陳典坤，楊 顯

(河海大學力學與材料學院，江蘇南京 211100)

自20世紀80年代以來，太湖流域因水體富營養(yǎng)化等原因常暴發(fā)藍藻水華[1]，嚴重影響了區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)活動和社會經(jīng)濟發(fā)展。2007年太湖流域暴發(fā)大規(guī)模藍藻事件后，為治理太湖水環(huán)境，開始了以“引江濟太”工程為核心的一系列治理工程。“引江濟太”工程通過實施以“靜態(tài)河網(wǎng)、動態(tài)水體、科學調(diào)度、合理配置”為戰(zhàn)略目標的重大舉措，適時通過望虞河將長江水引入太湖以實現(xiàn)改善太湖水環(huán)境的目標[2]。太湖富營養(yǎng)化等水體環(huán)境問題一直受到廣泛關(guān)注[3-6]，“引江濟太”工程運行以來，許多學者對工程在提升太湖水體水質(zhì)與改善區(qū)域水環(huán)境等方面進行了研究，成果眾多[7-12]，但目前對“引江濟太”工程的研究主要集中在望虞河引水工程對貢湖與太湖水質(zhì)的影響，而對2020年建成并投入使用的新孟河延伸拓浚工程和新溝河延伸拓浚工程的研究較少。新孟河延伸拓浚工程北起長江，沿老新孟河拓浚至京杭運河，拓浚太滆運河和漕橋河入太湖；新溝河延伸拓浚工程從長江沿現(xiàn)有新溝河至京杭運河后，分別疏浚直湖港、武進港至太湖(圖1)。在2016年以后，太湖總磷(TP)濃度出現(xiàn)反彈現(xiàn)象[13-14]并在2017年暴發(fā)大面積藍藻[15]，截至2019年太湖TP濃度沒有明顯下降[16]。本研究模擬新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程、望虞河引水工程運行時，梅梁灣在盛行風向下的TP和總氮(TN)的遷移擴散規(guī)律，研究成果可為改善梅梁灣及太湖水質(zhì)提供新的解決方案。

太湖是淺水湖泊，風場是影響其流場特征的主要因素[17]，水面的夏季盛行風和冬季盛行風是東南風和西北風[18]。本文以太湖梅梁灣(圖1)為研究對象，模擬“引江濟太”新建工程實際運行時，梅梁灣在夏半季盛行風(東南風)與冬半季盛行風(西北風)兩種風向下TP和TN的遷移擴散規(guī)律。

圖1 “引江濟太”工程示意圖和梅梁灣觀測點Fig.1 Sketch Map of “Yangtze River-Taihu Lake Water Diversion” and Observation Point of Meiliang Bay

1 水動力水質(zhì)模型的建立

1.1 模型建立

守恒型二維淺水方程與對流擴散方程耦合的矢量表達[6]如式(1)，守恒物理向量如式(2)，x方向的通量向量如式(3)，y方向的通量向量如式(4)，源匯項如式(5)。

q=[h,hu,hv,hCi]T

(2)

f(q)=[hu,hu2+gh2/2,huv,huCi]T

(3)

g(q)=[hv,huv,hv2+gh2/2,hvCi]T

(4)

b(q)={0,gh(s0x-sfx),gh(s0y-sfy), ▽[Di▽(hCi)]-μihCi+Si}T

(5)

其中：q——守恒物理量；

t——時間，s;

h——水深，m；

u、v——x和y向的垂線平均流速分量，m/s；

T——表示轉(zhuǎn)置；

g——重力加速度，m/s2；

Ci——溶質(zhì)垂線平均質(zhì)量濃度，mg/L；

s0x、sfx——x方向的河底坡度及摩阻坡度；

s0y、sfy——y方向的河底坡度及摩阻坡度，摩阻坡度由曼寧公式估算；

Di——擴散系數(shù)，m2/s；

▽——梯度算子，m-1；

μi——降解系數(shù)，s-1；

Si——源匯項，mg/(L·s)，模型中考慮風力。

模型包括兩個部分：(1)應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對耦合方程組進行數(shù)值求解；(2)根據(jù)WASP5模型中氮、磷等營養(yǎng)鹽指標在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)規(guī)律原理編寫計算污染物源匯項程序。通過模型模擬出水體的流動過程和相應(yīng)的污染物輸運擴散過程。

1.2 模擬區(qū)域及網(wǎng)格生成

本研究主要關(guān)注梅梁湖，邊界輸入主要考慮新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程和望虞河引水工程。本文建立的模型及計算區(qū)域是整個太湖，為模擬出“引江濟太”新建工程對太湖梅梁灣區(qū)域的TP和TN影響，在工況運行過程中保持新孟河、新溝河、望虞河和太浦河共4個河道呈開啟狀態(tài)。采用無結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行剖分，計算區(qū)域內(nèi)有6 348個計算節(jié)點和5 943個計算單元，總計算時長為744 h。

1.3 模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)邊界條件及初始條件

根據(jù)太湖小雷山氣象站2007年12月—2008年11月的測量資料[18]，太湖湖面風速集中在4.0～6.0 m/s，盛行風向為東南風和西北風。入口邊界條件為2014年1月環(huán)湖河道進出太湖的流量時間過程線和濃度時間過程線，出口為水位時間過程線，濃度過程取紐曼條件，太湖初始水位H=3 m。

(2)參數(shù)的率定

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測資料，結(jié)合WASP5模型提供的參考值，通過多次調(diào)試得到模型的參數(shù)值。表1是部分模型參數(shù)率定值。

表1 WASP5模型參數(shù)值Tab.1 Parameters of WASP5 Model

1.4 模型的率定

利用本模型模擬太湖在東南風風速為4.0 m/s時的流場，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測的流場[10]進行對比(圖2)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致：湖西區(qū)流場大致呈順時針狀，湖心區(qū)產(chǎn)生了一個逆時針流場，貢湖與梅梁灣水流呈逆時針方向流動，流速大小也與實測值接近。計算結(jié)果表明，本模型可以反映太湖實際的水動力學特性。楊顯[19]通過將該模型模擬的貢湖觀測點TP濃度值與實測值進行對比，模擬結(jié)果符合實際情況，也驗證了該模型的可靠性與實用性。

圖2 東南風下流場Fig.2 Flow Field under Southeast Wind

2 方案設(shè)計

因改善梅梁灣湖體水動力條件及水環(huán)境狀況的需要，新溝河延伸拓浚工程設(shè)計外排流量為150 m3/s。新孟河延伸拓浚工程設(shè)計最大泵引為300 m3/s，為考慮經(jīng)濟性，日常引水流量按100 m3/s考慮[20]。為探究盛行風向下不同引排水量對梅梁灣TP與TN濃度分布的影響，在東南風與西北風下改變新溝河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的引排水量，并將梅梁灣泵站關(guān)閉、太浦閘開啟，其他觀測河道在模擬期間保持關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)計多種運行工況。

模擬方案如表2所示。(1)模擬4月—6月的太湖水環(huán)境，此時太湖盛行風向為東南風，單一工況的計算時長為31 d(744 h)。設(shè)置工況1、工況2、工況3共3種運行工況，工況2與工況1為對比工況，增加新溝河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工況3與工況2為對比工況，增加新孟河延伸拓浚工程的引水量50 m3/s。(2)模擬10月—12月的太湖水環(huán)境，此時湖面盛行風為西北風，計算時長為31 d(744 h)。設(shè)置工況4、工況5、工況6共3種運行工況，工況5與工況4為對比工況，增加新溝河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工況6與工況5為對比工況，增加新孟河延伸拓浚工程引水量50 m3/s。

表2 模擬方案Tab.2 Simulated Scheme

圖3 梅梁灣的流場模擬結(jié)果 (工況1～工況6)Fig.3 Flow Field Simulation Results in Meiliang Bay (Working Condition 1～Working Condition 6)

3 流場及水質(zhì)模擬結(jié)果

3.1 流場模擬結(jié)果

如圖3所示，工況1中梅梁灣水流呈逆時針方向流動。工況2與工況1相比，灣內(nèi)西部水流的流動方向發(fā)生了變化，水體從梅梁灣北部向南部流動并流向新溝河排水口，灣內(nèi)水流流速增大。工況2的西部流速為0～0.01 m/s，北部流速為0.01～0.03 m/s，東部近岸流速為0.02～0.03 m/s。工況3與工況2相比，不同區(qū)域的流速大小和水流流動方向基本一致。

在西北風作用下，工況4、5、6下，梅梁灣水流整體流向未發(fā)生改變，均呈順時針方向流動，東部近岸水流流速大于西部。工況5與工況4相比，灣內(nèi)各區(qū)域的流速增加，特別是新溝河排水口附近，工況5的西部流速在0.01～0.02 m/s，北部流速在0.01～0.03 m/s，東部近岸流速在0.02～0.03 m/s。工況6與工況5相比，流速大小和水流流動方向基本一致。

3.2 水質(zhì)模擬結(jié)果

根據(jù)實測[21]，梅梁灣初始TP質(zhì)量濃度為0.29 mg/L，初始TN質(zhì)量濃度為5.01 mg/L，引水水體的TP質(zhì)量濃度為0.08 mg/L，TN質(zhì)量濃度為0.98 mg/L。如圖4所示，盛行風為東南風時，在工況1下，經(jīng)過31 d后，梅梁灣水體TP質(zhì)量濃度為0.07～0.17 mg/L，下降41%～76%，梅梁灣的TN質(zhì)量濃度為1.30～3.35 mg/L，下降33%～74%，灣區(qū)水體水質(zhì)大幅度提升。在工況2下，與工況1相比，梅梁灣東部水域TP與TN濃度明顯下降，以TP作為衡量指標，Ⅳ類水體面積增大。工況3與工況2相比，梅梁灣東部水域TP與TN濃度出現(xiàn)小幅度升高，說明在東南風作用下保持新溝河排水量不變，大幅度增加新孟河引水量時，可能會導致營養(yǎng)鹽隨水流沉積在灣區(qū)東部。

圖4 東南風向下湖灣TP與TN濃度 (工況1～工況3)Fig.4 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under Southeast Wind (Working Condition 1～Working Condition 3)

圖5 西北風向下湖灣TP與TN濃度(工況4～工況6)Fig.5 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under the Northwest Wind (Working Condition 4～Working Condition 6)

圖6 湖灣觀測區(qū)域TP與TN濃度Fig.6 Concentrations of TP and TN in Observation Areas of Meiliang Bay

如圖5所示，盛行風為西北風時，在工況4下，經(jīng)過31 d后，梅梁灣水體TP質(zhì)量濃度為0.08～0.19 mg/L，下降幅度34%～72%，灣區(qū)TP濃度表現(xiàn)為東高西低、北高南低。水體TN下降至1.50～3.75 mg/L，下降幅度25%～70%。工況5與工況4相比，湖灣西部水體水質(zhì)改善明顯，TP低于0.1 mg/L，達到Ⅳ類水體水質(zhì)標準。工況6與工況5相比，增加了新孟河引水流量，梅梁灣西部水域TP與TN質(zhì)量濃度繼續(xù)下降，且TN的下降幅度遠大于TP。

3.3 觀測點水質(zhì)的模擬結(jié)果

分別在梅梁灣觀測區(qū)域采集TP與TN濃度，分析各區(qū)域在不同工況下TP與TN的擴散及分布情況，如圖6所示。在東南風向下，工況1、工況2、工況3均表現(xiàn)為湖灣左岸濃度最高，中部濃度次之，右岸濃度最低。工況2與工況1相比，新溝河段排水量增加，梅梁灣各區(qū)域TN與TP濃度下降明顯。工況3與工況2相比，增加新孟河工程引水量，對梅梁灣灣內(nèi)側(cè)如L1、L2、M1、M2、M3、R1、R2、R3處TP與TN影響較小，而梅梁灣外側(cè)L3、L4、M4、M5處濃度下降，因此，主要降低太湖湖心區(qū)一側(cè)的污染物濃度。

在西北風向下，工況4、工況5、工況6均表現(xiàn)為湖灣右岸濃度最高，左岸濃度最低。工況5與工況4相比，增加了新溝河排水量，梅梁灣左岸和中部TP與TN濃度下降明顯。工況6與工況5相比，增加新孟河引水量，梅梁灣左岸即L1、L2、L3、L4處的TP與TN濃度下降，湖灣中部和右岸的TP與TN濃度無明顯變化。

4 結(jié)論

(1)“引江濟太”新建工程——新溝河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的建成投入使用，增加了進出太湖水量，可以降低梅梁灣水體的TP與TN濃度，表明新孟河延伸拓浚工程、新溝河延伸拓浚工程的運行可以有效提升梅梁灣水域水質(zhì)，為“2016年太湖TP出現(xiàn)反彈”引起的水質(zhì)問題提供新的解決方案。

(2)通過分析梅梁灣水體在不同季節(jié)風向下進行引排水作業(yè)時TP與TN濃度的變化情況，發(fā)現(xiàn)在東南風即夏半季的盛行風向下，梅梁灣的TP與TN降幅大于西北風作用下的降幅，說明在夏半季進行“引江濟太”新建工程的引排水作業(yè)更有利于降低梅梁灣的營養(yǎng)鹽濃度，提升太湖水質(zhì)。

(3)分析不同工況下梅梁灣左岸、中部、右岸的TP與TN濃度，當新孟河增加引水量時，梅梁灣TP與TN下降并不明顯，對梅梁灣特別是中心區(qū)域的水質(zhì)影響范圍較小，提升梅梁灣水質(zhì)的效果有限。當新溝河增加排水量時，梅梁灣左岸、中部及右岸的TP與TN出現(xiàn)較大幅度下降。這說明相較于新孟河引水作業(yè)，進行新溝河排水作業(yè)時可以更快速地降低梅梁灣TP和TN的濃度，在短時期內(nèi)能有效改善梅梁灣的水體環(huán)境。