before Xingou River drainage

图7 新沟河排水后湖区流场图Fig.7 Flow field map of lake area after Xingou River drainage

经计算分析，梅梁湖通过新沟河排水时，经拖山断面(宽约8.4km)进入梅梁湖的流量由排水前的117.1m3/s增加至135.0m3/s，增幅为15.3%；经拖山断面流出梅梁湖的水量由排水前的116.5m3/s减小至84.5m3/s，减幅为32.1%；同时梅梁湖换水周期较排水前缩短了13.3%(见表2)。因而，新沟河排水有效带动了梅梁湖水体流通，换水周期显著缩短。

表2 新沟河排水前后拖山断面进出流量表Tab.2 Comparison of water quality before and after the project

2.2 水质影响

实施排水后，由太湖湖心区域进入梅梁湖湾内的干净水体显著增加，由梅梁湖湾内流入太湖湖心的污染水体大幅减少，促进了水体的良性置换，同步减少了梅梁湖区及太湖总体污染负荷，对梅梁湖区及太湖水质环境改善具有重要意义。

排水前后水质变化见表3，与现状相比，梅梁湖区域CODMn、TP、TN分别下降30.1%、33.3%、49.5%；竺山湖区域CODMn、TP、TN分别下降5.1%、0%、17.1%；贡湖区域受影响很小，TN下降0.5%，TP没有变化，CODMn上升0.3%，水质基本与工程前一致，主要是因为望虞河引长江水源源不断注入贡湖，使该区域水质始终保持较好；湖心区域CODMn、TP、TN分别下降2.9%、12.5%、10.0%；太湖平均CODMn、TP、TN分别下降4.0%、12.5%、12.6%。可见，梅梁湖排水对梅梁湖、竺山湖以及整个太湖水质改善起到明显作用。

表3 工程前后水质对比Tab 3 Comparison of water quality before and after the project

3 结 论

新沟河工程实施后，梅梁湖经新沟河向外排水，梅梁湖水体流通性得到显著增强，经拖山断面进入梅梁湖的水量增加15.3%，经拖山断面流出梅梁湖的水量减小27.5%，梅梁湖换水周期缩短13.3%，有效促进了太湖水体的良性流通。梅梁湖主要污染物浓度下降30%以上，太湖平均污染物浓度下降10%左右，梅梁湖以及太湖水质环境得到显著改善。因而，新沟河外排梅梁湖水对太湖尤其是梅梁湖的水动力水质环境改善具有重要作用。

后续，可进一步研究新沟河不同排水规模、排水频次对太湖水环境的影响，以及结合望虞河引水，探讨在新的引排格局下太湖水动力环境的改善效果，提出针对不同情境下的最佳引排水调度策略，为太湖水环境改善提供技术支撑。