基于人工導流的太湖調水清污新思路

陳凱麒，祁昌軍，李巍，陶潔

1.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012 2.國家環境保護環境影響評價數值模擬重點實驗室，北京 100012 3.水電環境研究院，北京 100012 4.上?？睖y設計研究院，上海 200434 5.中國水利水電科學研究院，北京 100038

太湖是長江下游著名的淡水湖，是下游流域水調節和水生態系統的中心，不僅擔負著上海、無錫、湖州等大中型城市的城鄉供水，還有向下游地區供水并改善河網水質的作用。隨著經濟社會的迅速發展和人口猛增，太湖流域廢污水排放量逐年增加，日益突出的水環境問題導致流域藍藻水華事件頻繁暴發，使生態系統和生物多樣性的破壞進程加快[1]。太湖水環境的嚴重惡化引起了政府和社會各界人士的廣泛關注，2001年國務院批復實施了《太湖水污染防治“十五”計劃》，2008年又批復了《太湖流域水環境綜合治理總體方案》。筆者通過分析總結太湖生態治理措施，提出一種新思路，在太湖內結合清淤、航道疏浚及景觀美化工程建設導流堤，以阻隔太湖在風力作用下形成無效的“死”循環系統，有組織地引導、控制水體流動，從而促進湖體的有序水循環，以期大幅度、高效地改善太湖調水清污效果。

1 太湖水質治理回顧

1.1 生態清淤工程

太湖湖區平面分布如圖1所示。太湖底泥污染嚴重，氮、磷、有機碳等呈釋放狀態，是導致其水質惡化、水體富營養化，湖灣藍藻爆發、湖泛生成的重要內源。根據2007年《太湖污染底泥疏浚規劃》的批復，國家組織相關專家經過大量調查、分析與試驗模擬，提出了太湖生態清淤工程初步方案，并于2008年底全面啟動該項工程。

圖1 太湖湖區平面分布示意Fig.1 Diagram of area distribution in the Taihu Lake

清淤工程實施范圍為太湖底泥污染嚴重、水草分布較少、水生生物多樣性不足、藍藻水華多發的竺山湖，及西部沿岸區、梅梁湖、貢湖和東太湖區，預計總清淤面積122.85 km2，工程量3 597.33萬m3。至2012年底，已累計完成清淤面積約106 km2，清淤土方量3 200萬m3[2]。目前通過對生態清淤工程的跟蹤調研，發現清淤區水環境狀況逐步改善，主要污染物濃度呈不同程度的降低，但由于工程復雜、規模巨大，其對水生植物、底棲生物等造成的生態負面影響，不明確的環境經濟綜合效益，轉移底泥的二次污染等問題也一直備受爭議[3-9]。

1.2 調水引流工程

調水引流工程主要歷經2個過程：1)2002年起實施的引江濟太調水實踐，即從常熟樞紐抽引長江水經望虞河，再由望亭水利樞紐直接補給太湖；2)2007年的應急調水，即因太湖藍藻暴發、無錫供水危機等狀況，加大引江濟太調水量的同時(常熟水利樞紐調水流量從160 m3/s提高到240 m3/s，望亭立交水利樞紐入湖流量從100 m3/s提高到200 m3/s)，啟動梅梁湖泵站(設計流量50 m3/s)，抽調太湖水入京杭大運河。通過后續的調水實踐，太湖調水逐步形成了“長江—望虞河—貢湖—東太湖—太浦河”和“長江—望虞河—貢湖—梅梁湖”2個由望虞河入湖至梅梁湖泵站(2010年完工的大渲河泵站配套工程，設計流量為50 m3/s)和太浦閘出湖的主要環流格局。

2 太湖典型風況下的流場特性

太湖湖面開闊，水動力學條件以風生流為主，不同風向的風場形成流場差異較大。研究利用數值模擬方法，假設恒定風速為4.0 m/s，不考慮入流和出流，選取東南(SE)、西南(SW)、東北(NE)、西北(NW)4種風況，初步模擬各風況下的太湖流場和流線特性。限于篇幅僅以東南風、東北風風況下的流場和流線圖為例(圖2)。

圖2 不同風況下的流場與流線Fig.2 Flow field and streamline under different wind conditions

由圖2可知：1)不同風況下，大致形成西太湖環流系統和湖心區環流系統2個較大環流系統，其范圍有所不同。在東南、西南風持續作用下，西太湖環流為順時針方向，湖心區環流為逆時針方向；竺山湖、梅梁湖、貢湖和東太湖湖灣亦形成局部環流。在東北、西北風持續作用下，湖區和湖灣環流分布大小基本與東南、西南風一致，但流向相反。2)4種風況下，太湖水體在環流邊界處速度較大，內部較小，但整體流速均不高，平均流速為0.01～0.02 m/s。

3 太湖調水清淤新思路

3.1 思路的提出

基于人工導流，減少太湖無效閉合環流系統，提高太湖水體交換率的思路，考慮在太湖湖區內結合清淤及航道疏浚工程建設導流堤，阻隔太湖在風力作用下形成大的環流系統，有組織引導、控制水體流動，從而促進湖體的有序水流動循環，以期大幅度、高效地改善太湖調水清污效果。

3.2 導流堤設置原則

根據對不同風向下的太湖流場、流線形態，初步考慮導流堤設置原則為：1)盡量減少對水流交換無效的風生環流；2)盡量引導水流帶動流動性差的湖灣水體；3)在主控風向條件下，盡量加強引水與湖水的置換率。

根據現階段研究成果，初步設想了方案的有效性判據：1)相同時間內，湖內污染物的置換率；2)西太湖環流系統和湖心區環流系統形成時間和范圍；3)不同湖區內各污染因子的達標率；4)各湖灣水體交換時間。

隨著研究的深入，將繼續優化導流堤設置原則，選取最優的有效性判據組合方案。

3.3 方案設置

提出了太湖治污新思路的數值模型試驗，為簡化工況，突出重點，計算所采用的風況、水質等要素均為假設條件。在該假設條件下，模擬不同導流堤方案對太湖流場和污染物置換率的影響，計算結果不代表對太湖水質的實際改善效果。

太湖調水清污工程效果與風況、水文條件、引水水質、引水流量以及文中提出的工程導流措施有關。

(1) 風況

根據對歷年氣象資料的統計，可以認為在太湖富營養化的高發期(5—7月)，太湖主導風向為東南風，平均風速為3.5～5.0 m/s[10-14]。選取太湖常年恒定風向東南風和年內變化風向2種風況，風速假定為4.0 m/s。

(2) 初始水位

選取太湖多年平均水位3.11 m為模型試驗的初始水位。

(3) 降雨、蒸發

該次模擬不考慮太湖區域的降雨、蒸發。

(4) 引水、供水

太湖主要環湖河道有219條，模型試驗主要考慮從長江通過望虞河引水入太湖，從東太湖的太浦河向下游出流，平均調水流量為20～240 m3/s[15]；假定望虞河引流入湖及太浦河出流流量均為200 m3/s，不考慮其他支流匯入。

(5) 水質

假設污染物A在湖區的初始濃度為100 mg/L，且均勻分布；從望虞河引水入太湖的污染物A濃度為0；不考慮其他支流和周邊該污染物的匯入。通過數值模擬，計算不同時刻出流帶出污染物A的累計量，并與初始狀態下湖內污染物A的總量相比，得出不同方案相同時間內污染物A的置換率，分析太湖調水清污效果。

(6) 導流堤方案

初步設計5種導流堤方案，各導流堤方案見表1。通過數值模型試驗，研究每種導流堤對太湖引水清污的作用。

表1 導流堤布置方案

注：圖中粗實線表示導流堤。

(7) 計算方案

考慮2種風況，風況1為全年恒定風向東南風，風速為4.0 m/s；風況2為按季節變化風向(東南風+東北風+西北風)，風速為4.0 m/s。污染物A在湖區的初始濃度為100 mg/L，計算5種導流堤方案下太湖污染物的置換情況，計算時間為1 a。

3.4 模擬結果

3.4.1 污染物置換率

在水動力模型計算的基礎上，構建對流擴散模型，計算污染物A在引水流量為200 m3/s條件下的污染物置換率。模型計算時間為1 a，不考慮污染物的衰減作用。對污染物置換率定義為：

式中，a為污染物置換率，%；Wi為某時段內出流帶出污染物A的量，t；W為初始狀態下湖內污染物A的總量，t；t為計算時長，h。

太湖導流堤工程對湖內污染物置換率的改善效果見表2和表3。

表2 污染物置換效果(風況1)

注：風況為全年恒定風向東南風，風速為4.0 m/s。

表3 污染物置換效果(風況2)

注：風況為按季節變化風向(東南風+東北風+西北風)，風速為4.0 m/s。

由表2可知，在全年恒定風向東南風作用下，引水流量為200 m3/s時，太湖污染物置換率為75.83%。在湖區設置導流堤后，各導流堤方案對太湖污染物置換率均有一定影響，其中導流堤方案五對太湖污染物置換率的改善相對最明顯，污染物置換率提高2.20個百分點，每年可增加污染物交換量約10 437 t。

由表3可知，在季節變化風向(東南風+東北風+西北風)作用下，引水流量為200 m3/s時，太湖污染物置換率為73.90%，比全年恒定東南風下污染物置換率下降1.93個百分點。可見，風作用對太湖水質擴散、輸移影響較為突出。在湖區設置導流堤后，相比較于全年恒定風向東南風的計算結果，各導流堤方案對太湖污染物置換率改善效果不理想，除方案五使污染物置換率增加0.71個百分點，年增加污染物交換量約3 374 t外，其余各導流堤方案對太湖污染物置換率都弱于無導流堤方案。

由模型試驗可知，方案五在風況1條件下的污染物置換效果相對較好，以下重點對風況1下方案五和方案一全湖及各分湖區污染物剩余率(某時間段內湖內剩余污染物總量與初始狀態時湖內污染物總量的比)變化進行對比分析。結果見圖3(恒定風向東南風)。

注：風向東南風。圖3 湖內污染物剩余率隨時間的變化Fig.3 The curve of contaminants remaining in the lake changes with time

由圖3可知，從全湖看，導流堤方案五總體污染物置換率大于無導流堤方案；在恒定東南風向條件下，導流堤方案五污染物剩余量曲線低于無導流堤方案，污染物置換率也較之快些。從各湖區來看，梅梁湖和貢湖導流堤方案五污染物置換率高于無導流堤方案；竺山湖在計算時間前130 d內導流堤方案五污染物置換率低于無導流堤方案，130 d后導流堤方案五污染物置換率高于無導流堤方案；由于模型計算出口位于東太湖，為水質交換路徑末端，相比于導流堤方案五，無導流堤方案污染物置換率要高些?？傮w上，導流堤方案五對太湖污染物置換率有所改善，對各湖區的改善效果受風作用和導流堤位置影響明顯。

3.4.2 流場變化

由于數值試驗的方案較多，限于篇幅只給出對太湖污染物置換率的改善相對最明顯的導流堤方案五的流場變化(圖4)。由圖4可以看出，導流堤方案五對太湖環流系統影響明顯，西太湖環流系統和湖心區環流系統在導流堤的作用下，環流系統范圍變小；在風向西北風下，湖心區的大環流變為數個小環流；不同風況下，西太湖靠岸環流系統范圍仍然較大，說明導流堤方案還需進一步優化、調整。

圖4 導流堤方案五流場圖、流線圖Fig.4 Figures of flow field and streamline under dike scheme 5

4 結語

提出了太湖污染治理的新思路，即在太湖內結合清淤、航道疏浚及景觀美化工程建設導流堤，以阻隔太湖在風力作用下形成無效的“死”循環系統，有組織地引導、控制水體流動，從而促進湖體的有序水循環，大幅度、高效地改善太湖調水清污效果。

研究表明：1)風是太湖環流運動的主要驅動力，環流作用對太湖水質輸移和空間分布起到關鍵作用；2)在太湖配合引水工程建導流堤，對促進太湖污染物置換有較大的改善作用，導流堤方案五對太湖污染物置換率的改善相對最明顯，污染物置換率有明顯提高；3)從目前設置的導流堤方案效果來看，雖然每年能增加的污染物交換量相對有限，但其顯示的結果是積極的、值得進一步探討的，不失為一種治理太湖水環境的新思路。

作為一種太湖調水清污的研究思路，在假設條件下，利用數值模擬手段對導流堤的布置及效果進行了探討，對導流堤的分布形式、位置、長度等還需要結合太湖多年實測風況、水質等資料進行進一步的優化比選研究。從社會、經濟和環保效益上考慮，下一步應結合太湖清淤、航運、防洪、景觀生態和旅游等需求，以及工程造價和安全性等方面開展綜合研究、統籌考慮，優化導流堤方案設計，使之適應于不同風況條件并滿足工程設計要求。

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