吞吐流对湖泊流场及特征污染带模拟分析

赵宇巍，李翠梅，肖昭文，秦高峰

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.中建八局第三建设有限公司，江苏 南京 210046；3.昆山市自来水集团有限公司，江苏 昆山，215300）

浅水湖泊的水动力条件的影响因素较多[1]，而吞吐流是浅水湖泊流态形成的重要组成部分，湖水受到压力梯度作用，径流进入湖泊会导致湖泊水面倾斜，进一步产生重力水平分力而改变原有水体的运动状态。

目前较多学者对河流、湖泊进行二维水动力及水质进行模拟分析。国外Murthy、Endoh早在上个世纪八十年代对安大略湖和日本琵琶湖建立了数值模拟研究[2]，国内李一平等学者对于太湖及望虞河引水工程已有较多研究分析[3-6]，杨倩倩等通过对比分析夏季短期调水前后的水体理化指标和藻类群落数量的关系，发现调水会对湖区藻类群落结构产生明显影响[7]。刘福兴等通过WQI评价了贡湖湾的水质状况，发现在水质具有季节性、区域性差异[8]。多为调控对水体的影响因素研究，却较少从数值模拟分析吞吐流对贡湖湾湖泊流场及特征污染带的影响。

本文着重聚焦于太湖的自然条件、水动力因素、流态特征与水环境的时空变化联系来展开研究，通过建立数值模型流体仿真的手段，分析与模拟太湖吞吐流污染物的转输与衰减过程，为太湖的水环境研究及污染治理提供科学依据。

1 研究区域概况

贡湖湾处于苏州和无锡的交界处，属于太湖东北部，长约19 km，宽7~8 km，面积约164 km2，是“引江济太”接纳长江水的直接受体，同时也是苏州和无锡重要的水源地。根据《太湖健康状告报告》（2015—2018年）显示：太湖总磷为Ⅳ类，总氮为Ⅴ类，且湖体为中度富营养，较往年报告太湖健康状况有明显改善，说明太湖流域水环境综合治理有一定的效果，因此进一步研究水体交换作用对保障贡湖湾水质稳定达标尤为重要。

2 材料和方法

2.1 模型建立

湖泊研究主体为贡湖湾，垂直尺度远小于水平尺度。MIKE可模拟河道、湖泊各项水力条件及水质的变化情况[9]，模型中将所有垂直于边界流动变量为零的陆地边界定义为闭合边界，开边界条件用于指定研究对象的某一流量过程或是水位过程，将研究对象的湖岸线定义为闭合边界，贡湖湾和太湖的交接处作为开边界，该处理可以极大地保证水域沿岸处的动量方程求解的稳定性。在Surface Water Modeling System（SMS）中对贡湖湾区域进行非结构化三角网格划分，内角范围控制在10°~130°之间，相邻有限元的面积比控制在0.5~2之间，两单元之间的地形最大坡度小于10%。其中网格数为7 770个，4 052个节。

2.2 数据来源及初始数据输入

主要模型参数基于太湖流域管理局公布的数据，均为保证模型计算稳定、收敛调整校核最优值。除望虞河外，其它三条河流与太湖水体交换能力较差且河流入湖断面严格把控，根据贡湖湾水循环实际状况，选取与湖湾相连的蠡河、望虞河、大溪港、金墅港四条河流做源项处理，输入流量分别为0.5、0.3、0.8 m3/s。初始流速为0 m/s；初始水位为太湖常年平均水位3.14 m；底部拖拽系数初始取值由于大型浅水湖泊地势平坦，往往采取经验值，通过模型校核确定底部糙率n为32；CFL数为保证计算结果收敛，经调整校核确定为0.75；涡粘系数一般可用于降低模型的不确定问题，经校核为0.28 m2/s。

将贡湖湾的点源污染概化为金墅港、望虞河、蠡河和大溪港四个输入点，其中望虞河为“引江济太”的调水入湖唯一途径。模型中考虑了内源污染和降尘、点源、面源诸多影响因素。基于2008—2018年太湖流域水文水质监测中心公布的数据，统计分析污染物入湖情况，见表1。各项水质指标的模拟初始浓度采用2018年贡湖湾的实测平均值，TN：2.17 mg/L,TP：0.07 mg/L,NH3-N：0.71 mg/L。通过模型的率定确定水平扩散系数E=2 m2/s，降解系数K20TP=0.02、K20TN=0.01、K20NH3-N=0.04。

表1 污染物入湖情况

2.3 模拟工况设计

贡湖湾产生吞吐流的主要因素为“引江济太”调水工作。如表2所列，根据太湖流域管理局公布的《引江济太报告（2015—2019年）》，这五年望亭水利枢纽的调水工作，每年大致为两个阶段，且流量多为50~100 m3/s[10]。故本文结合实际调水工作对贡湖湾吞吐流流态下湖泊流场分布模拟演练，将整个模型划分为以下几个工况进行水动力模拟，水质模型工况假定流态稳定、净入湖污染负荷稳定，见表3。

表2 2015—2019年望亭水利枢纽调水情况表

表3 模拟工况表

3 结果和讨论

3.1 模拟率定与验证

为使模型能较好反映贡湖湾的流场情况，采取湖泊水体流速验证法、水位序列验证法两种方式进行验证。本文采用2018年11月至12月实测点水位序列验证模型水位计算结果，采用10次无风或微风实测流速验证模型流场计算结果。模型验证点具体位置如图1所示，验证结果如图2所示。水位验证点的平均相对误差为0.31%，流场验证的平均相对误差为2.44%；水质验证点的TN、TP、NH3-N的平均相对误差分别为2.39%、5.39%、5.43%，皆小于10%，模型能较好反映贡湖湾的实际流场情况。

图1 水位及水质验证点分布图

图2 模型验证结果

3.2 吞吐流影响下水动力分析

吞吐流会对贡湖湾局部流场造成明显的影响。在假定静风状态下，望虞河引水流量100 m3/s下，其入湖口处最大流速达30 cm/s，离望虞河入湖口较远的区域流速降至1 cm/s，再往远处逐渐降至0.1 cm/s，直至更远处的西南区域低于0.1 cm/s（见图3）。这是因为未形成稳定环流时，离入湖口处越近的地方流速越大，会对北部湖流有较明显地推动，逐步远离入湖口的西南区域流场受吞吐流影响递减。这与吴坚等人[11]、王震[12]、周杰源等人[13]的研究结果一致。

吞吐量的增加会相对改善低流速区域面积。图3中A区域表示贡湖湾大部分区域的流速低于0.1 cm/s，水体流动性较差。对比图3三个不同工况下，发现随着引水流量的增加A区域明显缩小，在流量50 m3/s下，湖区流速小于0.1 cm/s的面积约为101.20 km2，大于2 cm/s的面积约为0.70 km2；在流量80 m3/s下，湖区流速小于0.1 cm/s的面积约为80.18 km2，大于2 cm/s的面积约为5.31 km2；在流量100 m3/s下，湖区流速小于0.1 cm/s的面积约为62.63 km2，大于2 cm/s的面积约为8.30 km2。工况2较工况1，湖区流速小于0.1 cm/s的面积减少幅度约为12.82%；工况3较工况1，湖区流速小于0.1 cm/s的面积减少幅度约为23.52%。从这一角度证明“引江济太”工程对贡湖湾的水动力条件有一定改善作用，可大大增加水体流动性。

图3 静风下望虞河不同引水流量流速分布图

3.3 吞吐流影响下水质分析

根据工况1、2、3的水动力模拟结果，将贡湖湾划分成三个区域进行水质分析，如图4所示。其中区域A为距望虞河入湖口7 km且局部流场变化明显区域，区域B距望虞河入湖口7~13 km且受大、小贡山局部流场阻挡区域，区域C为距望虞河入湖口13~17.7 km且流场相对稳定区域。各分区面积占比情况见表4。

表4 各区域面积占比

图4 贡湖湾水质模型结果分区

在流量不大的情况下，吞吐流会对各项污染物起推动和削减作用，使贡湖湾更易接纳“客水”。如图5（a）所示，各指标浓度呈现从望虞河入湖口不断的往贡湖湾西南方向“阶梯状”降低的趋势，入湖初始TN浓度为2.17 mg/L，在30天50 m3/s引水下，入湖口TN短期聚集，其浓度值为2.8~3.0 mg/L，而在湖中的深蓝色区域，浓度值已经降至到1.4~1.6 mg/L，相比初始值下降了近一半。而占据贡湖湾近一半面积的浅紫色区域，浓度值降至1.2~1.4 mg/L。TP出现了和TN相似的扩散迁移现象，而吞吐流对贡湖湾整体的NH3-N浓度的削减作用尤为明显，整体的NH3-N浓度已经降至0.08 mg/L以下，达到了高于0.63 mg/L的降幅。这与朱伟等[14]的研究结果相符。

图5 浓度场变化图

表5为2008—2017年太湖流域水文水质监测中心公布的数据，可见“引江济太”入湖总氮、总磷、氨氮三项指标均高于太湖。如图6所示，相比流量50 m3/s，引水流量为100 m3/s时，B、C区域低浓度值的面积占比明显缩小，TN浓度低于1.4 mg/L的区域由约83.25 km2下降至60.18 km2，面积减少幅度约为27.72%；TP浓度满足地表水Ⅲ类限值的区域由约101.28 km2下降至83.46 km2，面积减少幅度约为17.59%；NH3-N浓度低于0.24 mg/L的区域由约134.17 km2下降至121.73 km2，面积减少幅度约为9.27%。对比图6各区域污染带占比情况，各污染物在距望虞河口7 km范围内的A区域浓度衰减明显，在距望虞河口7~13 km范围内的B区域浓度变化幅度次之，而在距望虞河口13~17.7 km范围内的C区域浓度基本趋于稳定。流量50 m3/s的TP浓度分布中，A区域TP浓度范围为0.03～0.12 mg/L，B区域TP浓度范围大部分为0.03～0.07 mg/L，C区域TP浓度范围基本＜0.03 mg/L。综上所述，随着引水流量的增加，吞吐流对“客水”的稀释效果会逐步加强，同时“客水”对湖区水环境影响范围会扩大。

图6 各区域污染带面积分布比例（百分比堆积图）

表5 望虞河入湖水质与太湖水质比较mg/L

吞吐流会驱动水体交换效果、改善水动力条件。本研究以秋冬季常见的流量为基本条件，模拟了3种工况下吞吐流对贡湖湾污染物迁移的影响，结果表明，在吞吐流30天的持续作用下，污染物从入湖口向湖心扩散，加速缓流湖泊的水体交换。逢勇等[19]在研究引江济太对太湖水体交换时，也发现流量的增加会加速水体交换效果。由于本研究模拟的是秋冬季的引水，大量的引水尚会导致污染负荷的加剧，因此在蓝藻易爆发的季节更应该控制好“客水”的量，避免改善了水动力却增加了水华爆发的危险。

4 结论

吞吐流对贡湖湾水环境有着至关重要的影响。本文应用MIKE21构建了不同吞吐量下贡湖湾水动力与水质耦合模型，定量分析了吞吐流作用下贡湖湾流速及污染带分布特征。研究表明：

（1）吞吐流会对贡湖湾局部流场造成明显的影响且会相对改善低流速区域面积。在无风情况下，流速从入湖口到湖心水体呈阶梯散射递减状。相比流量50 m3/s，在流量80 m3/s和流量100 m3/s下湖泊低流速区域面积减少幅度均大于12.00%。

（2）吞吐流会对各项污染物起推动和削减作用。不同吞吐量下，削减后的NH3-N较于TN、TP更易满足地表水Ⅲ类限值。相比流量50 m3/s，流量100 m3/s下TN浓度低于1.4 mg/L、TP浓度满足地表水Ⅲ类限值以及NH3-N浓度低于0.24 mg/L的区域面积减少幅度均大于9%。

（3）在距望虞河口7 km范围内湖体流速较大且各项污染物浓度衰减明显，但偶尔会不满足地表水Ⅲ类限值。