基于環(huán)境流體動力學模型的蠡湖補水方案數值模擬

鄢碧鵬 柳自強 王 磊 貝超其

(揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

蠡湖屬于典型的城市淺水湖泊，是無錫市的重要旅游景點，自20世紀60年代以來，圍湖造田、水產養(yǎng)殖以及污水排入等因素造成蠡湖水生態(tài)環(huán)境逐步惡化，一度成為太湖地區(qū)富營養(yǎng)化最嚴重的區(qū)域[1]。近年來，無錫市采取了截污、清淤、退漁還湖、景觀改造等一系列措施[2]，使得蠡湖的水質和景觀環(huán)境有了相當程度的改善，2015—2017年水質逐月監(jiān)測數據表明，蠡湖水質總體以Ⅲ類、Ⅳ類為主(基于《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)評價)，水體富營養(yǎng)化得到了基本控制，但蠡湖的透明度(SD)和懸浮物(SS)濃度等感官指標沒有顯著改善[3]，秋季水體的平均SD小于0.3 m，嚴重影響其觀賞功能，原因可能是蠡湖湖底沉積了大量死亡藻體、動植物殘體以及黏土礦物等形成的高有機質污泥，這種污泥極易在風浪、魚類、游船等因素的擾動下發(fā)生再懸浮，使湖水渾濁，導致SD降低。

生態(tài)補水是改善景觀湖泊水環(huán)境的重要措施，中國水利水電科學研究院、河海大學等研究了通過梅梁湖泵站向蠡湖補水和抽貢湖水經長廣溪向蠡湖補水兩種方案，但梅梁湖、貢湖和蠡湖水質相比差異不大，需要大流量、長時間補水才能達到較好效果。由于蠡湖附近沒有清潔水源，因此擬將太湖水體中的藍藻和泥沙消除后再引入蠡湖進行生態(tài)補水，補水方案擬采用“一進兩出”的運行模式，即經長廣溪濕地向蠡湖補水，由梅梁湖和曹王涇泵站排出。蠡湖生態(tài)補水的主要目的是提高水體SD，同時兼顧其他水質指標改善。張運林等[4]通過對蠡湖SD主要影響因子進行分析后發(fā)現，蠡湖水體SD主要受SS的影響，與葉綠素等的相關性不大，因此SS濃度是評價蠡湖補水效果的重要指標。通過建立蠡湖SS濃度和SD的關系，模擬不同補水工況下蠡湖SS濃度隨時間的變化規(guī)律，可以預測生態(tài)補水對SD改善效果。

國內很多學者利用數值模擬方法對補水工程進行了研究。黎育紅等[5]通過建立湖泊群二維水動力-水質耦合模型，模擬了不同調水方案對武漢東湖水質改善效果；華祖林等[6]采用二維水質水量模型對玄武湖不同的引水規(guī)模、引水方式、引水口和出水口流量分配的引調水方案進行模擬計算，綜合分析得出相對最優(yōu)的引調水方案；潘泓哲等[7]通過構建太湖流域走馬塘東南片平原河網區(qū)一維水動力水質數學模型，研究不同引調水方案對區(qū)域水環(huán)境改善效果，從多個目標層面優(yōu)選引調水方案，實現水量水質綜合優(yōu)化調控。

本研究以擬建的蠡湖生態(tài)補水工程為研究對象，利用環(huán)境流體力學(EFDC)模型建立三維數值模型，結合相關文獻資料，研究不同補水方案對蠡湖水體SD的改善效果，明確最佳補水規(guī)模和工程運行方式。研究結果為確定工程建設規(guī)模和運行方式提供了依據。

1 蠡湖SD模擬模型

1.1 研究區(qū)域概況

蠡湖位于江蘇省無錫市西南郊，是太湖北部的一個內湖，屬于典型的平原淺水湖泊。湖泊東西長約6 km，南北寬0.3～1.8 km，正常水位時湖體周長約為21 km，面積約為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，相應庫容約1 800萬m3。為研究不同補水方案對蠡湖SD改善效果，選取整個蠡湖為研究范圍進行建模。同時將其分為A、B、C、D 4個區(qū)域以更清晰地反映補水過程中不同區(qū)域的水質變化，其中A區(qū)為退漁還湖區(qū)，B區(qū)在蠡堤至寶界橋之間，C區(qū)在寶界橋至蠡湖大橋之間，D區(qū)為蠡湖大橋以東區(qū)域。在每區(qū)設置兩個監(jiān)測點，分別設在湖中和湖邊位置(見圖1)。

圖1 蠡湖研究范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research scope of Lihu Lake

1.2 蠡湖SD與SS濃度的關系

水體SD是評價水體富營養(yǎng)化和水生態(tài)健康的重要指標[9-10]，一般認為水中的SS、浮游藻類和可溶性有機物是影響SD的主要因素。在進行水質模擬時，無法將SD作為一個模擬指標，必須建立SD和某種物質之間的對應關系。由于蠡湖水體SD主要受SS濃度的影響，因此對于蠡湖而言，可將SS濃度作為影響SD的唯一指標。王書航等[11]利用水質監(jiān)測的歷史數據進行擬合，發(fā)現蠡湖水體SD與SS濃度呈顯著負相關，計算公式見式(1):

ISD=220.61ISS-0.545

(1)

式中：ISD為SD，cm；ISS為SS質量濃度，mg/L。

在進行湖泊斷面測量時，同步開展了水體采樣和SD現場測試工作，共采集不同區(qū)域8個水樣，在實驗室測定了SS濃度，對式(1)精度進行了驗證。結果表明，SD實測值和計算值誤差較小，最大誤差為2.7%，說明利用式(1)可將蠡湖SS濃度和SD進行轉換，通過模擬蠡湖水體中SS濃度變化來表征SD變化，解決了數值模擬技術無法模擬SD的問題。本次蠡湖補水工程計劃將蠡湖SD提高到1 m，根據式(1)，對應的SS限值約為4 mg/L。

1.3 模擬模型與方法

EFDC模型由美國弗吉尼亞海洋研究所開發(fā)，主要包括水動力模塊、溫度和傳熱模塊、物質輸送模塊、泥沙輸送模塊、水質與富營養(yǎng)化模塊、有毒物質污染與運移模塊以及拉格朗日粒子追蹤模塊等[12]，經過多年來的發(fā)展，該模型已成功應用于水庫及其流域營養(yǎng)物質預測、沉積物模擬等領域。本次SS濃度模擬采用EFDC模型中的染色劑模型，以難溶于水的染色劑替代SS進行模擬，將染色劑設置為保守物質，即在對流擴散過程中不考慮物質的降解、轉化和形態(tài)變化。

采用Google Earth軟件在1∶5 000的比例尺下對蠡湖二維地形測量資料進行劣化處理，考慮計算機性能與模型尺度，采用矩形網格，將蠡湖平面圖劃分為35 m×35 m的矩形網格，共建立有效網格6 201個，面積為7 596 225 m2。

利用聲學多普勒流速儀(ADCP，RiverRay)開展了蠡湖不同斷面流速和水深測量工作，該儀器通過向水中發(fā)射聲波短脈沖，接受并處理回波后得到電信號，再通過轉換關系計算出斷面流速和水深[13]。采用走航式測量法由南向北共測量了50個蠡湖斷面，將測量得到的水深文件導入EFDC模型中，系統自動生成水深分布(見圖2)。可以看出，蠡湖中心處水深，兩邊岸坡水淺，A區(qū)是湖水最深區(qū)域。

圖2 蠡湖水深Fig.2 Water depth of Lihu Lake

1.4 參數設置及模型率定

蠡湖屬于典型的寬淺型湖泊，通過截污建閘，已形成一個封閉的水體，其驅動力主要為風力，模擬季節(jié)為秋季，以東南風為主導，依據氣象資料和前人的研究結果，確定風應力系數為1.63×10-3，水溫21 ℃，計算區(qū)域的粗糙率為0.02，縱向與橫向擴展系數為4 m2/s。蠡湖水體容量為1 800萬m3，按照補水規(guī)模數值模擬時長，對應的進水流量為22.5、15.0、7.5 m3/s。模擬最大時間步長根據線性方程顯式差分的CFL條件來計算，為了提高模擬的精度，將時間步長確定為10 s，模擬時間序列內每隔1 d輸出1次結果。蠡湖水質在同一季節(jié)分布差異不大，模擬時認為蠡湖初始水質分布均勻，選取秋季測量時SD最小值所對應的SS濃度作為初始值，即蠡湖SS模擬初始質量濃度為28 mg/L，原水凈化后SS質量濃度為3 mg/L。

影響EFDC模型中染色劑模型精度的主要因素是水動力條件和參數，對比湖泊不同斷面實測與模擬的平均流速可以驗證參數設置的合理性和模型的準確性。2019年9月10日，根據ADCP對蠡湖斷面的測量結果，模擬邊界條件、氣象資料采用當天實測數據，選取其中8個典型斷面實測平均流速與模擬結果對比，最小誤差為5.2%，最大誤差為9.1%，說明模型的精度較高，參數設置合理。

1.5 模擬方案

蠡湖是一個封閉的水體，邊界條件相對簡單，根據規(guī)劃，補水工程流量將在7.5、15.0、22.5 m3/s中選擇，采用“一進兩出”的運行方式，由于依靠已建泵站抽水，其流量調節(jié)只能通過開停機實現，出水流量只能是單機流量的整數倍，因此在模擬小試基礎上，確定了湖泊左(梅梁湖泵站)右(曹王涇泵站)兩個出水點流量分配比例為1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0，結合3種進水流量，共獲得9個模擬方案。在模擬過程中發(fā)現，由于梅梁湖泵站的位置緊靠蠡堤，造成蠡湖A區(qū)存在大片死水區(qū)，補水效果差，因此提出了在A區(qū)設置兩種擋水墻方案，擋水墻布置見圖3。

圖3 兩種擋水墻方案Fig.3 Two types of water retaining wall scheme

2 模擬結果與討論

2.1 不同運行工況模擬結果

在A區(qū)不設置擋水墻的情況下，9種運行工況下蠡湖全區(qū)平均SS隨時間的變化情況見圖4。隨著補水時間的延長，蠡湖平均SS濃度逐漸下降，下降速率由快變慢，最后趨于平緩，在同一進水流量下，梅梁湖泵站和曹王涇泵站出水流量分配比例為1.5∶1.0時效果最佳。以進水流量15.0 m3/s、補水28 d為例，分配比例為1.0∶1.0時SS降低至5.4 mg/L，分配比例為1.5∶1.0時SS降低至4.7 mg/L，分配比例為2.0∶1.0時SS降至4.9 mg/L。

圖4 9種運行工況下蠡湖全區(qū)平均SS變化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，補水流量越大，蠡湖全區(qū)的平均SS濃度下降速率越快，到達相同補水效果耗時越短。以分配比例1.5∶1.0為例，蠡湖全區(qū)平均SS由28 mg/L降低至8 mg/L(對應SD分別約為0.30 m和0.71 m)時，進水流量為7.5 m3/s時需要補水27 d，進水流量為15.0 m3/s時需要補水13 d，進水流量為22.5 m3/s時只需要補水9 d。同時可以看出，小流量方案在補水較長時間后湖泊中的平均SS濃度才趨于平衡，且離目標值差距較大。如進水流量為7.5 m3/s時，SS只能降至7.8 mg/L左右；而進水流量為15.0、22.5 m3/s時，SS可以分別降低至4.7、4.2 mg/L。

2.2 蠡湖不同區(qū)域補水效果

模擬結果表明，雖然9種工況對蠡湖水質凈化效果略有差異，但就分區(qū)補水效果來看，補水后湖泊中的平均SS濃度變化趨勢相同，改善效果總體表現為B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)的水質改善效果較差，均存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。特別是A區(qū)，由于梅梁湖泵站進水口靠近蠡堤西側，補水水源經過蠡堤后直接進入泵站引水河道，使得A區(qū)存在大片的死水區(qū)，要保證A區(qū)換水效果，可以設置擋水墻，引導清潔水源繞行A區(qū)。

2.3 設置擋水墻后蠡湖補水效果

2.3.1 設置擋水墻后流場變化

圖5展示了在蠡湖A區(qū)設置擋水墻1前后(工程已穩(wěn)定運行)，區(qū)域的流場分布。平均流速大約0.01 m/s，設置擋水墻1后A區(qū)的死水區(qū)明顯減少，補水效果顯著提高。

注：無箭頭處為死水區(qū)。圖5 A區(qū)設置擋水墻前后蠡湖流場Fig.5 Flow field of Lihu Lake before and after setting water retaining wall in zone A

2.3.2 設置擋水墻后補水效果

圖6展示了蠡湖A區(qū)設置擋水墻前后，出水流量分配比例為1.5∶1.0時，3個進水流量工況下蠡湖全區(qū)的平均SS變化情況。

由圖6可以看出，在A區(qū)設置擋水墻后，兩個擋水墻方案都可以極大改善蠡湖全區(qū)換水效果。出水流量分配比例為1.5∶1.0，進水流量為7.5 m3/s時，全湖平均SS降到4 mg/L，設置擋水墻1、2分別需要補水45、40 d；當進水流量為15.0 m3/s時，全湖平均SS降到4 mg/L，設置擋水墻1、2分別需要補水22、19 d；當進水流量為22.5 m3/s時，采用擋水墻1、2分別需要補水21、18 d。

圖6 設置擋水墻前后不同工況下補水時蠡湖全區(qū)平均SS變化Fig.6 Changes of average SS concentration of Lihu Lake under different conditions before and after setting wate retaining wall

將EFDC模型模擬得到的不同補水工況下蠡湖SS的變化結果，結合式(1)可以得到相應的蠡湖SD變化情況。以進水流量22.5 m3/s、出水流量分配比例1.5∶1.0工況為例，如圖7所示，在補水時間均為28 d時，隨著新鮮水源的進入，未設擋水墻時蠡湖平均SD為1.00 m；在A區(qū)設置擋水墻1 后，蠡湖平均SD為1.17 m；在A區(qū)設置擋水墻2后，蠡湖平均SD可以達到1.23 m，遠超目標值。

圖7 設置擋水墻前后蠡湖全區(qū)平均SD變化Fig.7 Change of mean SD of Lihu Lake before and after setting water retaining wall

2.4 討 論

通過清潔水源補水，在對流、擴散作用下攜帶湖泊本身難以降解的污染物出湖，可以降低湖泊SS濃度，提高水體SD。另外，補水工程通過加速水體流動，利于水體富氧，改善沉水植物所需要的光照和溶解氧條件，促進沉水植物的生長，增加水體生物多樣性[14]，由此能進一步去除水中溶解性污染物，抑制湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生，提高水體的自凈能力，最終達到自凈能力與污染負荷的平衡，并維持較好的水質狀態(tài)。本研究僅從降低湖泊SS濃度角度研究了補水方案，實際上生態(tài)補水是從多方面改善湖泊水生態(tài)環(huán)境的，還需對其他水質指標進行數值模擬，并對工程實際運行的效果進行監(jiān)測和分析，進一步闡明其作用機理，關于水體SD對沉水植物生長的影響機理和定量關系尚需深入研究；生態(tài)補水降低水體中SS濃度、提高SD只是應急措施，需要建立長效機制解決底泥上浮問題，綜合采用清淤、微生物治理、底泥固化等技術。

3 結論與建議

(1) 模擬結果表明，相同的進水流量，左右兩個出水點流量分配比例為1.5∶1.0時蠡湖SD改善效果最好，在此分配比例下，進水流量7.5、15.0、22.5 m3/s工況下SD達到0.71 m(SS降至8 mg/L)分別需要補水27、13、9 d。從分區(qū)補水效果來看，B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)SD改善效果較差，主要是存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。

(2) 通過在A區(qū)設置擋水墻，可以提高補水效果。要將平均SD提高至約1 m，進水流量為7.5 m3/s時，設置擋水墻1、2分別需要補水45、40 d；進水流量為15.0 m3/s時，分別需要補水22、19 d；進水流量為22.5 m3/s時，分別需要補水要21、18 d。

(3) 蠡湖生態(tài)補水工程在A區(qū)建設擋水墻后，總體上能在較短時間內使SD提高到1 m，對于局部死水區(qū)，可以采用潛水推流的方式，強化與主流區(qū)的水體交換，提高補水效果。