暴雨徑流對五里湖水質的影響

劉曉東,胡功宇,周媛媛,涂琦樂,鄭孝宇

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098; 3.長江水利委員會荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434002)

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暴雨徑流對五里湖水質的影響

劉曉東1,2,胡功宇3,周媛媛2,涂琦樂2,鄭孝宇2

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098; 3.長江水利委員會荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434002)

針對五里湖曲折不規則邊界,采用四邊形網格擬合,構建了基于四邊形網格的平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質耦合模型,并進行了模型驗證。利用該模型模擬了設計暴雨徑流對五里湖水質影響的動態過程,分析東西五里湖寶界橋斷面CODMn、NH3-N、TP和TN的交換通量。結果表明:在設計典型暴雨條件下,罵蠡港大流量的進水對西五里湖的水質有較大影響,設計暴雨發生3 d后,徑流污水開始影響到西五里湖,在第4天后水質濃度達到峰值,使部分湖區水質由Ⅲ類變為Ⅳ類,但持續時間較短,此后濃度迅速減小。

暴雨徑流;五里湖;二維水流水質耦合模型;四邊形網格;CODMn

五里湖位于江蘇省無錫市境內,是太湖北部的一個內湖,為典型的平原淺水湖泊,湖泊東西長約6 km,南北寬0.3～1.5 km,平均水深約1.8 m,面積約為5.4 km2,沿線支流眾多,主要有罵蠡港、梁塘河、梁溪河、長廣溪等河道(圖1)。近年來,太湖富營養化現象日趨嚴重,尤其是五里湖,成為太湖流域水質最差的水域,CODMn、TP、TN等水質指標均為劣V類,藻類頻繁暴發。加之五里湖水體流動緩慢、稀釋自凈能力差, 湖體面積小、流程短;同時清淤后湖底地形比較平坦,五里湖流態相對單一,很容易受到進出湖吞吐流的影響,造成五里湖水環境嚴重惡化[1]。

圖1 五里湖區域

近年來,我國對五里湖和大太湖的水動力和水質數值模擬陸續開展了不少研究工作。例如,中國科學院南京地理與湖泊研究所重點研究了梅梁湖泵站不同調水流量和不同出流方式下五里湖水環境的變化[2];田向榮等[3]以改善梅梁湖、五里湖水環境為目標,重點分析了調水的敏感影響因子對梅梁湖、五里湖水環境改善效果的影響;丁玲等[4]建立了五里湖二維水流水質耦合模型,并對模型參數進行率定,應用該模型模擬五里湖在不同計算工況下的CODMn濃度,分析調貢湖水入五里湖時五里湖水質的改善狀況。駱輝煌[5]研究了平面二維有限元水動力學模型RMA2和RMA4在五里湖調水數值模擬中主要參數的敏感性,提出通過集中調水和維持性調水相結合的方式改善五里湖水質的優化調水方案。

上述研究基本上都是針對常規水文條件下五里湖的水質狀況,未考慮暴雨等極端水文情況下的影響。本文采用基于四邊形網格的二維水流水質耦合模型模擬暴雨徑流對五里湖水質影響的動態過程,分析了寶界橋斷面的交換通量。

1 平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質耦合模型的構建

1.1 基本方程

二維水流水質模型基本方程組[6-7]的守恒形式可表達為

(1)

其中,b1=0,b2=gh(S0x-Sfx),b3=bh(S0y-Sfy),

b4=·(Di(hC))-K·hC

式中:x、y、t分別為空間及時間坐標系;h為水深;g為重力加速度;u和v分別為x和y向沿水深積分平均流速分量;C為污染物沿水深積分的垂線平均濃度;q為守恒物理量;f(q)為x向通量;g(q)為y向通量;b(q)為源(匯)項;S0x和Sfx分別為x向的水底底坡和摩阻坡度;S0y和Sfy分別為y向的水底底坡和摩阻坡度;Di為水平不同方向上的混合系數;K為降解系數;·為Laplace算子。

1.2 邊界條件

1.2.1 入流邊界

對于入流邊界Γ0,須給定水位、流速及污染物濃度隨時間的變化值:

或

1.2.2 出流邊界

采用自由出流邊界,即:

1.2.3 固壁邊界

在湖岸等固壁邊界采用不可入條件,即vη=0(η為邊界法線方向)。

1.3 基本方程的有限體積法離散

對于任意單元Ω,其邊界為?Ω,通過對方程(1)積分并利用散度定理可得到有限體積法的基本方程:

(2)

式中:n為單元邊界?Ω的外法向單位向量;dω和dL分別為面積分和線積分微元;F(q)·n為法向數值通量,F(q)=(f(q),g(q))T。

采用一階精度離散和f、q具有的旋轉不變性,得到式(2)的等價公式:

(3)

其中b*(q)=(Ab1,Ab2,Ab3,∑Di(hC)L-AKhC))

式中:T(Φ)為坐標軸旋轉角度Φ的變換矩陣;m為單元邊總數;Lj為單元邊j的長度;A為單元面積。

2 模型的檢驗

2.1 網格劃分

為了更好地擬合復雜的湖泊邊界,采用四邊形無結構網格,網格尺寸變幅范圍約10 m×10 m～40 m×40 m,共有網格單元8 000多個,節點9 000余個。計算網格如圖2。

圖2 計算網格

2.2 模型驗證

采用2003年4月資料在實際入流量和平均風速條件下進行模擬計算,糙率系數0.018～0.022。模擬流場如圖3,在各監測點位上的流速在0.015～0.045 m/s之間,計算值與監測結果對比見圖4,與監測結果基本吻合,平均誤差為15.2%。

圖3 驗證流場

圖4 計算流速與實測流速對比

3 暴雨徑流影響模擬分析

3.1 設計暴雨徑流

參照2004年入湖河流的實測水文資料,設計典型暴雨徑流過程如圖5。

圖5 設計暴雨徑流過程線

3.2 計算條件

計算的水質指標為CODMn、NH3-N、TP和TN。五里湖水質取汛期平均質量濃度,入湖河流罵蠡港取汛期平均質量濃度,各水質指標設計質量濃度見表1。風速取暴雨期間風速12 m/s,風向取主導風向ESE。

表1 各水質指標的設計質量濃度 mg/L

3.3 計算結果分析

五里湖暴雨期模擬典型流場見圖6。

圖6 五里湖暴雨期模擬典型流場

3.3.1 CODMn擴散過程

圖7 五里湖暴雨1～7 d后CODMn質量濃度變化等值線(單位：mg/L)

在暴雨發生后1～7 d內五里湖CODMn濃度變化等值線見圖7。進水1 d后,進入的污水只局限在入水口附近的較小范圍內(圖7(a))。進水3 d后,污水的前鋒越過寶界橋,西五里湖開始受到影響(圖7(c))。進水4 d后,污染物質大規模穿過寶界橋,進入西五里湖,部分湖區水質由Ⅲ類變為Ⅳ類。進水5 d后,五里湖水質濃度分布趨于穩定。西五里湖CODMn的質量濃度有所升高,寶界橋附近的質量濃度升高了約0.8 mg/L(14%)

寶界橋斷面是東五里湖與西五里湖的交界斷面,CODMn動態交換過程情況如表2。由表2可見,隨著污染鋒面的通過,寶界橋斷面上的濃度分布趨向均勻,第7天的凈進入通量僅0.018 t/d。暴雨期間的最大凈進入通量達到1.539 t/d,大大高于西五里湖的自凈能力。

表2 寶界橋斷面CODMn動態交換過程情況

表3 寶界橋斷面TP、NH3-N、TN動態交換過程情況

暴雨徑流對湖泊水質的影響有明顯的區域性,由圖7可見,隨著時間的推移,污染物濃度分布的范圍開始發生變化。暴雨徑流對湖泊水質產生一定影響,暴雨期間,罵蠡港進水口附近出現明顯污染擴散帶,在風生環流與擴散的共同作用下向湖心區遷移。 隨著污染物濃度的降低和湖泊水體的稀釋、污染物濃度的降解和擴散,河口附近水質開始恢復。

3.3.2 TP、NH3-N、TN擴散過程

NH3-N、TP、TN的質量濃度等值線圖變化特性與CODMn相似,這里不再給出。寶界橋斷面TP、NH3-N、TN的動態交換過程情況見表3。

由表3可見,自罵蠡港等河流進來的暴雨徑流對西五里湖水質影響很大,污染物凈通量在第4天影響達到峰值,此后迅速減小。

4 結 論

a.構建了基于四邊形網格的平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質耦合模型,較好地擬合五里湖曲折不規則邊界。

b.暴雨徑流影響模擬結果表明:暴雨發生1 d后,影響只局限在入水口附近的較小范圍內,3 d后污水的前鋒越過寶界橋,西五里湖開始受到影響,4 d后污染物質大規模穿過寶界橋,進入西五里湖,部分湖區水質由Ⅲ類變為Ⅳ類,5 d后五里湖水質濃度分布趨于穩定。

c.典型暴雨條件下,寶界橋斷面污染物通量在第四天達到峰值,此后迅速減小。

[1] 柏祥,陳開寧,黃蔚,等.五里湖水質現狀與變化趨勢[J].水資源保護,2010,26(5):6-10.(BAI Xiang, CHEN Kaining,HUANG Wei, et al.Current status and variation tendency of water quality in Wuli Lake, Jiangsu Province[J].Water Resources Protection,2010,26(5):6-10.(in Chinese))

[2] 秦伯強,胡維平,陳偉民,等.太湖水環境演化過程與機理[M].北京:科學出版社,2004.

[3] 田向榮,馬巍,廖文根,等.調水對梅梁湖、五里湖水環境影響研究[J].人民長江,2007,38(2): 69-72.(TIAN Xiangrong,MA Wei,LIAO Wengen, et al.Effect of water diversion on water environment of Meilianghu lake and Wulihu lake [J].Yangtze River,2007,38(2): 69-72.(in Chinese))

[4] 丁玲,逄勇,趙棣華,等.調水工程對五里湖水環境影響分析[J].河海大學學報:自然科學版, 2003, 31(4): 366-369.(DING Ling,PANG Yong,ZHAO Dihua, et al.Effect of water diversion project on water environment of Wulihu Lake[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2003, 31(4): 366-369.(in Chinese))

[5] 駱輝煌.RMA2 和RMA4 在五里湖調水模擬中的開發應用研究[D].北京: 中國水利水電科學研究院, 2005.

[6] 趙棣華,姚琪,蔣艷,等.通量向量分裂格式的二維水流水質模擬[J].水科學進展,2002,13(6):701-706.(ZHAO Dihua,YAO Qi,JIANG Yan, et al.FVS scheme in2-D depth-averaged flow pollutants modeling[J].Advances in Water Science,2002,13(6):701-706.(in Chinese))

[7] 趙棣華,戚晨,庾維德,等.平面二維水流-水質有限體積法及黎曼近似解模型[J].水科學進展,2000,11(4):368-373.(ZHAO Dihua,QI Chen,YU Weide, et al.Finite volume method and riemann solver for depth-averaged two-dimensional flow-pollutants coupled model[J].Advances in Water Science, 2000,11(4):368-373.(in Chinese))

Impact of rainstorm runoff on water quality of Wuli Lake

LIU Xiaodong1,2,HU Gongyu3,ZHOU Yuanyuan2,TU Qile2,ZHENG Xiaoyu2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,Nanjing210098,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.JingjiangHydrologyandWaterResourcesSurveyBureau,ChangjiangWaterResourcesCommission,Jingzhou434002,China)

To fit the irregular boundaries of the Wuli Lake, quadrilateral mesh fitting has been used and a two-dimensional flux vector splitting (FVS) scheme flow-pollutant coupled model has been established, which was verificated after then.By using this model, the dynamic process of the impact of designed storm runoff on the water quality of Wuli Lake was simulated, the CODMn, NH3-N, TP and TN exchange fluxes at Baojie bridge section were analyzed.The result showed that in the designed typical storm conditions, the Maligang River got large flow of water which had a great impact on the water quality of West Wuli Lake.After 3-day designed storm occurred, runoff sewage began to affect the West Wuli Lake, and the concentration reached the peak after the fourth day, which changed the water quality from class Ⅲ to class Ⅳin some lake district, but the duration is short, which then decreases rapidly.

storm runoff; Wuli Lake; two-dimensional flow-pollutant coupled model; quadrilateral mesh; CODMn

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.014

國家自然科學基金(51479064，51379060)

劉曉東(1972—)，男，副教授，博士，主要從事環境與生態水力學、環境模擬等研究。E-mail:lxd54321@163.com

涂琦樂。E-mail:15295527223@163.com

X52

A

1004-6933(2015)04-0077-05

2014-12-10 編輯：徐 娟)