陈典坤，杨 显

(河海大学力学与材料学院，江苏南京 211100)

自20世纪80年代以来，太湖流域因水体富营养化等原因常暴发蓝藻水华[1]，严重影响了区域内的生产活动和社会经济发展。2007年太湖流域暴发大规模蓝藻事件后，为治理太湖水环境，开始了以“引江济太”工程为核心的一系列治理工程。“引江济太”工程通过实施以“静态河网、动态水体、科学调度、合理配置”为战略目标的重大举措，适时通过望虞河将长江水引入太湖以实现改善太湖水环境的目标[2]。太湖富营养化等水体环境问题一直受到广泛关注[3-6]，“引江济太”工程运行以来，许多学者对工程在提升太湖水体水质与改善区域水环境等方面进行了研究，成果众多[7-12]，但目前对“引江济太”工程的研究主要集中在望虞河引水工程对贡湖与太湖水质的影响，而对2020年建成并投入使用的新孟河延伸拓浚工程和新沟河延伸拓浚工程的研究较少。新孟河延伸拓浚工程北起长江，沿老新孟河拓浚至京杭运河，拓浚太滆运河和漕桥河入太湖；新沟河延伸拓浚工程从长江沿现有新沟河至京杭运河后，分别疏浚直湖港、武进港至太湖(图1)。在2016年以后，太湖总磷(TP)浓度出现反弹现象[13-14]并在2017年暴发大面积蓝藻[15]，截至2019年太湖TP浓度没有明显下降[16]。本研究模拟新孟河延伸拓浚工程、新沟河延伸拓浚工程、望虞河引水工程运行时，梅梁湾在盛行风向下的TP和总氮(TN)的迁移扩散规律，研究成果可为改善梅梁湾及太湖水质提供新的解决方案。

太湖是浅水湖泊，风场是影响其流场特征的主要因素[17]，水面的夏季盛行风和冬季盛行风是东南风和西北风[18]。本文以太湖梅梁湾(图1)为研究对象，模拟“引江济太”新建工程实际运行时，梅梁湾在夏半季盛行风(东南风)与冬半季盛行风(西北风)两种风向下TP和TN的迁移扩散规律。

图1 “引江济太”工程示意图和梅梁湾观测点Fig.1 Sketch Map of “Yangtze River-Taihu Lake Water Diversion” and Observation Point of Meiliang Bay

1 水动力水质模型的建立

1.1 模型建立

守恒型二维浅水方程与对流扩散方程耦合的矢量表达[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)，源汇项如式(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——时间，s;

h——水深，m；

u、v——x和y向的垂线平均流速分量，m/s；

T——表示转置；

g——重力加速度，m/s2；

Ci——溶质垂线平均质量浓度，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，摩阻坡度由曼宁公式估算；

Di——扩散系数，m2/s；

▽——梯度算子，m-1；

μi——降解系数，s-1；

Si——源汇项，mg/(L·s)，模型中考虑风力。

模型包括两个部分：(1)应用有限体积法及黎曼近似解对耦合方程组进行数值求解；(2)根据WASP5模型中氮、磷等营养盐指标在湖泊生态系统中的循环规律原理编写计算污染物源汇项程序。通过模型模拟出水体的流动过程和相应的污染物输运扩散过程。

1.2 模拟区域及网格生成

本研究主要关注梅梁湖，边界输入主要考虑新孟河延伸拓浚工程、新沟河延伸拓浚工程和望虞河引水工程。本文建立的模型及计算区域是整个太湖，为模拟出“引江济太”新建工程对太湖梅梁湾区域的TP和TN影响，在工况运行过程中保持新孟河、新沟河、望虞河和太浦河共4个河道呈开启状态。采用无结构四边形网格对计算区域进行剖分，计算区域内有6 348个计算节点和5 943个计算单元，总计算时长为744 h。

1.3 模型中的基础数据

(1)边界条件及初始条件

根据太湖小雷山气象站2007年12月—2008年11月的测量资料[18]，太湖湖面风速集中在4.0～6.0 m/s，盛行风向为东南风和西北风。入口边界条件为2014年1月环湖河道进出太湖的流量时间过程线和浓度时间过程线，出口为水位时间过程线，浓度过程取纽曼条件，太湖初始水位H=3 m。

(2)参数的率定

根据水质监测资料，结合WASP5模型提供的参考值，通过多次调试得到模型的参数值。表1是部分模型参数率定值。

表1 WASP5模型参数值Tab.1 Parameters of WASP5 Model

1.4 模型的率定

利用本模型模拟太湖在东南风风速为4.0 m/s时的流场，将模拟结果与实际监测的流场[10]进行对比(图2)，发现结果一致：湖西区流场大致呈顺时针状，湖心区产生了一个逆时针流场，贡湖与梅梁湾水流呈逆时针方向流动，流速大小也与实测值接近。计算结果表明，本模型可以反映太湖实际的水动力学特性。杨显[19]通过将该模型模拟的贡湖观测点TP浓度值与实测值进行对比，模拟结果符合实际情况，也验证了该模型的可靠性与实用性。

图2 东南风下流场Fig.2 Flow Field under Southeast Wind

2 方案设计

因改善梅梁湾湖体水动力条件及水环境状况的需要，新沟河延伸拓浚工程设计外排流量为150 m3/s。新孟河延伸拓浚工程设计最大泵引为300 m3/s，为考虑经济性，日常引水流量按100 m3/s考虑[20]。为探究盛行风向下不同引排水量对梅梁湾TP与TN浓度分布的影响，在东南风与西北风下改变新沟河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的引排水量，并将梅梁湾泵站关闭、太浦闸开启，其他观测河道在模拟期间保持关闭状态，设计多种运行工况。

模拟方案如表2所示。(1)模拟4月—6月的太湖水环境，此时太湖盛行风向为东南风，单一工况的计算时长为31 d(744 h)。设置工况1、工况2、工况3共3种运行工况，工况2与工况1为对比工况，增加新沟河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工况3与工况2为对比工况，增加新孟河延伸拓浚工程的引水量50 m3/s。(2)模拟10月—12月的太湖水环境，此时湖面盛行风为西北风，计算时长为31 d(744 h)。设置工况4、工况5、工况6共3种运行工况，工况5与工况4为对比工况，增加新沟河延伸拓浚工程的排水量50 m3/s；工况6与工况5为对比工况，增加新孟河延伸拓浚工程引水量50 m3/s。

表2 模拟方案Tab.2 Simulated Scheme

图3 梅梁湾的流场模拟结果 (工况1～工况6)Fig.3 Flow Field Simulation Results in Meiliang Bay (Working Condition 1～Working Condition 6)

3 流场及水质模拟结果

3.1 流场模拟结果

如图3所示，工况1中梅梁湾水流呈逆时针方向流动。工况2与工况1相比，湾内西部水流的流动方向发生了变化，水体从梅梁湾北部向南部流动并流向新沟河排水口，湾内水流流速增大。工况2的西部流速为0～0.01 m/s，北部流速为0.01～0.03 m/s，东部近岸流速为0.02～0.03 m/s。工况3与工况2相比，不同区域的流速大小和水流流动方向基本一致。

在西北风作用下，工况4、5、6下，梅梁湾水流整体流向未发生改变，均呈顺时针方向流动，东部近岸水流流速大于西部。工况5与工况4相比，湾内各区域的流速增加，特别是新沟河排水口附近，工况5的西部流速在0.01～0.02 m/s，北部流速在0.01～0.03 m/s，东部近岸流速在0.02～0.03 m/s。工况6与工况5相比，流速大小和水流流动方向基本一致。

3.2 水质模拟结果

根据实测[21]，梅梁湾初始TP质量浓度为0.29 mg/L，初始TN质量浓度为5.01 mg/L，引水水体的TP质量浓度为0.08 mg/L，TN质量浓度为0.98 mg/L。如图4所示，盛行风为东南风时，在工况1下，经过31 d后，梅梁湾水体TP质量浓度为0.07～0.17 mg/L，下降41%～76%，梅梁湾的TN质量浓度为1.30～3.35 mg/L，下降33%～74%，湾区水体水质大幅度提升。在工况2下，与工况1相比，梅梁湾东部水域TP与TN浓度明显下降，以TP作为衡量指标，Ⅳ类水体面积增大。工况3与工况2相比，梅梁湾东部水域TP与TN浓度出现小幅度升高，说明在东南风作用下保持新沟河排水量不变，大幅度增加新孟河引水量时，可能会导致营养盐随水流沉积在湾区东部。

图4 东南风向下湖湾TP与TN浓度 (工况1～工况3)Fig.4 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under Southeast Wind (Working Condition 1～Working Condition 3)

图5 西北风向下湖湾TP与TN浓度(工况4～工况6)Fig.5 Concentrations of TP and TN in Meiliang Bay under the Northwest Wind (Working Condition 4～Working Condition 6)

图6 湖湾观测区域TP与TN浓度Fig.6 Concentrations of TP and TN in Observation Areas of Meiliang Bay

如图5所示，盛行风为西北风时，在工况4下，经过31 d后，梅梁湾水体TP质量浓度为0.08～0.19 mg/L，下降幅度34%～72%，湾区TP浓度表现为东高西低、北高南低。水体TN下降至1.50～3.75 mg/L，下降幅度25%～70%。工况5与工况4相比，湖湾西部水体水质改善明显，TP低于0.1 mg/L，达到Ⅳ类水体水质标准。工况6与工况5相比，增加了新孟河引水流量，梅梁湾西部水域TP与TN质量浓度继续下降，且TN的下降幅度远大于TP。

3.3 观测点水质的模拟结果

分别在梅梁湾观测区域采集TP与TN浓度，分析各区域在不同工况下TP与TN的扩散及分布情况，如图6所示。在东南风向下，工况1、工况2、工况3均表现为湖湾左岸浓度最高，中部浓度次之，右岸浓度最低。工况2与工况1相比，新沟河段排水量增加，梅梁湾各区域TN与TP浓度下降明显。工况3与工况2相比，增加新孟河工程引水量，对梅梁湾湾内侧如L1、L2、M1、M2、M3、R1、R2、R3处TP与TN影响较小，而梅梁湾外侧L3、L4、M4、M5处浓度下降，因此，主要降低太湖湖心区一侧的污染物浓度。

在西北风向下，工况4、工况5、工况6均表现为湖湾右岸浓度最高，左岸浓度最低。工况5与工况4相比，增加了新沟河排水量，梅梁湾左岸和中部TP与TN浓度下降明显。工况6与工况5相比，增加新孟河引水量，梅梁湾左岸即L1、L2、L3、L4处的TP与TN浓度下降，湖湾中部和右岸的TP与TN浓度无明显变化。

4 结论

(1)“引江济太”新建工程——新沟河延伸拓浚工程、新孟河延伸拓浚工程的建成投入使用，增加了进出太湖水量，可以降低梅梁湾水体的TP与TN浓度，表明新孟河延伸拓浚工程、新沟河延伸拓浚工程的运行可以有效提升梅梁湾水域水质，为“2016年太湖TP出现反弹”引起的水质问题提供新的解决方案。

(2)通过分析梅梁湾水体在不同季节风向下进行引排水作业时TP与TN浓度的变化情况，发现在东南风即夏半季的盛行风向下，梅梁湾的TP与TN降幅大于西北风作用下的降幅，说明在夏半季进行“引江济太”新建工程的引排水作业更有利于降低梅梁湾的营养盐浓度，提升太湖水质。

(3)分析不同工况下梅梁湾左岸、中部、右岸的TP与TN浓度，当新孟河增加引水量时，梅梁湾TP与TN下降并不明显，对梅梁湾特别是中心区域的水质影响范围较小，提升梅梁湾水质的效果有限。当新沟河增加排水量时，梅梁湾左岸、中部及右岸的TP与TN出现较大幅度下降。这说明相较于新孟河引水作业，进行新沟河排水作业时可以更快速地降低梅梁湾TP和TN的浓度，在短时期内能有效改善梅梁湾的水体环境。