赤山湖區二維水動力-水質耦合數值模擬研究

戴 昱，張泉榮，陳 鑫，姚 成

(1.河海大學，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局，江蘇 鎮江 212028)

1 研究背景

隨著我國工、農業的快速發展和城市化進程的加快，大量的人類活動，如灘涂圍墾、圍湖造田等沿岸開發利用，極大地改變了自然湖泊生源要素的循環規律[1]。目前，我國已積極開展湖泊水生態環境保護，利用控源減排，退耕(退圩)、退塘還湖等保護措施取得了明顯成效[2- 3]。由于淺水湖泊自身水動力條件的限制，以及湖泊周圍面源污染難以有效控制，易導致湖泊水體中藻類和浮游植物的過量繁殖，致使湖泊加快走向富營養化的趨勢。因此，利用數值模擬技術，掌握湖泊的水流運動規律以及水質變化規律，對于保護湖泊水生態系統的健康，支撐湖泊流域內及周邊的社會經濟發展及區域生態平衡具有重要意義。

赤山湖位于江蘇省句容市西南，是秦淮河流域唯一的一座天然湖泊。它既是沿湖周邊及上游地區20萬畝農田灌溉和6.5萬人生活用水的重要水源地，又是秦淮河流域中部唯一的一座滯洪湖泊，擔負著上游527km2的洪水調蓄及下泄重任，對緩解句容河洪水、提高整個秦淮河流域防洪標準、保護省會南京城市安全有著舉足輕重的作用。

20世紀70年代開始，赤山湖圍湖養魚，將湖區分為環湖和內湖漁場兩部分，分屬周邊各個鄉鎮。自此，漁場滯洪與水產養殖的矛盾也接踵而生，生態環境破壞嚴重的同時，周邊圩區防洪亦陷入被動。

為保障赤山湖地區乃至整個秦淮河流域的防洪安全，赤山湖2010年開始實施退漁還湖工程。通過近幾年退漁還湖和退漁還濕建設，赤山湖湖體由三岔湖區、白水蕩湖區、環河三部分組成，總面積為10.40km2，其中三岔湖4km2，環湖2.30km2，白水蕩4.10km2。

本文構建赤山湖二維水動力-水質耦合模型，研究赤山湖水流運動規律以及水質變化規律，并依據計算成果提出保障赤山湖長效水生態健康的合理防治措施。

2 研究方法

2.1 基本方程

本耦合模型中水動力模型計算采用守恒形式的平面二維淺水方程：

(1)

(2)

(3)

式中，h—水深；u，v—分別為x和y方向垂線平均流速；f—Coriolis系數，f=2ωsinψ，ψ—當地緯度；ω—地球自轉角速度；s0x，sfx—分別為x方向的床底坡度及摩阻坡度；s0y，sfy—分別為y方向的床底坡度及摩阻坡度；g—重力加速度。

水質模型計算采用二維水質擴散方程：

(4)

式中，Ci—污染物垂線平均濃度；Dx，Dy—分別為x和y方向各污染物的擴散系數；Si—源(匯)項。

式(1)、(2)、(3)和(4)可表達如下：

(5)

式中，q={h，hu，hv，hci}T—守恒物理量；f(q)={hu，hu2+gh2/2，huv，huci}T—x向通量；g(q)={hv，huv，hv2+gh2/2，hvci}T—y向通量；b(q)={b1，b2，b3，b4}T，其中，b1=0；b2=gh(sox-sfx)+swx；b3=gh(soy-sfy)+swy；b4=[Di(hCi)]+Si/A；—梯度算子，·=2是Laplace算子。

2.2 方程離散

本模型采用非結構網格有限體積法離散二維方程組：

(6)

式中，A—單元Ω的面積；m—單元邊總數；Lj—第j單元邊的長度；

源項b*(q)=(0，Agh(sox-sfx)，Agh(soy-sfy)，∑Di(hCi)nLj+Si))T；為梯度算子。

2.3 計算區域與網格剖分

計算區域為赤山湖內湖及外湖，湖泊入口為北河、中河、南河三個入口段面，北河入口為三聯圩橋橋址，中河入口為上游約1.5km處的橋址、南河入口為上游約700m處友誼橋橋址，湖泊出口斷面為下游赤山閘處。內、外湖由東閘、西閘控制。計算區域如圖1所示。

計算區域采用三角形非結構網格進行剖分，在內、外湖連接的東閘、西閘處網格加密，共布置網格單元5561個，節點數為3344個。網格剖分圖如圖2所示。

圖1 計算區域圖

圖2 計算區域網格剖分圖

2.4 計算條件的選取

依據同步實測資料，模擬計算時段72個，每個時段為1h，總時間為72h，即2016年5月27日6∶00～30日6∶00。根據計算穩定性和精度的需要，考慮網格單元大小，選取計算時間步長為1s。

計算邊界條件考慮北河、中河、南河的入流流量、赤山湖閘出閘水位、流量過程，以及降雨過程。

2.5 模型驗證

采用2016年5月27—30日的實測水質資料水質模型進行驗證，各監測點如圖1，模擬計算各污染計算值的平均值與實測值結果如圖3。

由圖3計算結果可以看出，模擬計算的水溫、水質指標值接近實測值，其中水溫的平均計算誤差為-2.74%，pH值的平均計算誤差為6.88%，溶解氧的平均計算誤差為-16.63%，葉綠素的平均計算誤差為9.787%，有機物需氧量的平均計算誤差為-37.3%，氨氮的平均計算誤差為18.52%，總氮的平均計算誤差為10.96%。其中除有機物需氧量的平均計算誤差略大外，模型預測精度符合工程要求。模型選用的參數合理，較好地反映了赤山湖湖區的水動力和水質特性。

3 計算成果

(1)模擬計算72h內湖流場變化，給定東南風2m/s，風成環流明顯，內外湖水量交換，流場合理，計算結果如下圖4所示。

圖4 流場計算成果圖

(2)模擬計算72h氨氮濃度場變化，計算時段降雨強度如圖5所示，東閘、西閘全開，降雨初期徑流，上游河道水質較差水體入湖，氨氮濃度較高，72h后水質恢復正常狀態，計算結果合理。

圖5 氨氮計算成果圖

(3)模擬計算72h內pH濃度場變化，計算時段降雨強度如圖6所示，東閘、西閘全開，降雨初期徑流，上游河道水質較差水體入湖，pH濃度較高，72h后恢復正常狀態，計算結果合理，如圖3所示。

圖6 pH計算成果圖

(4)模擬計算72h浮游植物濃度場變化，計算時段降雨強度如圖7所示，東閘、西閘全開，降雨初期徑流和上游河道水質較差水體入湖，浮游植物濃度較高，72h后恢復正常狀態，計算結果合理。

圖7 浮游植物計算成果圖

4 結論

4.1 數值計算成果

(1)赤山湖現有的水動力條件和水生態環境條件對中等強度的降雨產生的面源污染有足夠的凈化能力。

(2)根據太湖的觀測資料和相關的研究成果[7- 8]，藍藻發生水華的條件是，葉綠素Chl-a的濃度大于30μg/L(或60μg/L)，pH值在8.5～9.5.根據赤山湖的計算和實測資料，葉綠素Chl-a的濃度為4μg/L，pH值在8.2～8.8，因此發生藍藻水華的可能性很小。

4.2 保障赤山湖水生態健康的合理措施

赤山湖經前期2011年退漁還湖工程，以及2012年至今的堤岸綠化工程和閘站建設工程建設，水生態環境已得到一定改善。由于赤山湖目前主要為閘控運行湖泊，內湖區與周圍水系交換少，外湖區水質主要受到周圍面源污染的影響，因此如何有效進行內外湖富營化防治，恢復并保持赤山湖天然濕地功能是保證赤山湖水生態健康的關鍵。赤山湖水體富營養化防治必需從區域范圍出發進行整體綜合考慮，可參考以下防治措施。

(1)赤山湖內湖區基本是一個閘控運行的封閉水體，除洪水期外，與外界的水體交換很少。即使降雨期蓄、泄流，湖體內的平均流速約7～8cm/s，有些湖區出現平均流速小于1cm/s的死水區。由于流速小，洪水帶入的泥沙有可能在死水區淤積，應定期進行清淤，保持赤山湖湖泊地貌和水動力條件。

(2)在陸域和水域的過渡地帶，應設計種植不同種類挺水植物、浮葉植物和沉水植物，恢復環湖沿岸濕地生態帶，使其充分發揮生態系統對污染物質攔截過濾、較少污染、保護生物多樣性的功能。

(3)在湖區，運用水生動植物之間的營養級聯效應、下行效應原理，保證天然濕地功能的情況下，可適當進行生物操縱設計，構建生態結構合理、物質循環和能量流動正常的去富營養化湖泊生態系統。

(4)赤山湖外湖河道水質主要受到周邊農業面源污染及生活污水的影響，農業面源可倡導施肥噴藥使用環境友好化學品，上游城鎮區可考慮進行雨污分流建設，生活污水收集后全部經地塊污水管網，初期雨水(前15分鐘)進入污水處理廠處理，后期雨水就近排入外湖河道。

(5)為保障赤山湖天然濕地生態系統結構和功能，維持生態系統平衡的能力，達到水系統生態環境優化、水質良好的目的，應從湖區水面日常維護、水質特征監測、水生植物維護、水生動物維護四個方面做好水生態工程長效維護管理工作。