饒貴康,王玲玲,徐 津,胡禮涵,徐鵬程,唐洪武

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

我國平原河網(wǎng)地區(qū)地勢低洼,淺水湖泊分布眾多[1-2],大多兼有防洪供水、生態(tài)修復(fù)、灌溉航運(yùn)等功能,同時還具有平原水庫的調(diào)蓄功效。風(fēng)場是影響淺水湖泊湖流運(yùn)動、泥沙沖淤、污染物輸移的主要動力之一[3-5],對塑造大型淺水湖泊水動力場的形態(tài)和結(jié)構(gòu)有重要作用,因此研究淺水湖泊的風(fēng)生流問題對于湖泊資源的開發(fā)利用與保護(hù)具有重要意義。

目前湖泊風(fēng)生流研究主要有現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室物理模型以及數(shù)值模擬等方法。數(shù)值模擬由于可以全方位、高效率地模擬湖泊水動力在不同水文、氣象和地形要素驅(qū)動下的時空演化特征,現(xiàn)已成為風(fēng)生流研究的重要手段[3]。許旭峰等[6]采用平面二維數(shù)學(xué)模型,研究了太湖夏季盛行風(fēng)對湖區(qū)水位、流速以及流態(tài)的影響;黨晚婷[7]采用平面二維水動力水質(zhì)模型,研究了風(fēng)力驅(qū)動下不同形態(tài)的封閉湖灣與湖區(qū)水體置換能力的響應(yīng)關(guān)系;陳志琦等[8]為準(zhǔn)確分析羅源灣水體的交換周期以及納潮量的大小,數(shù)值計(jì)算中施加了當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載對湖灣流場的影響;烏景秀等[9]通過對比風(fēng)向、湖泊地形、補(bǔ)水量等因素對靜水湖泊水流流態(tài)的影響,提出了改善湖泊動力環(huán)境的調(diào)控方案;Liu等[10]基于二維水流-污染物耦合數(shù)值模型,分析了風(fēng)場驅(qū)動下太湖環(huán)流及污染物的輸移過程;Jalil等[11]通過模擬風(fēng)場引起的水動力變化對淺水湖泊水流結(jié)構(gòu)及沉積物再懸浮的影響,揭示了風(fēng)荷載在沉積物再懸浮中的作用機(jī)制;舒葉華等[12]利用水質(zhì)模型,模擬了風(fēng)生流驅(qū)動下太湖湖區(qū)污染物的輸移規(guī)律,指出環(huán)流結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致太湖北部湖灣污染物長期聚集的主要原因。

前人的研究成果主要集中在探討風(fēng)場對湖流結(jié)構(gòu)及污染物輸移特性的影響方面,而風(fēng)場對調(diào)蓄湖泊沿線引調(diào)水工程設(shè)計(jì)運(yùn)行影響方面的研究成果少有報道。高郵湖、邵伯湖位于淮河入江水道中段[13],是南水北調(diào)后續(xù)工程兩個重要的調(diào)蓄湖泊。按照規(guī)劃的要求,南水北調(diào)后續(xù)工程運(yùn)行時,兩湖的湖流流向?qū)⒂稍瓉淼挠杀毕蚰细臑橛赡舷虮?兩湖的淮河水質(zhì)將被長江水質(zhì)置換。由于高郵湖、邵伯湖是典型的淺水湖泊,風(fēng)生流對湖區(qū)流場以及水體置換作用不容忽視,風(fēng)涌增減水作用還可能影響兩湖之間抽水泵站提水功能的發(fā)揮。鑒于此,本文以高郵湖、邵伯湖為研究對象,建立二維水動力水質(zhì)模型,分析風(fēng)場與調(diào)水動力共同作用下兩湖的流場特征以及物質(zhì)輸移規(guī)律,研究成果可為工程方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化、湖區(qū)水質(zhì)水生態(tài)的保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

高郵湖、邵伯湖位于蘇皖兩省交界處,是淮河入江水道上重要的蓄洪湖泊和行洪通道。兩湖屬于過水型湖泊,水域總面積分別約760.67km2和98km2,平均水深約1.44m和1.1m,周圍地形以平原為主,常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)[14-16],冬季會刮西北風(fēng)和東北風(fēng),平均風(fēng)速約3.6m/s。湖區(qū)內(nèi)灘地密布,水利工程眾多,其中新民灘的7個漫水閘與高程較高的灘地組成了新民灘控制線,為兩湖的分界線(圖1)。南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃的全湖方案將在湖區(qū)開展抽槽工程,抽槽底寬邵伯湖段為300m,高郵湖段為200m。兩湖有多個濕地及生態(tài)保護(hù)區(qū),輸水槽道設(shè)計(jì)線位避開了這些生態(tài)敏感區(qū)域。擬建的高郵泵站緊鄰新民灘控制線的西岸堤防,共安裝8臺機(jī)組,設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.3m。調(diào)水期間,高郵泵站在保證邵伯湖生態(tài)水位的條件下,抽引370m3/s流量進(jìn)入高郵湖。

圖1 研究區(qū)域范圍

2 模型建立

2.1 模型原理

MIKE21模型有穩(wěn)定、快速、可靠的運(yùn)行特點(diǎn),其計(jì)算原理是利用以單元為中心的有限體積法對水流連續(xù)方程和動量方程進(jìn)行離散求解,可模擬各種作用力下二維自由表面流的水位及流速變化,對淺水湖泊風(fēng)生流的模擬效果較好,在太湖、巢湖、洪澤湖等流域已有諸多應(yīng)用。綜合考慮模型適用性、現(xiàn)有資料情況,采用該模型建立高郵湖、邵伯湖二維水動力水質(zhì)模型。

2.1.1 水動力模型基本原理

水深平均二維水動力控制方程由連續(xù)性方程(式(1))和動量方程(式(2))組成。

(1)

(2)

(3)

式中:t為時間;x、y、z為笛卡爾坐標(biāo);g為重力加速度;h為總水深;η為自由水面高程;d為靜止水深;u、v為x、y方向上的流速分量;f為科氏力參數(shù);ρ為水的密度;pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng);ρ0為水的相對密度;τsx、τsy為風(fēng)場摩擦力在x、y方向上的分量;τbx、τby為河床摩擦力在x、y方向的分量;sxx、sxy、syy、syx為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyy、Tyx為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng);S為點(diǎn)源流量大小;us、vs為源匯項(xiàng)水流流速。

2.1.2 水質(zhì)模型基本原理

水質(zhì)指標(biāo)控制方程為對流擴(kuò)散方程,考慮源項(xiàng)與降解過程:

(4)

式中:C為垂線平均濃度;Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù);Kc為綜合降解系數(shù);Sa為源匯項(xiàng)。

2.2 模型范圍及網(wǎng)格劃分

模型采用兩湖最新的實(shí)測地形資料,利用AutoCAD提取高程點(diǎn)并生成用于模擬的地形文件。模型范圍包括高郵湖區(qū)、邵伯湖區(qū)、新民灘灘地與邵伯湖群灘。輸水槽道采用四邊形網(wǎng)格模擬,其余區(qū)域采用三角形網(wǎng)格,在湖區(qū)出入口、輸水槽道以及灘地區(qū)域進(jìn)行局部加密,空間步長10～500 m。計(jì)算節(jié)點(diǎn)共7 715個,計(jì)算單元11 158個,網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示。

圖2 二維模型網(wǎng)格劃分

2.3 參數(shù)選取與邊界設(shè)置

為滿足模型穩(wěn)定與計(jì)算精度要求,同時受限于柯朗條件[17],模型計(jì)算的時間步長取120s;干濕邊界的水深系數(shù)分別取模型中的默認(rèn)參數(shù):干水深hdry= 0.005m,淹沒水深hflood= 0.05m,濕水深hwet= 0.1m;風(fēng)阻力系數(shù)依據(jù)風(fēng)速值的大小由模型自動插值計(jì)算;渦黏系數(shù)取0.28。水質(zhì)模塊的參數(shù)主要包括綜合降解系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù),根據(jù)前人的相關(guān)研究[18-20],高郵湖、邵伯湖總磷的降解系數(shù)可取0.04d-1,擴(kuò)散系數(shù)[21]取1。

模型的邊界條件分別設(shè)置于邵伯湖南端和高郵湖的出湖口(施尖)。調(diào)水時邵伯湖南端為模型的入流邊界,給定調(diào)水流量為370m3/s;高郵湖的出湖口(施尖)為模型的出流邊界,給定設(shè)計(jì)水位5.13m;兩湖間高郵泵站的調(diào)水作用概化為模型的內(nèi)邊界,給定設(shè)計(jì)調(diào)水流量370m3/s。上述水位流量數(shù)據(jù)均來源于工程設(shè)計(jì)單位提供的資料。

3 模型率定

2007年淮河流域自北向南大部分地區(qū)先后降暴雨到大暴雨,降雨過程歷時長、范圍廣,為緩解淮河中游的防洪壓力,入江水道沿線水閘全開泄水。由于該次洪水來流量大,洪峰期水位變化明顯,適合作為數(shù)學(xué)模型的率定資料。選取2007年7月9日至8月30日入江水道實(shí)測的洪水過程對模型進(jìn)行率定,最終確定高郵湖、邵伯湖的糙率分別為0.021、0.027。湖區(qū)內(nèi)兩個水位站點(diǎn)高郵(高)與六閘的水位驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示,由圖可知模型計(jì)算的水位過程與實(shí)測過程吻合較好,納什效率系數(shù)分別達(dá)到了0.971、0.988,峰值水位誤差小于3%,表明所建模型精度較高,糙率取值合理,可用于后續(xù)調(diào)水工程的研究。

4 計(jì)算工況及結(jié)果分析

高郵湖、邵伯湖具有水深淺、湖面寬等特點(diǎn),受外界因素影響水動力過程復(fù)雜多變。風(fēng)是影響淺水湖泊湖流運(yùn)動的主要驅(qū)動力之一。為研究盛行風(fēng)在調(diào)水期對高郵湖、邵伯湖輸水流場的影響,選用東南風(fēng)、西北風(fēng)、東北風(fēng)3個盛行方向的定常風(fēng)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),風(fēng)速值取為該地區(qū)多年平均風(fēng)速3.6m/s,同時考慮風(fēng)速增高至7.2m/s時的影響,工況設(shè)置見表1,計(jì)算時初始條件分別給定為高郵湖、邵伯湖的設(shè)計(jì)輸水水位5.13m與4.13m。

表1 計(jì)算工況設(shè)置

4.1 風(fēng)場作用對湖區(qū)流場的影響

圖4是7種風(fēng)況下高郵湖、邵伯湖的風(fēng)生流場圖,圖中黑色直線表示新民灘控制線。由圖4可知,無風(fēng)時高郵湖、邵伯湖僅受泵站調(diào)水動力的影響,水流從邵伯湖南端入湖后一路向北流動,整個過程并未產(chǎn)生環(huán)流或漩渦等水動力現(xiàn)象,湖區(qū)流態(tài)穩(wěn)定。

圖4 不同風(fēng)況下兩湖區(qū)輸水流場

當(dāng)受風(fēng)場影響時,不同風(fēng)況下湖區(qū)北部會形成不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)生環(huán)流,環(huán)流的流向、形狀與風(fēng)場風(fēng)向相關(guān)。隨著風(fēng)速增大,兩湖的水動力強(qiáng)度提升,流速增幅為0.01～0.06m/s,但流場的總體形態(tài)改變不大,僅西北風(fēng)作用時高郵湖出現(xiàn)環(huán)流增多的現(xiàn)象。對比風(fēng)場作用前后兩湖區(qū)的流場,可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載對高郵湖的影響程度明顯強(qiáng)于邵伯湖。由于邵伯湖為典型的河道型湖泊,狹長的湖泊地形削弱了風(fēng)對湖面的剪切拖曳作用;而高郵湖具有平面尺度大、湖區(qū)水深淺等特點(diǎn),水動力較弱的水域極易受風(fēng)荷載的影響,因此湖區(qū)北部流場復(fù)雜多變,在調(diào)水期可能會對湖區(qū)的物質(zhì)輸運(yùn)與水質(zhì)更新造成影響。

4.2 風(fēng)場作用對高郵泵站樞紐運(yùn)行水位的影響

風(fēng)涌增減水現(xiàn)象是指風(fēng)生湖流向前運(yùn)動時,若遇障礙物阻擋會在迎風(fēng)岸引起水位抬高、背風(fēng)岸引起水位下降的現(xiàn)象。由于高郵站連同新民灘控制線將高郵湖和邵伯湖隔離成上下兩個梯級湖泊,阻擋了風(fēng)生流的前行方向,導(dǎo)致高郵站的上下游易發(fā)風(fēng)涌增減水現(xiàn)象,影響泵站工程的正常運(yùn)行。

為研究調(diào)水期風(fēng)荷載對高郵湖、邵伯湖水位的影響,繪制工況2～7與工況1的水位差等值線如圖5所示。由圖5可知,風(fēng)場作用會引起兩湖區(qū)的水位變化,沿吹程方向水位差呈梯級分布。東南風(fēng)時,由于新民灘控制線阻擋了風(fēng)生流的前行方向,水流會在邵伯湖一側(cè)形成水位壅高,高郵湖一側(cè)形成水位下降,且風(fēng)速越高水位變幅越大;西北風(fēng)時兩湖區(qū)的水位差分布同東南風(fēng)相似,但趨勢相反,即靠近新民灘一側(cè)高郵湖水位壅高,而邵伯湖一側(cè)水位則下降;東北風(fēng)作用時整個湖面向西南側(cè)傾斜,兩湖區(qū)的迎風(fēng)岸水位壅高,而背風(fēng)岸水位下降。

圖5 兩湖區(qū)水位差等值線(單位:m)

6個工況的計(jì)算結(jié)果表明,新民灘控制線的附近湖面是風(fēng)涌水現(xiàn)象最為顯著的區(qū)域,風(fēng)速越高該區(qū)域的水位變幅越大,上下級湖面的水位差最大可超過0.2m。倘若高郵泵站在設(shè)計(jì)之初沒有考慮風(fēng)涌水的影響,可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏低,調(diào)水動力不足。此外,湖區(qū)水位過低也可能影響泵站取水口的取水效果。因此,建于湖泊沿岸的泵站工程、取水工程等水利設(shè)施,在規(guī)劃建設(shè)時有必要考慮風(fēng)涌水的影響,避免湖區(qū)水位變化過大而影響工程的正常運(yùn)行。

4.3 風(fēng)場作用對兩湖區(qū)水體更新的影響

污染物輸移擴(kuò)散與水體的更新置換是南水北調(diào)后續(xù)工程水質(zhì)水生態(tài)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。長時間的輸水過程中,湖泊水體將與長江水體發(fā)生融合、置換,從而引起湖區(qū)水質(zhì)的變化。

以高郵湖、邵伯湖的污染物總氮為研究對象,分析調(diào)水期不同風(fēng)場對兩湖區(qū)水質(zhì)分布與水體交換能力的影響。根據(jù)2019年中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的現(xiàn)場實(shí)測,高郵湖總氮質(zhì)量濃度在0.85～2.09mg/L之間,高濃度水域集中在湖區(qū)的西南區(qū)域;邵伯湖總氮質(zhì)量濃度在1.15～1.48mg/L之間;長江干流的三江營站點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度為2mg/L左右,高于兩湖。因此從總氮來看,兩湖水質(zhì)優(yōu)于長江水質(zhì)。

根據(jù)實(shí)測資料,設(shè)定模型計(jì)算時高郵湖與邵伯湖的總氮初始質(zhì)量濃度如圖6所示,圖中A、B、C、D是4個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)。模擬時邵伯湖南部邊界的總氮入流質(zhì)量濃度設(shè)定為2mg/L。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)在無風(fēng)條件下(工況1)調(diào)水約90d,4個監(jiān)測點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定并保持不變,如圖7所示。

圖6 高郵湖、邵伯湖總氮初始質(zhì)量濃度

圖7 無風(fēng)條件下4個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度變化

為了研究風(fēng)荷載對兩湖區(qū)水體更新置換的影響,圖8比較了不同風(fēng)況下兩湖區(qū)調(diào)水90d后總氮質(zhì)量濃度分布結(jié)果。由圖8可知,無風(fēng)條件下,兩湖大部分區(qū)域的總氮質(zhì)量濃度已基本升至調(diào)水濃度,其中高郵湖、邵伯湖生態(tài)保護(hù)區(qū)均被長江水體置換,僅高郵湖北端及湖區(qū)西南側(cè)水動力較弱的區(qū)域總氮質(zhì)量濃度還維持初始較低值。當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)時(圖8(b)(e)),兩湖水體的置換程度明顯提高,高郵湖北部原本難以更新的水域在東南風(fēng)的驅(qū)動下也基本置換為長江水體。相比于無風(fēng)工況,東南風(fēng)的作用能夠顯著提升湖區(qū)內(nèi)污染物的輸移能力。而當(dāng)湖區(qū)受冬季西北風(fēng)影響時(圖8(c)(f)),由于風(fēng)向與調(diào)水流向相反,逆風(fēng)作用使調(diào)水水體難以運(yùn)動至湖區(qū)北部,加之湖區(qū)北部形成的風(fēng)生環(huán)流在很大程度上抑制了兩種水體間的融合交換,因此輸水過程中該水域的總氮質(zhì)量濃度始終較低,水體更新程度弱。東北風(fēng)也屬于逆風(fēng)類工況(圖8(d)(g)),調(diào)水期高郵湖的水體更新同樣受阻,但相比于西北風(fēng)其影響程度相對較低,水體更新有所增強(qiáng)。

圖8 調(diào)水第90d時兩湖總氮質(zhì)量濃度分布

上述分析表明,調(diào)水期風(fēng)場是影響淮河入江水道高郵湖水體更新與水質(zhì)分布的重要因素,風(fēng)場條件不同,湖區(qū)內(nèi)總氮等污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律也不同。此外,模擬結(jié)果還表明:高郵湖、邵伯湖生態(tài)保護(hù)區(qū)在調(diào)水時大部分區(qū)域會被長江水體置換,水質(zhì)的改變可能影響原有的水生態(tài)環(huán)境,不利于保護(hù)區(qū)內(nèi)水生生物的生長,有必要采取相關(guān)的應(yīng)對保護(hù)措施,如加強(qiáng)保護(hù)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測和管理、設(shè)置有效隔離帶、建立人工濕地、利用水生植物的自然凈化作用降低來流水體的污染物含量等。

5 結(jié) 論

a.高郵湖是風(fēng)場作用的敏感區(qū)域,在風(fēng)力驅(qū)動下湖區(qū)將形成不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)生環(huán)流,環(huán)流的流向、形狀由風(fēng)場風(fēng)向決定;邵伯湖由于平面尺度較小,風(fēng)荷載不會對湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的影響。

b.風(fēng)場作用會引起湖區(qū)迎風(fēng)岸水位抬高、背風(fēng)岸水位下降,新民灘控制線的上下級湖面是風(fēng)涌增減水最為顯著的區(qū)域,本文研究工況下水位差最大可超過0.2 m。由于風(fēng)荷載對淺水湖泊的水位影響較大,因此沿湖岸修建的泵站工程、取水工程等水利設(shè)施,在規(guī)劃建設(shè)時有必要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)場的影響,以免湖區(qū)水位變化過大而影響涉水工程的正常運(yùn)行。

c.風(fēng)場是影響淮河入江水道高郵湖水體更新和水質(zhì)分布的重要因素:當(dāng)風(fēng)場風(fēng)向與調(diào)水方向同向時,高郵湖水體的置換程度會顯著提高;而當(dāng)兩者逆向時,湖區(qū)水體的置換程度將顯著下降。

d.由于輸水過程中高郵湖、邵伯湖的生態(tài)保護(hù)區(qū)大部分區(qū)域水體將被長江水體置換,水質(zhì)的改變可能影響原有的水生態(tài)環(huán)境,不利于保護(hù)區(qū)水生生物的生長,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。