赤山湖區(qū)二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合數(shù)值模擬研究

戴 昱，張泉榮，陳 鑫，姚 成

(1.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

1 研究背景

隨著我國(guó)工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大量的人類(lèi)活動(dòng)，如灘涂圍墾、圍湖造田等沿岸開(kāi)發(fā)利用，極大地改變了自然湖泊生源要素的循環(huán)規(guī)律[1]。目前，我國(guó)已積極開(kāi)展湖泊水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，利用控源減排，退耕(退圩)、退塘還湖等保護(hù)措施取得了明顯成效[2- 3]。由于淺水湖泊自身水動(dòng)力條件的限制，以及湖泊周?chē)嬖次廴倦y以有效控制，易導(dǎo)致湖泊水體中藻類(lèi)和浮游植物的過(guò)量繁殖，致使湖泊加快走向富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)。因此，利用數(shù)值模擬技術(shù)，掌握湖泊的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及水質(zhì)變化規(guī)律，對(duì)于保護(hù)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的健康，支撐湖泊流域內(nèi)及周邊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及區(qū)域生態(tài)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(qū)20萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉和6.5萬(wàn)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(dān)負(fù)著上游527km2的洪水調(diào)蓄及下泄重任，對(duì)緩解句容河洪水、提高整個(gè)秦淮河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)省會(huì)南京城市安全有著舉足輕重的作用。

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，赤山湖圍湖養(yǎng)魚(yú)，將湖區(qū)分為環(huán)湖和內(nèi)湖漁場(chǎng)兩部分，分屬周邊各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。自此，漁場(chǎng)滯洪與水產(chǎn)養(yǎng)殖的矛盾也接踵而生，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的同時(shí)，周邊圩區(qū)防洪亦陷入被動(dòng)。

為保障赤山湖地區(qū)乃至整個(gè)秦淮河流域的防洪安全，赤山湖2010年開(kāi)始實(shí)施退漁還湖工程。通過(guò)近幾年退漁還湖和退漁還濕建設(shè)，赤山湖湖體由三岔湖區(qū)、白水蕩湖區(qū)、環(huán)河三部分組成，總面積為10.40km2，其中三岔湖4km2，環(huán)湖2.30km2，白水蕩4.10km2。

本文構(gòu)建赤山湖二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，研究赤山湖水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及水質(zhì)變化規(guī)律，并依據(jù)計(jì)算成果提出保障赤山湖長(zhǎng)效水生態(tài)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(dòng)力模型計(jì)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(shù)，f=2ωsinψ，ψ—當(dāng)?shù)鼐暥龋沪亍厍蜃赞D(zhuǎn)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(zhì)模型計(jì)算采用二維水質(zhì)擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)；Si—源(匯)項(xiàng)。

式(1)、(2)、(3)和(4)可表達(dá)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(jié)構(gòu)網(wǎng)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(shù)；Lj—第j單元邊的長(zhǎng)度；

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

2.3 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格剖分

計(jì)算區(qū)域?yàn)槌嗌胶?nèi)湖及外湖，湖泊入口為北河、中河、南河三個(gè)入口段面，北河入口為三聯(lián)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(nèi)、外湖由東閘、西閘控制。計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

計(jì)算區(qū)域采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，在內(nèi)、外湖連接的東閘、西閘處網(wǎng)格加密，共布置網(wǎng)格單元5561個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3344個(gè)。網(wǎng)格剖分圖如圖2所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域圖

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖

2.4 計(jì)算條件的選取

依據(jù)同步實(shí)測(cè)資料，模擬計(jì)算時(shí)段72個(gè)，每個(gè)時(shí)段為1h，總時(shí)間為72h，即2016年5月27日6∶00～30日6∶00。根據(jù)計(jì)算穩(wěn)定性和精度的需要，考慮網(wǎng)格單元大小，選取計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1s。

計(jì)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(guò)程，以及降雨過(guò)程。

2.5 模型驗(yàn)證

采用2016年5月27—30日的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料水質(zhì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1，模擬計(jì)算各污染計(jì)算值的平均值與實(shí)測(cè)值結(jié)果如圖3。

由圖3計(jì)算結(jié)果可以看出，模擬計(jì)算的水溫、水質(zhì)指標(biāo)值接近實(shí)測(cè)值，其中水溫的平均計(jì)算誤差為-2.74%，pH值的平均計(jì)算誤差為6.88%，溶解氧的平均計(jì)算誤差為-16.63%，葉綠素的平均計(jì)算誤差為9.787%，有機(jī)物需氧量的平均計(jì)算誤差為-37.3%，氨氮的平均計(jì)算誤差為18.52%，總氮的平均計(jì)算誤差為10.96%。其中除有機(jī)物需氧量的平均計(jì)算誤差略大外，模型預(yù)測(cè)精度符合工程要求。模型選用的參數(shù)合理，較好地反映了赤山湖湖區(qū)的水動(dòng)力和水質(zhì)特性。

3 計(jì)算成果

(1)模擬計(jì)算72h內(nèi)湖流場(chǎng)變化，給定東南風(fēng)2m/s，風(fēng)成環(huán)流明顯，內(nèi)外湖水量交換，流場(chǎng)合理，計(jì)算結(jié)果如下圖4所示。

圖4 流場(chǎng)計(jì)算成果圖

(2)模擬計(jì)算72h氨氮濃度場(chǎng)變化，計(jì)算時(shí)段降雨強(qiáng)度如圖5所示，東閘、西閘全開(kāi)，降雨初期徑流，上游河道水質(zhì)較差水體入湖，氨氮濃度較高，72h后水質(zhì)恢復(fù)正常狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果合理。

圖5 氨氮計(jì)算成果圖

(3)模擬計(jì)算72h內(nèi)pH濃度場(chǎng)變化，計(jì)算時(shí)段降雨強(qiáng)度如圖6所示，東閘、西閘全開(kāi)，降雨初期徑流，上游河道水質(zhì)較差水體入湖，pH濃度較高，72h后恢復(fù)正常狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果合理，如圖3所示。

圖6 pH計(jì)算成果圖

(4)模擬計(jì)算72h浮游植物濃度場(chǎng)變化，計(jì)算時(shí)段降雨強(qiáng)度如圖7所示，東閘、西閘全開(kāi)，降雨初期徑流和上游河道水質(zhì)較差水體入湖，浮游植物濃度較高，72h后恢復(fù)正常狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果合理。

圖7 浮游植物計(jì)算成果圖

4 結(jié)論

4.1 數(shù)值計(jì)算成果

(1)赤山湖現(xiàn)有的水動(dòng)力條件和水生態(tài)環(huán)境條件對(duì)中等強(qiáng)度的降雨產(chǎn)生的面源污染有足夠的凈化能力。

(2)根據(jù)太湖的觀測(cè)資料和相關(guān)的研究成果[7- 8]，藍(lán)藻發(fā)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(jù)赤山湖的計(jì)算和實(shí)測(cè)資料，葉綠素Chl-a的濃度為4μg/L，pH值在8.2～8.8，因此發(fā)生藍(lán)藻水華的可能性很小。

4.2 保障赤山湖水生態(tài)健康的合理措施

赤山湖經(jīng)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(shè)工程建設(shè)，水生態(tài)環(huán)境已得到一定改善。由于赤山湖目前主要為閘控運(yùn)行湖泊，內(nèi)湖區(qū)與周?chē)到粨Q少，外湖區(qū)水質(zhì)主要受到周?chē)嬖次廴镜挠绊?，因此如何有效進(jìn)行內(nèi)外湖富營(yíng)化防治，恢復(fù)并保持赤山湖天然濕地功能是保證赤山湖水生態(tài)健康的關(guān)鍵。赤山湖水體富營(yíng)養(yǎng)化防治必需從區(qū)域范圍出發(fā)進(jìn)行整體綜合考慮，可參考以下防治措施。

(1)赤山湖內(nèi)湖區(qū)基本是一個(gè)閘控運(yùn)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(nèi)的平均流速約7～8cm/s，有些湖區(qū)出現(xiàn)平均流速小于1cm/s的死水區(qū)。由于流速小，洪水帶入的泥沙有可能在死水區(qū)淤積，應(yīng)定期進(jìn)行清淤，保持赤山湖湖泊地貌和水動(dòng)力條件。

(2)在陸域和水域的過(guò)渡地帶，應(yīng)設(shè)計(jì)種植不同種類(lèi)挺水植物、浮葉植物和沉水植物，恢復(fù)環(huán)湖沿岸濕地生態(tài)帶，使其充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染物質(zhì)攔截過(guò)濾、較少污染、保護(hù)生物多樣性的功能。

(3)在湖區(qū)，運(yùn)用水生動(dòng)植物之間的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)、下行效應(yīng)原理，保證天然濕地功能的情況下，可適當(dāng)進(jìn)行生物操縱設(shè)計(jì)，構(gòu)建生態(tài)結(jié)構(gòu)合理、物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)正常的去富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

(4)赤山湖外湖河道水質(zhì)主要受到周邊農(nóng)業(yè)面源污染及生活污水的影響，農(nóng)業(yè)面源可倡導(dǎo)施肥噴藥使用環(huán)境友好化學(xué)品，上游城鎮(zhèn)區(qū)可考慮進(jìn)行雨污分流建設(shè)，生活污水收集后全部經(jīng)地塊污水管網(wǎng)，初期雨水(前15分鐘)進(jìn)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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的能力，達(dá)到水系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境優(yōu)化、水質(zhì)良好的目的，應(yīng)從湖區(qū)水面日常維護(hù)、水質(zhì)特征監(jiān)測(cè)、水生植物維護(hù)、水生動(dòng)物維護(hù)四個(gè)方面做好水生態(tài)工程長(zhǎng)效維護(hù)管理工作。