基于环境流体动力学模型的蠡湖补水方案数值模拟

鄢碧鹏 柳自强 王 磊 贝超其

(扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225000)

蠡湖属于典型的城市浅水湖泊，是无锡市的重要旅游景点，自20世纪60年代以来，围湖造田、水产养殖以及污水排入等因素造成蠡湖水生态环境逐步恶化，一度成为太湖地区富营养化最严重的区域[1]。近年来，无锡市采取了截污、清淤、退渔还湖、景观改造等一系列措施[2]，使得蠡湖的水质和景观环境有了相当程度的改善，2015—2017年水质逐月监测数据表明，蠡湖水质总体以Ⅲ类、Ⅳ类为主(基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)评价)，水体富营养化得到了基本控制，但蠡湖的透明度(SD)和悬浮物(SS)浓度等感官指标没有显著改善[3]，秋季水体的平均SD小于0.3 m，严重影响其观赏功能，原因可能是蠡湖湖底沉积了大量死亡藻体、动植物残体以及黏土矿物等形成的高有机质污泥，这种污泥极易在风浪、鱼类、游船等因素的扰动下发生再悬浮，使湖水浑浊，导致SD降低。

生态补水是改善景观湖泊水环境的重要措施，中国水利水电科学研究院、河海大学等研究了通过梅梁湖泵站向蠡湖补水和抽贡湖水经长广溪向蠡湖补水两种方案，但梅梁湖、贡湖和蠡湖水质相比差异不大，需要大流量、长时间补水才能达到较好效果。由于蠡湖附近没有清洁水源，因此拟将太湖水体中的蓝藻和泥沙消除后再引入蠡湖进行生态补水，补水方案拟采用“一进两出”的运行模式，即经长广溪湿地向蠡湖补水，由梅梁湖和曹王泾泵站排出。蠡湖生态补水的主要目的是提高水体SD，同时兼顾其他水质指标改善。张运林等[4]通过对蠡湖SD主要影响因子进行分析后发现，蠡湖水体SD主要受SS的影响，与叶绿素等的相关性不大，因此SS浓度是评价蠡湖补水效果的重要指标。通过建立蠡湖SS浓度和SD的关系，模拟不同补水工况下蠡湖SS浓度随时间的变化规律，可以预测生态补水对SD改善效果。

国内很多学者利用数值模拟方法对补水工程进行了研究。黎育红等[5]通过建立湖泊群二维水动力-水质耦合模型，模拟了不同调水方案对武汉东湖水质改善效果；华祖林等[6]采用二维水质水量模型对玄武湖不同的引水规模、引水方式、引水口和出水口流量分配的引调水方案进行模拟计算，综合分析得出相对最优的引调水方案；潘泓哲等[7]通过构建太湖流域走马塘东南片平原河网区一维水动力水质数学模型，研究不同引调水方案对区域水环境改善效果，从多个目标层面优选引调水方案，实现水量水质综合优化调控。

本研究以拟建的蠡湖生态补水工程为研究对象，利用环境流体力学(EFDC)模型建立三维数值模型，结合相关文献资料，研究不同补水方案对蠡湖水体SD的改善效果，明确最佳补水规模和工程运行方式。研究结果为确定工程建设规模和运行方式提供了依据。

1 蠡湖SD模拟模型

1.1 研究区域概况

蠡湖位于江苏省无锡市西南郊，是太湖北部的一个内湖，属于典型的平原浅水湖泊。湖泊东西长约6 km，南北宽0.3～1.8 km，正常水位时湖体周长约为21 km，面积约为8.6 km2[8]。蠡湖多年平均水位3.17 m，正常蓄水位3.30 m左右，相应库容约1 800万m3。为研究不同补水方案对蠡湖SD改善效果，选取整个蠡湖为研究范围进行建模。同时将其分为A、B、C、D 4个区域以更清晰地反映补水过程中不同区域的水质变化，其中A区为退渔还湖区，B区在蠡堤至宝界桥之间，C区在宝界桥至蠡湖大桥之间，D区为蠡湖大桥以东区域。在每区设置两个监测点，分别设在湖中和湖边位置(见图1)。

图1 蠡湖研究范围示意图Fig.1 Schematic diagram of the research scope of Lihu Lake

1.2 蠡湖SD与SS浓度的关系

水体SD是评价水体富营养化和水生态健康的重要指标[9-10]，一般认为水中的SS、浮游藻类和可溶性有机物是影响SD的主要因素。在进行水质模拟时，无法将SD作为一个模拟指标，必须建立SD和某种物质之间的对应关系。由于蠡湖水体SD主要受SS浓度的影响，因此对于蠡湖而言，可将SS浓度作为影响SD的唯一指标。王书航等[11]利用水质监测的历史数据进行拟合，发现蠡湖水体SD与SS浓度呈显著负相关，计算公式见式(1):

ISD=220.61ISS-0.545

(1)

式中：ISD为SD，cm；ISS为SS质量浓度，mg/L。

在进行湖泊断面测量时，同步开展了水体采样和SD现场测试工作，共采集不同区域8个水样，在实验室测定了SS浓度，对式(1)精度进行了验证。结果表明，SD实测值和计算值误差较小，最大误差为2.7%，说明利用式(1)可将蠡湖SS浓度和SD进行转换，通过模拟蠡湖水体中SS浓度变化来表征SD变化，解决了数值模拟技术无法模拟SD的问题。本次蠡湖补水工程计划将蠡湖SD提高到1 m，根据式(1)，对应的SS限值约为4 mg/L。

1.3 模拟模型与方法

EFDC模型由美国弗吉尼亚海洋研究所开发，主要包括水动力模块、温度和传热模块、物质输送模块、泥沙输送模块、水质与富营养化模块、有毒物质污染与运移模块以及拉格朗日粒子追踪模块等[12]，经过多年来的发展，该模型已成功应用于水库及其流域营养物质预测、沉积物模拟等领域。本次SS浓度模拟采用EFDC模型中的染色剂模型，以难溶于水的染色剂替代SS进行模拟，将染色剂设置为保守物质，即在对流扩散过程中不考虑物质的降解、转化和形态变化。

采用Google Earth软件在1∶5 000的比例尺下对蠡湖二维地形测量资料进行劣化处理，考虑计算机性能与模型尺度，采用矩形网格，将蠡湖平面图划分为35 m×35 m的矩形网格，共建立有效网格6 201个，面积为7 596 225 m2。

利用声学多普勒流速仪(ADCP，RiverRay)开展了蠡湖不同断面流速和水深测量工作，该仪器通过向水中发射声波短脉冲，接受并处理回波后得到电信号，再通过转换关系计算出断面流速和水深[13]。采用走航式测量法由南向北共测量了50个蠡湖断面，将测量得到的水深文件导入EFDC模型中，系统自动生成水深分布(见图2)。可以看出，蠡湖中心处水深，两边岸坡水浅，A区是湖水最深区域。

图2 蠡湖水深Fig.2 Water depth of Lihu Lake

1.4 参数设置及模型率定

蠡湖属于典型的宽浅型湖泊，通过截污建闸，已形成一个封闭的水体，其驱动力主要为风力，模拟季节为秋季，以东南风为主导，依据气象资料和前人的研究结果，确定风应力系数为1.63×10-3，水温21 ℃，计算区域的粗糙率为0.02，纵向与横向扩展系数为4 m2/s。蠡湖水体容量为1 800万m3，按照补水规模数值模拟时长，对应的进水流量为22.5、15.0、7.5 m3/s。模拟最大时间步长根据线性方程显式差分的CFL条件来计算，为了提高模拟的精度，将时间步长确定为10 s，模拟时间序列内每隔1 d输出1次结果。蠡湖水质在同一季节分布差异不大，模拟时认为蠡湖初始水质分布均匀，选取秋季测量时SD最小值所对应的SS浓度作为初始值，即蠡湖SS模拟初始质量浓度为28 mg/L，原水净化后SS质量浓度为3 mg/L。

影响EFDC模型中染色剂模型精度的主要因素是水动力条件和参数，对比湖泊不同断面实测与模拟的平均流速可以验证参数设置的合理性和模型的准确性。2019年9月10日，根据ADCP对蠡湖断面的测量结果，模拟边界条件、气象资料采用当天实测数据，选取其中8个典型断面实测平均流速与模拟结果对比，最小误差为5.2%，最大误差为9.1%，说明模型的精度较高，参数设置合理。

1.5 模拟方案

蠡湖是一个封闭的水体，边界条件相对简单，根据规划，补水工程流量将在7.5、15.0、22.5 m3/s中选择，采用“一进两出”的运行方式，由于依靠已建泵站抽水，其流量调节只能通过开停机实现，出水流量只能是单机流量的整数倍，因此在模拟小试基础上，确定了湖泊左(梅梁湖泵站)右(曹王泾泵站)两个出水点流量分配比例为1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0，结合3种进水流量，共获得9个模拟方案。在模拟过程中发现，由于梅梁湖泵站的位置紧靠蠡堤，造成蠡湖A区存在大片死水区，补水效果差，因此提出了在A区设置两种挡水墙方案，挡水墙布置见图3。

图3 两种挡水墙方案Fig.3 Two types of water retaining wall scheme

2 模拟结果与讨论

2.1 不同运行工况模拟结果

在A区不设置挡水墙的情况下，9种运行工况下蠡湖全区平均SS随时间的变化情况见图4。随着补水时间的延长，蠡湖平均SS浓度逐渐下降，下降速率由快变慢，最后趋于平缓，在同一进水流量下，梅梁湖泵站和曹王泾泵站出水流量分配比例为1.5∶1.0时效果最佳。以进水流量15.0 m3/s、补水28 d为例，分配比例为1.0∶1.0时SS降低至5.4 mg/L，分配比例为1.5∶1.0时SS降低至4.7 mg/L，分配比例为2.0∶1.0时SS降至4.9 mg/L。

图4 9种运行工况下蠡湖全区平均SS变化Fig.4 Change of average SS concentration in Lihu Lake under nine operating conditions

在相同出水流量分配比例下，补水流量越大，蠡湖全区的平均SS浓度下降速率越快，到达相同补水效果耗时越短。以分配比例1.5∶1.0为例，蠡湖全区平均SS由28 mg/L降低至8 mg/L(对应SD分别约为0.30 m和0.71 m)时，进水流量为7.5 m3/s时需要补水27 d，进水流量为15.0 m3/s时需要补水13 d，进水流量为22.5 m3/s时只需要补水9 d。同时可以看出，小流量方案在补水较长时间后湖泊中的平均SS浓度才趋于平衡，且离目标值差距较大。如进水流量为7.5 m3/s时，SS只能降至7.8 mg/L左右；而进水流量为15.0、22.5 m3/s时，SS可以分别降低至4.7、4.2 mg/L。

2.2 蠡湖不同区域补水效果

模拟结果表明，虽然9种工况对蠡湖水质净化效果略有差异，但就分区补水效果来看，补水后湖泊中的平均SS浓度变化趋势相同，改善效果总体表现为B区>C区>D区>A区，A、D两区的水质改善效果较差，均存在死水区域，局部换水效果不理想。特别是A区，由于梅梁湖泵站进水口靠近蠡堤西侧，补水水源经过蠡堤后直接进入泵站引水河道，使得A区存在大片的死水区，要保证A区换水效果，可以设置挡水墙，引导清洁水源绕行A区。

2.3 设置挡水墙后蠡湖补水效果

2.3.1 设置挡水墙后流场变化

图5展示了在蠡湖A区设置挡水墙1前后(工程已稳定运行)，区域的流场分布。平均流速大约0.01 m/s，设置挡水墙1后A区的死水区明显减少，补水效果显著提高。

注：无箭头处为死水区。图5 A区设置挡水墙前后蠡湖流场Fig.5 Flow field of Lihu Lake before and after setting water retaining wall in zone A

2.3.2 设置挡水墙后补水效果

图6展示了蠡湖A区设置挡水墙前后，出水流量分配比例为1.5∶1.0时，3个进水流量工况下蠡湖全区的平均SS变化情况。

由图6可以看出，在A区设置挡水墙后，两个挡水墙方案都可以极大改善蠡湖全区换水效果。出水流量分配比例为1.5∶1.0，进水流量为7.5 m3/s时，全湖平均SS降到4 mg/L，设置挡水墙1、2分别需要补水45、40 d；当进水流量为15.0 m3/s时，全湖平均SS降到4 mg/L，设置挡水墙1、2分别需要补水22、19 d；当进水流量为22.5 m3/s时，采用挡水墙1、2分别需要补水21、18 d。

图6 设置挡水墙前后不同工况下补水时蠡湖全区平均SS变化Fig.6 Changes of average SS concentration of Lihu Lake under different conditions before and after setting wate retaining wall

将EFDC模型模拟得到的不同补水工况下蠡湖SS的变化结果，结合式(1)可以得到相应的蠡湖SD变化情况。以进水流量22.5 m3/s、出水流量分配比例1.5∶1.0工况为例，如图7所示，在补水时间均为28 d时，随着新鲜水源的进入，未设挡水墙时蠡湖平均SD为1.00 m；在A区设置挡水墙1 后，蠡湖平均SD为1.17 m；在A区设置挡水墙2后，蠡湖平均SD可以达到1.23 m，远超目标值。

图7 设置挡水墙前后蠡湖全区平均SD变化Fig.7 Change of mean SD of Lihu Lake before and after setting water retaining wall

2.4 讨 论

通过清洁水源补水，在对流、扩散作用下携带湖泊本身难以降解的污染物出湖，可以降低湖泊SS浓度，提高水体SD。另外，补水工程通过加速水体流动，利于水体富氧，改善沉水植物所需要的光照和溶解氧条件，促进沉水植物的生长，增加水体生物多样性[14]，由此能进一步去除水中溶解性污染物，抑制湖泊富营养化发生，提高水体的自净能力，最终达到自净能力与污染负荷的平衡，并维持较好的水质状态。本研究仅从降低湖泊SS浓度角度研究了补水方案，实际上生态补水是从多方面改善湖泊水生态环境的，还需对其他水质指标进行数值模拟，并对工程实际运行的效果进行监测和分析，进一步阐明其作用机理，关于水体SD对沉水植物生长的影响机理和定量关系尚需深入研究；生态补水降低水体中SS浓度、提高SD只是应急措施，需要建立长效机制解决底泥上浮问题，综合采用清淤、微生物治理、底泥固化等技术。

3 结论与建议

(1) 模拟结果表明，相同的进水流量，左右两个出水点流量分配比例为1.5∶1.0时蠡湖SD改善效果最好，在此分配比例下，进水流量7.5、15.0、22.5 m3/s工况下SD达到0.71 m(SS降至8 mg/L)分别需要补水27、13、9 d。从分区补水效果来看，B区>C区>D区>A区，A、D两区SD改善效果较差，主要是存在死水区域，局部换水效果不理想。

(2) 通过在A区设置挡水墙，可以提高补水效果。要将平均SD提高至约1 m，进水流量为7.5 m3/s时，设置挡水墙1、2分别需要补水45、40 d；进水流量为15.0 m3/s时，分别需要补水22、19 d；进水流量为22.5 m3/s时，分别需要补水要21、18 d。

(3) 蠡湖生态补水工程在A区建设挡水墙后，总体上能在较短时间内使SD提高到1 m，对于局部死水区，可以采用潜水推流的方式，强化与主流区的水体交换，提高补水效果。